風電塔筒油污清洗及無損檢測機器人系統設計

徐 春，劉海東，趙子豐，徐光平

（1.大唐（赤峰）新能源有限公司，內蒙古赤峰 024000；2.北京中安吉泰科技有限公司，北京 100192）

0 引言

作為一種可再生的清潔能源，風能對緩解能源危機和減少碳排放總量有著重要作用，是清潔能源體系的核心組成部分，愈發受到世界各國的高度重視。風電機組作為將風能轉化為電能的核心裝備，其安全高效的運行是風電能源供應的有力保障。風電塔筒作為風電機組的核心關鍵部件，承擔著主體支撐與應力承載的角色，對風電機組的可靠穩定運行起著至關重要的作用。但受自然界分布特點的影響，風電機組大多數安裝在荒漠戈壁、高原山丘及沿海淺灘等環境惡劣地區，塔筒主體結構常年經受沙塵侵磨、雨雪霜凍及海水銹蝕等自然損害，輕則發生漆膜破損、腐蝕脫落，重則產生焊縫開裂、應力不均導致倒塔等情況，嚴重影響塔筒主體結構強度及風電機組的安全運行。因此需要定期針對風電塔筒等基礎設備進行維護、檢修及保養。

目前，針對風電塔筒的運維作業只有采用人工作業方式，即通過吊籃或蜘蛛人的形式，作業人員攜帶設備完成高空維護作業。由于風電塔筒近百米的高度，并且受到塔筒內部運輸空間的限制，前期準備工作極為耗時，同時所攜帶的維護設備及原材料有限，存在著作業效率低下、工期長、成本高、工人安全無法保障等問題，無法滿足我國風電行業日益增長的維護作業需求。針對目前傳統人工作業存在的問題，亟需采用新型的作業方式，以保證安全、高效、可靠的塔筒維護作業。

目前，國內外已有公司和團隊采用爬壁機器人作為載體搭載各類作業執行模塊在石化儲罐[1]、船舶外壁[2]、橋梁管道[3]等行業進行機械化運維作業[4]的嘗試。針對風電運維，雖然也有一些國外的團隊提出了設想的方案[5]，但從具體的工程實施角度出發，仍然存在一些瓶頸。為此，從風電塔筒的實際運維需求出發，研制適用于風電塔筒的維護作業系統，是亟需解決的問題。

1 設計要求

風電塔筒不同與石化儲罐或船舶外立面那種較為平整的金屬立面，塔筒存在著曲率大、半徑小的固有結構特性，同時結構高度也遠高于一般的金屬立面，這就為機械化運維作業提出了較為嚴苛的要求。故針對風電塔筒的固有結構特性，結合維護作業需求，對機器人維護作業系統提出以下設計要求。

（1）曲率適應。塔筒外形為圓錐曲面，最大直徑4 m、最小直徑2.4 m，傳統的移動平臺無法在曲面上轉彎運動。為保證爬壁機器人在塔筒壁面的靈活運動，要求具備變曲率自適應能力。

（2）柔性接觸。塔筒出場吊裝之前會在表面涂裝防腐保護涂層，爬壁機器人在表面吸附運動作業過程中不能破壞原本完好的涂層。因此，要求機器人與塔筒是柔性接觸、避免漆膜的破損。

（3）油污清洗。塔筒表面存在質地濃厚的油污層，輕度清潔方式無法滿足清洗效果，因此要求作業系統能夠實現一定強度的持續性清潔作業。

（4）壁面檢測。塔筒壁面存在大量的橫縱焊縫，為保證檢測結構的準確性，需要實現全方位、全截面覆蓋的深度檢測。

（5）操控系統。機器人搭載作業模塊的方式能夠替代人工進行高空高危作業，但機器人的操控系統要具備可靠高效安全的作業模式，能夠在保障人員安全的情況下實現可靠高效的操控，同時讓操作人員實施監測作業狀態及塔筒作業環境。

