基于超磁致伸縮材料的管道爬行器設(shè)計(jì)

隋曉梅，方秀珍，趙章榮

SUI Xiao-mei1, FANG Xiu-zhen1, ZHAO Zhang-rong2

（1.華北科技學(xué)院，三河 065201；2.國(guó)家林業(yè)局北京林業(yè)機(jī)械研究所，北京 100029）

0 引言

在工業(yè)、核工業(yè)、石油天然氣等領(lǐng)域中，管道作為一種有效的物料輸送手段而得到廣泛應(yīng)用，為了提高這些管道的壽命，防止泄露等事故的發(fā)生，管道機(jī)器人作為滿足高效準(zhǔn)確的故障診斷、檢測(cè)及維修的手段應(yīng)運(yùn)而生，其廣泛地應(yīng)用于管道的探傷、補(bǔ)口、維修、焊接等諸多領(lǐng)域。目前研制的管道爬行器大多采用傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)、電機(jī)驅(qū)動(dòng)形式，技術(shù)上比較成熟，適用面較廣，可滿足大部分要求[1～3]。但常規(guī)的推進(jìn)方式缺點(diǎn)明顯：結(jié)構(gòu)尺寸大和重量大，功率損失大，噪聲差，運(yùn)動(dòng)不靈活。

基于智能材料， 如形狀記憶合金材料（SMA）、超磁致伸縮材料（GMM）、壓電陶瓷材料（PZT）、磁流變液材料等的管道爬行器由于易于微型化，功耗小，運(yùn)動(dòng)靈活，噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，逐漸成為研究熱點(diǎn)。趙麗娟等[4]用形狀記憶合金彈簧和普通鋼絲彈簧聯(lián)接作為動(dòng)力驅(qū)動(dòng)元件設(shè)計(jì)制作出一種蛇形機(jī)器人，其動(dòng)作靠電流的通、斷來控制。趙玉俠等[5]研制出利用形狀記憶合金制成的壓縮彈簧在加熱和冷卻過程中釋放的能量而行進(jìn)的機(jī)器人。張永順等[6]通過管外時(shí)變振蕩磁場(chǎng)頻率的改變，媒介于微機(jī)器人磁致伸縮微驅(qū)動(dòng)器的磁機(jī)耦合作用，將時(shí)變振蕩磁場(chǎng)能轉(zhuǎn)換成機(jī)器人彈性腿的振動(dòng)機(jī)械能，從而實(shí)現(xiàn)機(jī)器人的行走。

本文提出一種基于超磁致伸縮材料管道爬行器的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，可在直徑小且需要較大驅(qū)動(dòng)動(dòng)力的情況下，能對(duì)管道進(jìn)行有效的檢測(cè)與維護(hù)。

1 管道爬行器的總體設(shè)計(jì)

基于超磁致伸縮材料管道爬行器由超磁致伸縮馬達(dá)，螺旋頭驅(qū)動(dòng)部件，支撐部件構(gòu)成。螺旋頭上安裝有三只傾斜輪子、支撐部件上安裝六只可以伸縮的輪子，結(jié)構(gòu)如圖1所示。圖1（a）為管道爬行器整體結(jié)構(gòu)，圖1（b）為爬行器在管道中運(yùn)行位姿仿真，圖1（c）為爬行器裝配拆分。利用超磁致伸縮旋轉(zhuǎn)電機(jī)驅(qū)動(dòng)器驅(qū)動(dòng)傾斜的輪子螺旋上升，爬行過程中通過卷簧，使三個(gè)小輪的向徑同步變化，可以很好適應(yīng)口徑在一定范圍（70mm～100mm）內(nèi)變化的管道。萬(wàn)向連軸節(jié)可使爬行器靈活的轉(zhuǎn)彎（0～90o）。利用超磁致伸縮馬達(dá)，大大簡(jiǎn)化了管道爬行器的驅(qū)動(dòng)方式，提高了可靠性，降低了成本。整體結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，穩(wěn)定性高，對(duì)環(huán)境適應(yīng)力強(qiáng)，能在各種惡劣環(huán)境中正常工作。

圖1 螺旋管道機(jī)器人結(jié)構(gòu)圖

2 超磁致伸縮馬達(dá)的設(shè)計(jì)

新型超磁致伸縮馬達(dá)[7]由GMM驅(qū)動(dòng)器、轉(zhuǎn)子、定子等組成。利用超磁致伸縮棒作為驅(qū)動(dòng)元件，用正余弦波作為激勵(lì)電信號(hào)驅(qū)動(dòng)轉(zhuǎn)子旋轉(zhuǎn)。定子包括預(yù)壓機(jī)構(gòu)、柔性放大機(jī)構(gòu)。

