船舶除锈清洗爬壁机器人永磁式履带研究应用

来源：职称驿站所属分类：机械论文
发布时间：2020-06-04浏览：32次

　　摘要：船舶除锈清洗作业在海洋工程装备制造维修中占有重要的地位。目前我国企业船舶除锈多采用人工喷砂除锈方式，不仅效率低下且污染环境，影响着海洋装备制造业的绿色发展。如何有效开展高质、高效、低耗、环保的船舶除锈清洗爬壁机器人作业，其永磁式履带吸附单元是关键核心技术之一。本文对爬壁机器人永磁式履带的吸附方式、磁性材料、永磁吸附结构设计、磁路吸附结构仿真进行分析及实验验证，提出了爬壁除锈清洗机器人永磁式履带设计应用方案。

　　关键词：爬壁;机器人;船舶除锈;永磁式履带

　　中图分类号：U671.1 文献标识码：A

　　《中外船舶科技》(季刊)创刊于1988年，由江苏科技大学主办。主要报道国内外船舶行业各领域的新进展、新趋势、新技术、新工艺等，介绍国内外造船领域前沿的一些研究热点和关键性技术，以及一些重要科技项目的研究状况和实施情况;面向国内外船舶行业的研究所、公司、工厂、大专院校和相关的企事业单位的科技人员、管理人员、广大师生和相关人士。

　　Abstract： Rust removal plays an important role in the manufacture and maintenance of marine engineering equipment. At present， the ship rust removal of Chinese enterprises mostly adopts manual sandblasting， which is not only inefficient， but also pollutes the environment and affects the green development of shipbuilding industry. The operation of the ship rust removal wall-climbing robot is effective with high quality， high efficiency， low consumption and environmental protection and one of the key technologies of the robot is the permanent magnetic track adsorption unit. In this paper， the adsorption mode， magnetic material， permanent magnet adsorption structure design and magnetic path adsorption structure simulation for the permanent magnetic track of the wall-climbing robot are analyzed and experimentally verified， the design and application scheme of the permanent magnetic track of the ship rust removal wall-climbing robot is put forward.

　　Key words： Wall Climbing; Robot; Ship rust removal; Permanent magnet track

　　1 引言

　　船舶除锈清洗作业是船舶涂装前的首要步骤[1]。由于船舶外壳板长期沉浸在海水中，不可避免的会发生腐蚀。为了提高船舶的使用寿命和增加使用安全性，当船舶外板和油漆受损到一定程度时，必须进行除锈油漆处理。

　　船舶爬壁除锈清洗机器人不同于常规机器人，其特点为依靠吸附于船舶外表面行走，其履带吸附结构至关重要。提高爬壁除锈清洗机器人负载能力需要增大永磁履带上永磁吸附单元的吸附力，吸附力增大会导致机器人转向时横向摩擦增大，从而使驱动力矩要增大，而驱动力矩增大则导致驱动元件体积和重量增大。因此，爬壁机器人的履带既要考虑到吸附能力，也要考虑到磁力太强会影响越障性能以及驱动力。因此，如何既能保证爬壁除锈清洗机器人永磁式履带的吸附力，又能减少驱动力摩擦，是一大关键技术难点。

　　2 爬壁机器人吸附方式选择

　　爬壁机器人常用的三种吸附方式为：真空吸附;负压吸附;磁吸附。由于生锈比较严重的船舶外壁面凹凸不平，采用真空吸附或负压吸附方式密封困难，导致吸附力稳定性差，所以这两种方式均不适用;电永磁吸附具有磁性可控的优势，但由于电永磁铁结构复杂，提供同样大小的吸附力电永磁铁的质量要比永磁铁的质量大许多。

　　综上所述，采用永磁吸附方式，可以为爬壁机器人提供稳定的强大吸附力，并可减轻爬壁机器人自身质量及减少布线等，是最优的吸附方式。

　　3 爬壁机器人磁性材料选择

　　永磁材料的选择：(1)首先应考虑永磁材料所提供的吸附力与其质量的比值要尽量大，即永磁材料的磁能积要大，以减轻爬壁机器人的自身重量;(2)由于船舶除锈采用超高压水射流除锈方式，水射流打击船舶壁面可形成 90 ℃ 左右的高温，故永磁材料的工作温度要求不低于 90 ℃;(3)永磁材料的磁稳性要好。机器人行走过程中磁铁要与壁面产生撞击且工作环境较恶劣，故磁性要能长久保持。钕铁硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，具有极高的磁能积和高能量密度等优点，其中烧结汝铁硼材料的各项性能是汝铁硼材料中较好的，因此永磁材料选择烧结汝铁硼 N42H，其工作温度可达 120 ℃。