為此，設計了以下機械化維護作業系統——永磁輪式爬壁機器人。

2 永磁輪式爬壁機器人

基于爬壁機器人工作現場工況調研，爬壁機器人選用四輪框架結構，以滿足現場應用需求。機器人本體結構主要包括機器人箱體（內含驅動控制元器件）、前永磁輪驅動單元、后永磁輪萬向從動單元、液體（清洗液/耦合液）噴灑模塊以及攝像頭等（圖1）。

圖1 機器人本體示意

（1）機器人箱體內置主要的驅動和控制元器件，以及相應的供電信號模塊。

（2）前輪驅動單元。兩個內置永磁體、結構相同的模塊化前輪驅動單元設置于車架前端左右兩側，輪體外側包裹橡膠，實現與塔筒壁面的柔性接觸，同時橡膠接觸能夠增加摩擦力，主要用于提供機器人運動所需的驅動力及吸附力，通過實時伺服控制兩輪速度（同速直行、差速轉彎）實現機器人在壁面的靈活精準運動。

（3）后輪萬向從動單元采用模塊化設計，內置永磁體，設置于車架后端兩側，輪體外側包裹橡膠。采用萬向輪形式隨車體隨動，用于提供部分吸附力并實現車架在壁面的穩定支撐，同時利于四輪構型的轉彎運動。

（4）液體噴灑模塊由水箱、微型隔膜泵、走水管路以及集成在清洗/檢測模塊上的噴頭構成。水箱分為3 組，分別掛載機器人兩側及背部，同時各自對應一個微型隔膜泵，主要存儲用于清洗作業的清洗液或TOFD（超聲波衍射時差法）檢測作業時需要的耦合液。水箱總容量8 L，能夠滿足機器人清洗或檢測時對清洗液或耦合液的需求。

（5）攝像頭分為前后兩組攝像頭，前攝像頭安置在前驅動輪前端，主要用于監測清洗/檢測作業的實時狀態，后攝像頭安置在后萬向從動輪后端，主要用于檢測機器人尾部及拖拽線纜的情況。

考慮到塔筒壁面為錐體、曲率大且變化不唯一，在兩個前置驅動輪與車體剛性固接的前提下，為了保證機器人對曲面的自適應能力，將兩個后置萬向輪與本體的連接方式設計為具有單個旋轉自由度的柔性鉸接方式。這樣4 組磁輪在保持與壁面吸附的同時，后輪可以跟隨壁面曲率變化與起伏，確保機器人在塔筒壁面運動的穩定與靈活（圖2）。

圖2 曲面適應

3 清洗檢測維護作業模塊

風機塔筒由于常年經受風沙侵蝕以及自身機艙零部件漏油的影響，塔筒外壁存在油污以及焊縫存在破損的情況，嚴重影響塔筒安全運行的可靠性，需要定期進行清潔檢測等維護作業。

3.1 油污清洗模塊

塔筒表面油污是在風電機艙漏油后，融合了沙塵等大氣雜質，又經受強風吹蝕后形成的質地比較濃厚的污層，傳統人工作業采用的滾刷擦洗的方式，針對質地較厚的頑固油層的清洗效率較低，因此需要設計一種能夠配合機器人進行高效清潔作業的執行模塊。

清洗模塊機構為3 個旋轉毛刷盤以一定角度排列構成，以便適應塔筒的曲率（圖3）。每個刷盤由單獨的電機驅動，刷盤上端獨立的噴頭與機器人本體的噴灑模塊連接，當隔膜泵將清洗液噴灑在壁面之后，刷盤自轉便可將壁面油污洗刷干凈。

圖3 塔筒油污清洗作業

清洗模塊與機器人本體連接后，借助機器人靈活的運動能力以及清洗模塊高效的回轉掃刷模式，可以實現機械化清洗作業。刷盤直徑400 mm，3 個刷盤的單次清潔面幅跨度能達到1020 mm，同時能夠適應塔筒不同高度的曲率變化。

