船舶除銹清洗爬壁機器人永磁式履帶研究應用

李占鵬

摘? ? 要：船舶除銹清洗作業在海洋工程裝備制造維修中占有重要的地位。目前我國企業船舶除銹多采用人工噴砂除銹方式，不僅效率低下且污染環境，影響著海洋裝備制造業的綠色發展。如何有效開展高質、高效、低耗、環保的船舶除銹清洗爬壁機器人作業，其永磁式履帶吸附單元是關鍵核心技術之一。本文對爬壁機器人永磁式履帶的吸附方式、磁性材料、永磁吸附結構設計、磁路吸附結構仿真進行分析及實驗驗證，提出了爬壁除銹清洗機器人永磁式履帶設計應用方案。

關鍵詞：爬壁;機器人;船舶除銹;永磁式履帶

中圖分類號：U671.1? ??? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? 文獻標識碼：A

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

船舶除銹清洗作業是船舶涂裝前的首要步驟[1]。由于船舶外殼板長期沉浸在海水中，不可避免的會發生腐蝕。為了提高船舶的使用壽命和增加使用安全性，當船舶外板和油漆受損到一定程度時，必須進行除銹油漆處理。

船舶爬壁除銹清洗機器人不同于常規機器人，其特點為依靠吸附于船舶外表面行走，其履帶吸附結構至關重要。提高爬壁除銹清洗機器人負載能力需要增大永磁履帶上永磁吸附單元的吸附力，吸附力增大會導致機器人轉向時橫向摩擦增大，從而使驅動力矩要增大，而驅動力矩增大則導致驅動元件體積和重量增大。因此，爬壁機器人的履帶既要考慮到吸附能力，也要考慮到磁力太強會影響越障性能以及驅動力。因此，如何既能保證爬壁除銹清洗機器人永磁式履帶的吸附力，又能減少驅動力摩擦，是一大關鍵技術難點。

2? ? 爬壁機器人吸附方式選擇

爬壁機器人常用的三種吸附方式為：真空吸附;負壓吸附;磁吸附。由于生銹比較嚴重的船舶外壁面凹凸不平，采用真空吸附或負壓吸附方式密封困難，導致吸附力穩定性差，所以這兩種方式均不適用;電永磁吸附具有磁性可控的優勢，但由于電永磁鐵結構復雜，提供同樣大小的吸附力電永磁鐵的質量要比永磁鐵的質量大許多。

綜上所述，采用永磁吸附方式，可以為爬壁機器人提供穩定的強大吸附力，并可減輕爬壁機器人自身質量及減少布線等，是最優的吸附方式。

3? ? ?爬壁機器人磁性材料選擇

永磁材料的選擇：（1）首先應考慮永磁材料所提供的吸附力與其質量的比值要盡量大，即永磁材料的磁能積要大，以減輕爬壁機器人的自身重量;（2）由于船舶除銹采用超高壓水射流除銹方式，水射流打擊船舶壁面可形成 90 ℃ 左右的高溫，故永磁材料的工作溫度要求不低于 90 ℃;（3）永磁材料的磁穩性要好。機器人行走過程中磁鐵要與壁面產生撞擊且工作環境較惡劣，故磁性要能長久保持。 釹鐵硼永磁材料是第三代稀土永磁材料，具有極高的磁能積和高能量密度等優點，其中燒結汝鐵硼材料的各項性能是汝鐵硼材料中較好的，因此永磁材料選擇燒結汝鐵硼 N42H，其工作溫度可達 120 ℃。

4? ? 爬壁機器人永磁吸附結構設計

永磁式履帶由永磁吸附單元和雙排滾子鏈條組成，如圖 1（a）所示。選用帶有彎板和安裝孔的雙排鏈條，將永磁吸附單元安裝在鏈條的彎板上;為減小漏磁并能充分利用永磁體的磁能，選用乙型磁路。乙型磁路由兩塊永磁體、軛鐵和隔磁板組成;釹鐵硼永磁材料屬于硬脆材料且易腐蝕，故永磁鐵表面要鍍鎳保護。

永磁吸附單元在爬壁機器人行走過程中不斷的吸合與脫離壁面，為避免永磁鐵因與壁面產生碰撞而損壞，采用鋁框與保護套封裝保護。單塊永磁吸附單元的安裝與封裝，如圖 1（b）所示。由于超高壓水射流除銹和夏天陽光照射會使壁面產生高溫，而且機器人轉向時永磁單元與壁面會產生干摩擦，故采用 2.5 mm 厚的尼龍保護套保護汝鐵硼永磁鐵。