2.1 GMM驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

GMM驅(qū)動(dòng)器由棒狀GMM、激勵(lì)線圈、線圈骨架、永久磁鐵等零件組成。選擇TX系列稀土大磁滯伸縮材料產(chǎn)品，取超磁致伸縮棒的計(jì)算伸長(zhǎng)量 ΔL等于設(shè)計(jì)最大輸出位移Xmax，并且假設(shè)磁致伸縮系數(shù)λ在外加磁場(chǎng)作用下達(dá)到2400×10-6kA/mm以上，超磁致伸縮棒的計(jì)算長(zhǎng)度L：

圓整超磁致伸縮棒的直徑為8mm，此時(shí)最大輸出力為：

式中：E為超磁致伸縮棒的彈性模量，A為超磁致伸縮棒的截面積。

稀土超磁致伸縮材料的尺寸規(guī)格國(guó)內(nèi)目前尚沒有統(tǒng)一標(biāo)準(zhǔn)，各生產(chǎn)單位通?？筛鶕?jù)用戶要求進(jìn)行各種尺寸的加工。經(jīng)上述計(jì)算，最后選取的超磁致伸縮棒規(guī)格為GMM：Φ8×45mm。2片2.5mm厚的釹鐵硼永久磁鐵貼于GMM兩端，用于提供偏置磁場(chǎng)，消除“倍頻現(xiàn)象”。根據(jù)不同壓力下GMM磁滯伸縮特性，施加預(yù)壓力后會(huì)使GMM能量得到充分發(fā)揮，為了能獲得所需預(yù)壓應(yīng)力且方便調(diào)節(jié)，使機(jī)械結(jié)構(gòu)更加微小化，采用壓圈彈簧結(jié)構(gòu)給磁致伸縮棒施加壓力，如圖2所示。GMM預(yù)壓力強(qiáng)度則對(duì)超磁致伸縮棒的預(yù)壓力F：

超磁致伸縮棒的預(yù)壓縮的位移：

考慮到對(duì)調(diào)節(jié)方便程度和壓力大小區(qū)分度的要求，取預(yù)壓蝶簧的壓縮變形量Δh為0～5mm比較合適，此時(shí)可以求出對(duì)應(yīng)的預(yù)壓蝶簧剛度系數(shù)kl，這樣就可以根據(jù)螺栓擰度乘以kl來確定預(yù)應(yīng)力大小。所加的壓應(yīng)力與超磁致伸縮棒軸線嚴(yán)格平行、均衡分布，避免產(chǎn)生彎矩。

圖2 彎壓曲放大驅(qū)動(dòng)器結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 柔性放大機(jī)構(gòu)

考慮到馬達(dá)結(jié)構(gòu)、預(yù)壓力施加方式等因素，最終選擇如圖3所示的Shell柔性結(jié)構(gòu)。GMM單元驅(qū)動(dòng)器沿Shell結(jié)構(gòu)的長(zhǎng)軸放置，通電線圈激勵(lì)GMM 材料伸縮，推動(dòng)Shell產(chǎn)生柔性變形，在短軸上形成放大的輸出位移。在實(shí)現(xiàn)微位移放大的同時(shí)也使位移的方向產(chǎn)生90o轉(zhuǎn)變。放大機(jī)構(gòu)所用材料為65Mn，彈性模量E=200Gpa，泊松比μ=0.288，極限應(yīng)力780Mpa。機(jī)構(gòu)總寬度b=68mm，空腔底寬b1=54mm，材料厚度δ=1.6mm，深度h=4mm。所設(shè)計(jì)的柔性放大機(jī)構(gòu)其放大倍數(shù)可提高一倍。

2.2 定子、轉(zhuǎn)子結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

以往超磁致伸縮馬達(dá)是利用超磁致伸縮材料的磁致伸縮效應(yīng), 在驅(qū)動(dòng)磁場(chǎng)的激勵(lì)下, 由磁致伸縮振子(馬達(dá)定子)將電磁能轉(zhuǎn)換成機(jī)械能, 并通過定子和轉(zhuǎn)子間的接觸摩擦力推動(dòng)轉(zhuǎn)子運(yùn)動(dòng)。這種傳動(dòng)機(jī)構(gòu)能量損耗大，零件磨損嚴(yán)重，壽命短。鑒于以往電機(jī)的缺點(diǎn)，本文在旋轉(zhuǎn)電機(jī)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)中使用一齒差漸開線行星齒輪傳動(dòng)的方式進(jìn)行傳動(dòng),其顯著的優(yōu)點(diǎn)在于摩擦小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單緊湊,有利于電機(jī)的進(jìn)一步小型化，傳動(dòng)效率高達(dá)0.85～0.91，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)，齒形容易加工，裝拆方便等。查詢相關(guān)數(shù)據(jù)，設(shè)計(jì)傳動(dòng)比i=35，輸入軸的頻率f=10Hz，則輸出轉(zhuǎn)速：