3.2 TOFD 檢測模塊

受限于吊籃或蜘蛛人等作業形式，傳統的人工焊縫檢測只能進行定點采樣檢測，無法做到高效的全域全覆蓋檢測。檢測手段也只能采用電渦流等進行淺層掃描，無法對塔筒壁面及焊縫進行深層次的掃查。

TOFD 是Time Of Flight Diffraction 的縮寫，即超聲波衍射時差法，其檢測模塊由包含TOFD 掃查架（含超聲探頭）、用于與機器人相連接的安裝架以及用于檢測動作的電推缸構成（圖4a）），它能對設定深度的母材及焊縫進行全截面的探查，同時將母材焊縫各深度層的不同缺陷同步顯示在檢測儀器上。

圖4 焊縫TOFD 檢測作業

塔筒焊縫包含有縱縫與環縫：縱縫為豎直方向，位置為沿塔筒圓周0°與180°對稱布置；環縫為塔筒圓周方向，相鄰環縫高度間隔2～3 m。在焊縫檢測時，通過調整機器人的位置姿態以及利用電推缸調整掃查架的高度，將掃查架前端的兩個超聲探頭分別置于焊縫的兩側，并緊密貼合壁面，將機器人本體的耦合液噴灑系統與探頭上的噴孔連接，將耦合液噴灑至檢測區域，控制機器人沿焊縫運動，即可實現實時的TOFD 超聲焊縫檢測作業（圖4b））。檢測數據可通過通信線纜傳輸至地面數據分析軟件，為質檢員提供實時的檢測數據與分析結果，憑借機器人搭載TOFD檢測模塊實現高效、準確、全方位的焊縫無損檢測作業。

4 控制系統

為保證機器人操作的可靠性以及人員安全，采用地面遙操作控制系統，即操作人員及控制系統主體均在地面安全區域內，通過有線拖纜的方式連接高空機器人作業系統，進行供電及控制信號的傳遞。控制系統包括主控制箱、無線遙控器以及相應供電信號線纜（圖5）。

圖5 控制系統

5 樣機系統研制

為驗證風電清洗檢測機器人系統的設計可靠性，研制了系統樣機（圖6）。

圖6 機器人系統樣機

通過搭建試驗測試平臺，試驗結果表明，機器人能夠有效吸附在壁面上，在不打滑的情況下仍能搭載最多20 kg 的負載并進行機器人的性能測試。

通過測試，機器人空載的最大運動速度可達8 m/min，負載20 kg 時最大可達6 m/min。同時，為了配合清洗作業模塊和檢測作業模塊的作業效果，作業時機器人的運動速度基本上保持在2 m/min。

后續的改進方向有兩個：一是針對機器人本體的重量及尺寸進行優化，進一步進行輕量化設計，對部分結構體模塊等構型進行小型化改進；二是在保證清洗/檢測作業效果的前提下，磨合作業工藝參數，進一步提高作業效率。

6 結論

（1）根據風電塔筒的實際作業需求，明確了機器人及作業執行模塊的設計要求，同時確定了相應模塊的設計指標。

（2）根據設計要求進行機器人本體設計，采用雙驅四磁輪的整體構型，配合曲面適應的萬向從動結構，能夠實現機器人在壁面的可靠吸附與靈活運動。

（3）針對不同作業場景需求，通過對傳統人工作業的痛點分析，并考慮到作業效果及作業效率的問題，設計了油污清洗及TOFD 檢測兩種前端執行作業模塊。

（4）考慮到人工操控機器人的便捷安全以及機器人作業的可靠性，采用本體有線拖纜及人工無線遙控的整體控制方案，在保證機器人本體供電及信號傳輸可靠的前提之下，無線遙操作提供了極大的便利及人員安全，能夠滿足風電現場高危的作業環形需求。

（5）通過各部分模塊的系統集成，研制了系統樣機，通過搭建測試平臺驗證了系統設計的準確性與可靠性，能夠滿足風機塔筒的現場作業需求。