海上風力發電機塔架攀爬機器人機體結構的有限元分析

張越　張印輝　何自芬

摘 要：通過設計海上風力發電機塔架攀爬機器人的結構，利用有限元分析，對機器人的傳動部分、支架部分、攀爬部分進行分析，利用有限元方法以及理論計算進行對照，將傳動部分的齒輪、攀爬部分的滾輪、支架部分的壓緊塊進行了有限元分析，得出結論，機體結構合理，強度較高，疲勞壽命好，振動較低，不易產生共振，可以很好地在海上風力發電機上工作，為后續海上風力發電機塔架攀爬機器人的研究提供了有效的幫助。

關鍵詞：海上風力發電機;風機塔架攀爬機器人;有限元;靜強度

中圖分類號：TP242? ? ? ? ? ?文獻標識碼：A? ? ? ? ? ? 文章編號：1006—7973（2019）01-0072-04

我國很多地區都是高風能地區，除海拔高山外，海上的風力能源更集中，更適合發展風力資源。尤其是2015年莆田平海灣國內海上最大海上風力發電機的建成，更是標志著海上風力能源的有效利用。但風能的開發受到設備的影響，在風力集中的地方，環境也十分惡劣，設備的損壞率較高，對于風力發電設備的運行會產生較大影響。因此為解決風能設備的檢修問題，本文通過設計海上風力發電機塔架的攀爬機器人來輔助在海上復雜環境下的海上風力發電機葉片檢修工作。

配合人工海上風力發電機巡檢工作的機器人發展已經越來越成為一種趨勢。目前，對于工業機器人的研究未來將會在感覺功能、智能化控制、智能化移動人機合作、自我修復、微型化方向發展[1]。而這之中，對于在垂直面的攀爬機器人中，邵杰[2]在基于壁虎形態仿生的爬壁機器人技術研究中設計了一種仿生類的爬壁機器人，他對機器人進行詳盡的分析，并通過實驗證明了它的實用性;劉華濤、吳善強[3-4]等所設計的爬壁機器人均為吸盤式爬壁機器人，他們分別對吸盤的吸附力和能耗進行了研究;吳善強、李滿天[5]等人對爬壁機器人的無線遙控進行了分析。

對于零部件的可靠性研究，一般是利用有限元方法進行分析，有限元分析利用數學近似的方法對真實物理系統（幾何和載荷工況）進行模擬。利用簡單而又相互作用的元素（即單元），就可以用有限數量的未知量去逼近無限未知量的真實系統，通過有限元分析軟件，可以有效地對零部件進行強度等多方面分析，得到其可靠性。有限元分析可以用在很多方面，廖金深、李健、王開松、張波、姚鵬華[6-10]等人對客車車身、主軸箱、汽車驅動橋殼、變速箱等多種裝置進行了有限元分析，都得到了合理的結果。

本文將通過有限元分析對海上風力發電機塔架攀爬機器人進行強度校核，以得到機器人的使用性能，為后續研究提供指導。

1 三維模型建立與有限元模型分析

1.1 三維模型建立與有限元模型分析

海上風力發電機塔架攀爬機器人主要有幾個部分組成，包括了機體支架部分、攀爬部分以及傳動部分，如圖1所示：

可以在圖中看到海上風力發電機塔架攀爬機器人機體支架主要為支撐板部分，以及后座的方管部分，方管的設計首先可以有效地降低機器人的質量，從而降低傳動電機所需施加的力矩，使得機器人更好地向上攀爬，且可以達到小型化、輕量化的要求;而支撐板部分設計為可開合結構，通過電機帶動齒輪傳動機構令支撐板進行開合動作，使得機器人可以上下攀爬運動。其次，攀爬部分主要有四個小輪及一個大輪組成，下輪安裝在支撐板上，大輪安裝在方管上，中間小輪與減速機連接，帶動整個機體進行運動，大輪作為輔助滑動以及機體運動過程中的支撐部分，可以使得機體穩定地運動。此外，機體支架部分開設了可以安裝外設攝像機的內嵌槽，安裝后可對海上風力發電機葉片進行損傷檢測。

1.2有限元模型建立分析

海上風力發電機塔架攀爬機器人在攀爬過程中，海上風力發電機基座立柱部分表面較為光滑，因此，進行有限元分析，首先，確定機器人所需進行分析的部分。

1.2.1傳動部分

傳動結構主要有齒輪及電機，由于傳動部分主要工作是機體支架的開合以及運動過程中的夾緊，因此，需要對齒輪進行靜強度分析。齒輪部分為兩個單級齒輪的串聯傳動，減速電機輸入一個齒輪帶動另外兩個齒輪。如圖2所示，為三個齒輪的傳動方式，如表1所示，為齒輪基本參數：

根據上述分析，由于齒輪之間齒數相同，因此傳動比為1：1，且主要受力為夾緊時的受力，因此，分析一對齒輪的靜強度。整機質量約為7kg，海上風力發電機立柱直徑約4m，立柱摩擦系數取0.3，重力系數取10N/kg，因此可以得到齒輪受載的最大力矩為：