為減少裝配誤差對(duì)馬達(dá)性能的影響, 將定子與驅(qū)動(dòng)器通過線切割加工方法做成一體,裝配如圖4所示。超磁致伸縮馬達(dá)具體設(shè)計(jì)參數(shù)如下：

GMM：Ф8×45mm；線圈匝數(shù)：2640，線圈內(nèi)徑為5mm，外徑為9.8mm，長(zhǎng)度為51mm；繞線架：內(nèi)徑為9.8mm，壁厚為1mm，長(zhǎng)度為53mm；釹鐵硼永久磁鐵：Ф8×25mm；轉(zhuǎn)子直徑：Ф20mm。

圖4 超磁致伸縮馬達(dá)裝配圖

3 管道爬行器螺旋頭設(shè)計(jì)

螺旋頭結(jié)構(gòu)采用較為廣泛的雙層輪結(jié)構(gòu)和徑向彈簧布置方式。雙層輪組合徑向彈簧，如圖5所示。驅(qū)動(dòng)頭采用兩層輪結(jié)構(gòu)，共六個(gè)驅(qū)動(dòng)輪，使用雙層輪結(jié)構(gòu)改善了運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性。工作原理是驅(qū)動(dòng)輪通過三個(gè)圓柱支撐在管壁上，彈簧呈徑向星形布局。在彈簧的直接壓力下獲得管道對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的正向壓力，每個(gè)驅(qū)動(dòng)輪承受彈簧對(duì)它一半的力，驅(qū)動(dòng)輪在彈簧力和管道壁對(duì)驅(qū)動(dòng)輪的徑向支反力的作用下保持靜平衡。根據(jù)彈簧呈星形徑向布置的實(shí)際允許安裝尺寸，可取彈簧中徑D1=6mm，壓縮量λ1=19-39mm，胡克系數(shù)k=2時(shí)，彈簧力F1=38N～78N時(shí)，經(jīng)計(jì)算圓柱彈簧的幾何尺寸為：鋼絲直徑d=1mm；彈簧外徑D2=8mm；彈簧有效圈數(shù)n1=30；彈簧自由高度H0=80mm；彈簧工作高度Hn=41mm～60mm。

4 管道爬行器支撐機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

管道爬行器的支撐部分采用三個(gè)相差120o的支撐輪支撐著管壁，如圖6所示。為了運(yùn)動(dòng)穩(wěn)定采用雙支撐輪支撐，每個(gè)支撐輪桿用螺母裝配在端蓋上，用彈簧支撐著輪桿可以適應(yīng)不同管徑，且與管壁支撐緊密。端蓋的中心處鉆有一個(gè)M16的孔，目的是使該爬行器能夠模塊化，后面可以用相同的結(jié)構(gòu)攜帶負(fù)載。端蓋上分布著三個(gè)120o的孔，讓三個(gè)輪桿通過其中，起到導(dǎo)向的作用。輪桿上的螺紋與螺母連接固定在端蓋上，使輪桿在端蓋孔中滑動(dòng)而不至于掉出來。螺母與端蓋之間安裝一個(gè)彈簧，使輪桿在管壁上有一定的支撐力。支撐桿設(shè)計(jì)直徑為Ф14mm，長(zhǎng)為77mm。支撐桿上與螺母連接的螺紋為M14長(zhǎng)為20mm，裝輪子的槽深14mm。銷孔的直徑為Ф6mm。

圖5 圓柱彈簧星形徑向布局

圖6 管道爬行器支撐機(jī)構(gòu)

5 結(jié)束語(yǔ)

本文采用超磁致伸縮驅(qū)動(dòng)器研制出一種螺旋管道爬行機(jī)器人，并對(duì)機(jī)器人系統(tǒng)進(jìn)行了全面結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和校核，利用ProE/Mechanism運(yùn)動(dòng)仿真功能，檢驗(yàn)了爬行器在不同輸出轉(zhuǎn)速和不同驅(qū)動(dòng)輪傾斜角度下，爬行器的驅(qū)動(dòng)輪與其本體不發(fā)生干涉，說明設(shè)計(jì)的有效性。

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