　　4 爬壁机器人永磁吸附结构设计

　　永磁式履带由永磁吸附單元和双排滚子链条组成，如图 1(a)所示。选用带有弯板和安装孔的双排链条，将永磁吸附单元安装在链条的弯板上;为减小漏磁并能充分利用永磁体的磁能，选用乙型磁路。乙型磁路由两块永磁体、轭铁和隔磁板组成;钕铁硼永磁材料属于硬脆材料且易腐蚀，故永磁铁表面要镀镍保护。

　　永磁吸附单元在爬壁机器人行走过程中不断的吸合与脱离壁面，为避免永磁铁因与壁面产生碰撞而损坏，采用铝框与保护套封装保护。单块永磁吸附单元的安装与封装，如图 1(b)所示。由于超高压水射流除锈和夏天阳光照射会使壁面产生高温，而且机器人转向时永磁单元与壁面会产生干摩擦，故采用 2.5 mm 厚的尼龙保护套保护汝铁硼永磁铁。

　　由上所述，要提高爬壁机器人的负载能力就需要增大永磁履带上永磁吸附单元的吸附力，吸附力增大会导致机器人转向时横向摩擦增大，导致驱动力矩和驱动元件体积和重量增大。为有效的解决这种矛盾，设计了一种永磁万向轮(见图2)，将其安装在机器人最前端，通过增大抗倾覆力矩从而提高机器人负载能力。

　　5 爬壁机器人永磁吸附结构仿真分析

　　通过 Ansoft Maxwell 软件仿真与磁力实验相结合的方法，对永磁吸附机构磁场特性和磁力大小进行分析，根据仿真结果优化磁路中各构件尺寸参数及实验结果，最终确定吸附力大小。

　　永磁吸附单元采用乙型磁路，与船舶壁面间的吸附力受永磁体形状尺寸及永磁体与壁面间的间隙影响。乙型磁路中两块永磁体之间通常会有隔磁黄铜，由于黄铜虽然具有一定的隔磁作用但并不能完全隔磁。

　　为观察其效果，通过软件仿真研究有隔磁铜与无隔磁铜两种情况下的磁场分布与磁力大小。在 AnsoftMaxwell 软件中针对上述两种情况分别建立仿真模型，采用两块长×宽×高=50×20×15 mm 的矩形汝铁硼永磁体，在有隔磁铜的仿真模型中磁体间采用厚度为 3 mm的隔磁铜板。两种模型均设置轭铁厚度为 10 mm、永磁体与壁面间距离为 2.5 mm、壁面厚度为 15 mm。通过仿真得出有隔磁铜时永磁吸附单元的磁吸附力为 495.6 N，无隔磁铜时磁吸附力为 488.32 N，由此可知乙型磁路中去掉隔磁铜对磁场分布与磁力影响较小，所以永磁吸附单元不采用隔磁铜。

　　除磁路结构对永磁吸附单元与船舶壁面间的吸附力有影响外，磁路中各组成部分的形状尺寸以及永磁体保护套厚度都对磁吸附力有较大影响。由于两条履带上共有 94 块永磁吸附单元，导致机器人中全部永磁吸附单元的重量占机器人本体重量的很大比例。为减轻机器人整体重量，需要在磁路和封装形式确定的情况下为永磁吸附单元中的各构件选择合理的尺寸。

　　本文采用控制变量的方法，研究磁路中主要构件的尺寸参数对永磁吸附单元磁吸附力的影响，并利用软件平台计算得出单一变量对磁吸附力的影响。

　　首先在软件中建立如图3所示的乙型磁路模型示意图。其中，永磁体与船舶壁面间的间隙为S 0 、船舶壁面厚度为 h ;汝铁硼永磁体为矩形，其长、宽、高分别为 L 1 、 W 1 、H 1 ;轭铁也为矩形，其长、宽、高分别为 L 0 、 W 0 、 H 0，并始终保持 L 0=L 1和 W 0=W 1。