即齒輪輸出的力矩應當在462 N.m。

1.2.2支撐與滑動部分

支撐與滑動部分，主要為支撐塊以及滾輪的受力，因此，需要對這幾個零件進行有限元的強度分析。滾輪在滑動的過程中，主要為大滾輪會分擔較多的軸向力。因此，根據滾輪比例確定其受力情況。上文中已經作了分析，因此，徑向力為重力乘以摩擦系數μ：

此外，滾輪與風機立柱表面接觸滾動過程中，會受到一定的外部激勵，因此需要對風機爬行機器人進行模態分析，模態分析可以有效地分析機體的平順性和疲勞壽命，其目的在于優化結構以控制機體的模態頻率和模態振型。

2 關鍵零部件有限元分析

2.1齒輪靜強度分析

在建立好一對嚙合齒輪的三維模型后，將其導入到hypermesh進行網格劃分。齒輪網格選擇六面體規則網格，網格類型選擇solid185，材料取較好的齒輪滲碳鋼，接觸極限和彎曲極限分別為1070MPa與700MPa;彈性模量及泊松比分別為206000MPa及0.3。

網格劃分完成后進行前處理工作，定義材料屬性、網格屬性、受力情況、約束情況、齒輪接觸面設置等，在齒輪分析中，一般固定從動齒輪的6個自由度，及主動齒輪除軸線旋轉自由度外的5個自由度，通過設置主動輪中心與輪緣的剛性連接，轉矩施加在中心處，完成前處理。

前處理完成即可輸出至ANSYS進行有限元分析計算。如圖3-4所示，為齒輪分析的接觸強度與彎曲強度的應力情況：

由圖可知，接觸應力約為604MPa，彎曲應力為159MPa。將數據與理論計算值作對比，通過引用機械設計手冊齒輪強度校核計算公式，得：

式中，各個符號分別為基本接觸應力值，許用接觸應力值，基本彎曲應力值，節點區域系數，彈性系數，重合度系數，接觸強度螺旋角系數，切向力，分度圓直徑，齒寬，傳動比，接觸應力極限，接觸壽命系數，潤滑系數，齒面工作硬化系數，接觸強度計算的尺寸系數，最小接觸安全系數，基本彎曲應力值，許用彎曲應力值，模數，應力修正系數，彎曲強度螺旋角系數，彎曲極限，試驗齒輪應力修正系數，彎曲強度壽命系數，齒根圓角敏感系數，相對齒根表面狀況系數，彎曲強度計算的尺寸系數，最小彎曲安全系數。

具體計算后，得出結果，可知，有限元結果小于理論計算許用值，齒輪設計合理：

2.2 支撐與滑動部分的有限元分析

支撐與滑動部分主要是對滾輪以及部分支撐架進行有限元分析，步驟同齒輪有限元分析基本相同。其中滑動部分的滾輪只需對一個大滾輪和一個小滾輪進行分析，支撐架則對支架部分中間的壓緊塊進行分析。

2.2.1網格劃分及其前處理

滾輪以及壓緊塊，均為規則結構，因此網格仍然選用六面體網格更加合理。如圖5所示，為滾輪網格劃分以及約束條件、受力情況處理效果圖：

2.2.2有限元分析

前處理完成即可輸出至ANSYS進行有限元分析計算。其他分析零部件的基本步驟與上述小滾輪操作步驟基本相同，對軸端面約束，并對滾輪與海上風力發電機接觸線施加力載荷，總大小為上述軸向力F數值。其中，壓緊塊為了方便計算，將安裝孔簡化。其他不作過多描述，直接計算后得出結果，如圖6-8所示，為滾輪及壓緊塊的受力情況：

可以明顯看出各部分受力較小，最大受力一般為邊緣處，分別為29.84MPa、4.12MPa、4.68MPa，應力均較小，滿足使用要求。

3 結論

根據上文中對海上風力發電機爬行機器人的有限元分析，可以得出以下結論：

（1）整機結構合理，傳動系統保證了機器人可以有效地在海上風力發電機上進行爬行，將外設損傷檢測的攝像機連接上機器人，可以很好地對海上風力發電機損傷進行檢測。

（2）通過有限元分析可知，傳動部分、滑動部分以及支撐部分的關鍵零部件強度較高，均符合使用要求。

參考文獻：

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[8] 王開松， 許文超， 王雨晨. 汽車驅動橋殼有限元分析與輕量化設計[J]. 機械設計與制造， 2016（7）：222-225.

[9] 張波， 牛志剛， 鄔燕波. 運煤列車防凍液噴灑裝置的結構設計與有限元分析[J]. 現代制造工程， 2016（3）：146-150.

[10] 姚鵬華. 基于ANSYS的汽車變速器斜齒輪的有限元分析[J]. 機械研究與應用， 2016， 29（6）：18-20.

基金項目：

[1] 國家自然科學基金地區基金： 基于不動點方程解析求解的高動態場景多尺度分割（No. 61461022） ， 2015.01-2018.12

[2] 國家自然科學基金地區基金：復雜動態場景空時稀疏尺度廣義目標分割方法研究（No.61761024） 2018.01-2021.12