由上所述，要提高爬壁機器人的負載能力就需要增大永磁履帶上永磁吸附單元的吸附力，吸附力增大會導致機器人轉向時橫向摩擦增大，導致驅動力矩和驅動元件體積和重量增大。為有效的解決這種矛盾，設計了一種永磁萬向輪（見圖2），將其安裝在機器人最前端，通過增大抗傾覆力矩從而提高機器人負載能力。

5? ? 爬壁機器人永磁吸附結構仿真分析

通過 Ansoft Maxwell 軟件仿真與磁力實驗相結合的方法，對永磁吸附機構磁場特性和磁力大小進行分析，根據仿真結果優化磁路中各構件尺寸參數及實驗結果，最終確定吸附力大小。

永磁吸附單元采用乙型磁路，與船舶壁面間的吸附力受永磁體形狀尺寸及永磁體與壁面間的間隙影響。乙型磁路中兩塊永磁體之間通常會有隔磁黃銅，由于黃銅雖然具有一定的隔磁作用但并不能完全隔磁。

為觀察其效果，通過軟件仿真研究有隔磁銅與無隔磁銅兩種情況下的磁場分布與磁力大小。在 AnsoftMaxwell 軟件中針對上述兩種情況分別建立仿真模型，采用兩塊長×寬×高=50×20×15 mm 的矩形汝鐵硼永磁體，在有隔磁銅的仿真模型中磁體間采用厚度為 3 mm的隔磁銅板。兩種模型均設置軛鐵厚度為 10 mm、永磁體與壁面間距離為 2.5 mm、壁面厚度為 15 mm。通過仿真得出有隔磁銅時永磁吸附單元的磁吸附力為 495.6 N，無隔磁銅時磁吸附力為 488.32 N，由此可知乙型磁路中去掉隔磁銅對磁場分布與磁力影響較小，所以永磁吸附單元不采用隔磁銅。

除磁路結構對永磁吸附單元與船舶壁面間的吸附力有影響外，磁路中各組成部分的形狀尺寸以及永磁體保護套厚度都對磁吸附力有較大影響。由于兩條履帶上共有 94 塊永磁吸附單元，導致機器人中全部永磁吸附單元的重量占機器人本體重量的很大比例。為減輕機器人整體重量，需要在磁路和封裝形式確定的情況下為永磁吸附單元中的各構件選擇合理的尺寸。

本文采用控制變量的方法，研究磁路中主要構件的尺寸參數對永磁吸附單元磁吸附力的影響，并利用軟件平臺計算得出單一變量對磁吸附力的影響。

首先在軟件中建立如圖3所示的乙型磁路模型示意圖。其中，永磁體與船舶壁面間的間隙為S 0 、船舶壁面厚度為 h ;汝鐵硼永磁體為矩形，其長、寬、高分別為 L 1 、 W 1 、H 1 ;軛鐵也為矩形，其長、寬、高分別為 L 0 、 W 0 、 H 0，并始終保持 L 0=L 1和 W 0=W 1。

（ 1 ）單塊永磁體長度L 1對單元磁吸附力的影響

令 W 1=20 mm、H 1=15mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 L 1? 與磁吸附力的關系曲線，如圖4所示。

（ 2 ）單塊永磁體寬度W 1對單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、H 1=15 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 W 1? 與磁吸附力的關系曲線，如圖5所示。

（ 3 ）單塊永磁體高度H 1對單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 0=10 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 H 1 與磁吸附力的關系曲線，如圖6所示。

（ 4 ）軛鐵高度H 0對單元磁吸附力的影響

令 L 1=50 mm、W 1=20 mm、H 1=15 mm、S 0=2.5 mm、h =15 mm，通過 Ansoft Maxwell? 軟件仿真得出 H 0? 與磁吸附力的關系曲線，如圖7所示。

綜合以上仿真結果，并分析每個因素對磁力增加的影響大小，最終獲得永磁體吸附結構的優化參數，如圖8所示。

6? ? 爬壁機器人永磁吸附磁力實驗研究

根據以上仿真結果，最終確定爬壁機器人吸附機構中各關鍵組成件的結構參數。為證明仿真結果的合理性，同時為確定永磁吸附單元與永磁萬向輪的實際磁吸附力，需要進行磁力實驗。該磁力實驗類似做材料拉伸實驗，萬能材料試驗機的上夾頭用于夾持永磁吸附單元或永磁萬向輪，下夾頭拆下，在安裝下夾頭的法蘭盤上固定材料為 Q235 的鋼板。搭建完實驗平臺（見圖9）后，使上夾頭勻速上升，可測出位移與磁吸附力的曲線圖，此處的位移即為永磁吸附單元或永磁萬向輪與壁面的間隙。

