陈驰昊 王锦豪 张宗伟 史鸣 龚耀威

摘  要：风能是可再生能源中发展最快的清洁能源，也是最具有大规模开发和商业化发展前景的发电方式。目前，越来越多的大型风机发电设备竞相出现，而风电场都建设在野外等恶略环境中。塔筒作为风机的主要支撑结构，由于吊、运过程中的损伤，且经日久运行，风沙、雨雪等的侵蚀，很多风电塔筒表面大都会出现脱漆乃至锈蚀现象，影响美观并可能危及风机安全，已不能满足风电场安全文明生产管理标准的要求。因此，对于风机塔外部的清洗就变得至关重要。

关键词：风力发电  清洗机器人  清洁能源

一、研究背景及目的

目前，越来越多的大型风机发电设备竞相出现，而风电场都建设在野外等恶略环境中。塔筒作为风机的主要支撑结构，由于吊、运过程中的损伤，且经日久运行，风沙、雨雪等的侵蚀，很多风电塔筒表面大都会出现脱漆乃至锈蚀现象，影响美观并可能危及风机安全甚至可能引发安全隐患，不能满足风电场安全文明生产管理标准的要求。因此，对于风机塔外部的清洗就变得至关重要。

现在对于风机塔的维护清理方式依然是利用自提式吊篮、吊车悬挂吊篮以及蜘蛛人的人工作业方式，清理时间长、维护成本高、人工工作量大且安全保障较低。目前我国正处于高速发展阶段，传统的作业方式已经不能满足目前的社会需求。

鉴于此，我们研究和设计了一种针对风机塔表面受侵蚀具体情况，结合人工智能及自动化技术，专门用于清理其表面的清洁机器人来取代人工清洁的操作方式，从而提高清洁风机塔表面的工作效率，节约维护成本。同时也提高了清理工作的安全系数，降低了人工的安全事故的发生。

二、风电塔筒清洗机器人结构设计

2.1、机器人功能设计

本项目设计的风电塔筒清洗机器人可分为吸附驱动装置，清洗装置两部分。设计方案为采用永磁铁单元块组成的磁吸板作为机器人的吸附装置，能使机器人稳定吸附在竖直的风电塔筒光滑表面。通过电机驱动车轮行走作为机器人的移动方式，控制转向系统通过角度传感器检测机器人与竖直方向的偏移角度，再驱动电动推杆微调前桥转向，使机器人能始终保持竖直向上行走。另外，在前方设置可伸缩的清洗裝置，由微型减速电动机、旋转盘、清洗刷、仿形弹簧、伸缩液压杆、连接杆、弯臂连杆等组成，电机驱动清洗刷保持一定速率旋转，以达到清洗风电塔筒表面的目的，足够的伸缩量能适应不同曲率的清洗表面。

2.2、机器人结构设计

（1）吸附装置

履带式爬壁机器人的吸附单元（磁铁）全部集中在双侧履带上，机器人在实际运行过程中，双侧履带和机器人本体属于2个单独机构。爬壁机器人需要长时间连续在倾斜角为 90°～180°的立面上工作，其两侧的履带需要承受机器人本体和负载的重量（一般在 1000 N 以上）。当机器人在壁面上沿着水平方向运行时，可能会发生履带与机器人本体脱离的现象。

针对以上问题，我们提出一种新式履带结构，如下图所示。原有履带采用链轮和链条结构，齿形比较小，齿数较多，连续运行时链轮可能脱离。优化为下图所示新式履带结构后，齿数变少，齿形变大，履带张紧后齿轮较难从履带中脱离。另外在齿轮外增加1个挡片，也可以防止履带从齿轮中脱离。这样在双重防护下，解决了爬行机器人履带脱离问题。

履带采用橡胶一体加工成型，在保证足够强度的前提下，既减轻机器人的重量，还增大机器人与吸附壁面之间的摩擦力，保证机器人稳定行走。图 5 整体式橡胶履带结构由图5可看到，永磁铁交替布置在橡胶履带中间，且永磁铁高度略小于橡胶高度（约 0.5 mm）。当机器人吸附在壁面上工作时，在磁吸附力的作用下磁铁周围的橡胶发生变形。利用橡胶的减震性，使永磁铁和壁面间的刚性接触转变为柔性接触，在保证足够磁吸附力的同时保护磁铁不发生断裂，机器人吸附稳定可靠性优化爬壁机器人保证稳定可靠地吸附在壁面。

（2）清洗装置

清洗机器人的可伸缩性的清洗装置是由滚架、滚刷、仿形弹簧、伸缩液压杆、连接杆、弯臂连杆等组成，如图2 所示。清洗滚刷安装在滚架上，滚架通过仿形弹和连接杆连接，足够的伸缩量可以适应不同曲率的清洗表面，滚刷内部装有微型减速电机驱动滚刷转动，两组伸缩液压杆可根据不同的清洗区域调节滚刷高度，保证清洗质量。

三、结语

我国现在正处于科技发展高速时代，用机器代替人力更高效进行工作也更加迎合时代需求。同时，随着风能的不断开发，风力发电产业的不断扩张，无可避免会有一批风电塔筒安置在环境恶劣的野外，这就给人工清洁造成了更大的阻碍，而使用风电塔筒清洁机器人，可以更便利的对塔筒进行清洁，保证了清洁人员的安全，提高了清洁工作的效率，降低了清洁工作的成本。

参考文献：

[1]孙恒、陈作模、葛文杰，《机械原理第八版》[M]，北京：高等教育出版社 2013，195-260

[2]濮良贵、陈国定、吴立言，《机械设计第十版》[M]，北京：高等教育出版社 2019，155-176

[3]戴娟，《机械原理课程设计指导书》[M]，北京：高等教育出版社 2018