　　( 1 )单块永磁体长度L 1对单元磁吸附力的影响

　　令 W 1=20 mm、H 1=15mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通过 Ansoft Maxwell 软件仿真得出 L 1 与磁吸附力的关系曲线，如图4所示。

　　( 2 )单块永磁体宽度W 1对单元磁吸附力的影响

　　令 L 1=50 mm、H 1=15 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通过 Ansoft Maxwell 软件仿真得出 W 1 与磁吸附力的关系曲线，如图5所示。

　　( 3 )单块永磁体高度H 1对单元磁吸附力的影响

　　令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通过 Ansoft Maxwell 软件仿真得出 H 1 与磁吸附力的关系曲线，如图6所示。

　　( 4 )轭铁高度H 0对单元磁吸附力的影响

　　令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 1=15 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通过 Ansoft Maxwell 软件仿真得出 H 0 与磁吸附力的关系曲线，如图7所示。

　　综合以上仿真结果，并分析每个因素对磁力增加的影响大小，最终获得永磁体吸附结构的优化参数，如图8所示。

　　6 爬壁机器人永磁吸附磁力实验研究

　　根据以上仿真结果，最终确定爬壁机器人吸附机构中各关键组成件的结构参数。为证明仿真结果的合理性，同时为确定永磁吸附单元与永磁万向轮的实际磁吸附力，需要进行磁力实验。该磁力实验类似做材料拉伸实验，万能材料试验机的上夹头用于夹持永磁吸附单元或永磁万向轮，下夹头拆下，在安装下夹头的法兰盘上固定材料为 Q235 的钢板。搭建完实验平台(见图9)后，使上夹头匀速上升，可测出位移与磁吸附力的曲线图，此处的位移即为永磁吸附单元或永磁万向轮与壁面的间隙。

　　在 Ansoft Maxwell 系统中，利用磁场瞬态仿真方法模拟该实验过程，软件系统的各项参数按照实验实际参数设置，仿真计算得到永磁吸附单元磁吸附力与位移的关系曲线，如图10所示。

　　由图10可知，仿真结果与实验结果相近，可认为利用 Ansoft Maxwell 系统仿真得出的结果可信。其中，通过实验测试的永磁吸附单元与壁面紧密接触时的实际磁吸附力为 498 N;当永磁吸附单元与壁面之间的间隙超过 4 mm 时，磁吸附力衰减为紧密贴合时的一半以下。

　　7 结论

　　本研究提出了一种基于超高压水射流技术的新型船舶除锈爬壁机器人永磁式履带，主要研究成果包括：

　　(1)结合船舶除锈工艺和超高压水射流清洗技术，提出一种基于超高压水射流的船舶除锈爬壁机器人裝备技术，将超高压水射流除锈、真空系统抽干并排渣和爬壁机器人执行除锈作业三者成套设计于一体。利用超高压水射流对船体除锈，对环境污染少;采用真空抽干水分并回收锈渣，防止返锈;应用大负载爬壁机器人来搭载除锈清洗器进行遥控作业，操作安全可靠，实现船舶绿色、高效、高质量除锈清洗;

　　(2)根据船舶外壳板面除锈的实际工作环境，提出一种新型永磁吸附的履带式爬壁机器人的结构方案：履带上永磁吸附单元提供主吸附力;机器人最前端的永磁万向轮提供辅助吸附力的新型吸附方式;

　　(3)通过分析永磁吸附单元的静态受力，建立静态稳定的力学模型并进行数值仿真分析，在保證爬壁机器人静态稳定前提下，永磁万向轮的辅助吸附作用有助于减轻履带的吸附负担，从而减小履带与壁面的正压力，使转向的摩擦阻力矩减小而使驱动更加容易;

　　(4)提出永磁吸附单元与永磁万向轮的磁路与封装方式。采用有限元分析软件 Ansoft Maxwell ，仿真分析得出永磁吸附单元各构件参数中，汝铁硼永磁体的宽度磁力影响因子最大，根据仿真结果优化获得永磁吸附单元的结构;

　　(5)采用万能材料试验机对永磁吸附单元与永磁万向轮进行磁力测试，证明了仿真分析的准确性;

　　(6)通过大量的实验并结合有限元仿真分析，获得最佳优化的爬壁机器人的永磁吸附结构参数，大大促进了基于超高压水射流的船舶除锈爬壁机器人满足船厂的实际作业需求。

　　参考文献

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