在 Ansoft Maxwell 系統中，利用磁場瞬態仿真方法模擬該實驗過程，軟件系統的各項參數按照實驗實際參數設置，仿真計算得到永磁吸附單元磁吸附力與位移的關系曲線，如圖10所示。

由圖10可知，仿真結果與實驗結果相近，可認為利用 Ansoft Maxwell 系統仿真得出的結果可信。其中，通過實驗測試的永磁吸附單元與壁面緊密接觸時的實際磁吸附力為 498 N;當永磁吸附單元與壁面之間的間隙超過 4 mm 時，磁吸附力衰減為緊密貼合時的一半以下。

7? ? 結論

本研究提出了一種基于超高壓水射流技術的新型船舶除銹爬壁機器人永磁式履帶，主要研究成果包括：

（1）結合船舶除銹工藝和超高壓水射流清洗技術， 提出一種基于超高壓水射流的船舶除銹爬壁機器人裝備技術，將超高壓水射流除銹、真空系統抽干并排渣和爬壁機器人執行除銹作業三者成套設計于一體。利用超高壓水射流對船體除銹，對環境污染少;采用真空抽干水分并回收銹渣，防止返銹;應用大負載爬壁機器人來搭載除銹清洗器進行遙控作業，操作安全可靠，實現船舶綠色、高效、高質量除銹清洗;

（2）根據船舶外殼板面除銹的實際工作環境，提出一種新型永磁吸附的履帶式爬壁機器人的結構方案：履帶上永磁吸附單元提供主吸附力;機器人最前端的永磁萬向輪提供輔助吸附力的新型吸附方式;

（3）通過分析永磁吸附單元的靜態受力，建立靜態穩定的力學模型并進行數值仿真分析，在保證爬壁機器人靜態穩定前提下，永磁萬向輪的輔助吸附作用有助于減輕履帶的吸附負擔，從而減小履帶與壁面的正壓力，使轉向的摩擦阻力矩減小而使驅動更加容易;

（4）提出永磁吸附單元與永磁萬向輪的磁路與封裝方式。采用有限元分析軟件 Ansoft Maxwell ，仿真分析得出永磁吸附單元各構件參數中，汝鐵硼永磁體的寬度磁力影響因子最大，根據仿真結果優化獲得永磁吸附單元的結構;

（5）采用萬能材料試驗機對永磁吸附單元與永磁萬向輪進行磁力測試，證明了仿真分析的準確性;

（6）通過大量的實驗并結合有限元仿真分析，獲得最佳優化的爬壁機器人的永磁吸附結構參數，大大促進了基于超高壓水射流的船舶除銹爬壁機器人滿足船廠的實際作業需求。

參考文獻

[1]潘沛霖，韓秀琴，趙言正，等. 日本磁吸附爬壁機器人的研究現狀[J]. 機器人， 1994，06：379‐382.

[2]高金，王吉忠，張永亮，倪新，張云等.非接觸型磁力壓電式位移傳感器的研究與應用[J].儀表技術與傳感器 ， 2017.

[3]劉海華;張金萍;趙艷祥.永磁電機磁鋼工程設計與研究[J].現代工業經濟和信息化 ， 2017.

[4]賈耀卿.常用金屬材料手冊 （下）[M].北京：中國標準出版社，2007.

[5]顧繩谷.電機及拖動基礎 （上） 第2版，[M].北京：機械工業出版社，1998.10.

[6]張德龍.機械基礎[M].甘肅：蘭州大學出版社， 2009.

[7]周淑美.常用建筑機械及基礎[M].湖南：湖南大學出版社， 1989.

[8]徐澤亮.永磁吸附履帶式爬壁機器人設計與壁畫適應性研究[J].上海交通大學學報， 2003. S2 （6）.

[9]段德榮，葛培琪，畢文波，王安民.平面彈性管束疲勞強度與強化換熱的數值分析[J].工程熱物理學報， 2016.

[10]施琪;孫建忠.材料力學實驗[M].北京：中國電力出版社， 2010.

[11]田春林.機械工程基礎實驗[M].北京：北京理工大學出版社，2012.

[12]衣正堯，弓永軍，王祖溫，等.用于搭載船舶除銹清洗器的大型爬壁機器人[J]. 機器人， 2010， 04：560‐567.

[13]韓典偉; 宋世紅.自走式船舶除銹機的設計與研究[J].浙江國際海運職業技術學院學報， 2016.

[14]衣正堯，弓永軍，王興如，王祖溫.船舶除銹爬壁機器人設計方案研究[J].機床與液壓 ， 2010.