崔家平,李贏正 ，楊 潔，吳若虞，肖東碩，馬鐵強(qiáng)

(1.沈陽工業(yè)大學(xué) 電氣工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870；2.沈陽工業(yè)大學(xué) 新能源研究院，遼寧 沈陽 110870；3.沈陽工業(yè)大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，遼寧 沈陽 110870)

0 前言

隨著清潔能源的迅速發(fā)展，風(fēng)力發(fā)電在我國所有發(fā)電方式中占比越來越大，截止2016年，中國風(fēng)電機(jī)組總裝機(jī)容量已達(dá)到1.69億千瓦，風(fēng)力發(fā)電已成為我國第三大類型電源。預(yù)計(jì)到2020年底，風(fēng)電機(jī)組累計(jì)并網(wǎng)裝機(jī)容量將達(dá)到2.1億千瓦以上。而隨著近年來我國裝機(jī)規(guī)模不斷擴(kuò)大，風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的檢測維修問題也愈顯突出。

關(guān)于維修成本方面，根據(jù)歐洲風(fēng)能協(xié)會的統(tǒng)計(jì)，陸地風(fēng)電機(jī)組每千瓦時發(fā)電量的運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用占總生產(chǎn)成本的20%～25%，對于海上風(fēng)電場，其運(yùn)行維護(hù)費(fèi)用高達(dá)35%；關(guān)于運(yùn)行安全方面，長期工作在野外的暴曬和雷雨等惡劣環(huán)境中的風(fēng)電機(jī)組，其連接件損壞率高達(dá)40%～50%，一旦其關(guān)鍵連接件發(fā)生扭斷，會使設(shè)備損壞、機(jī)組停機(jī)，嚴(yán)重者造成機(jī)組崩塌，帶來巨大的經(jīng)濟(jì)損失。由此可知風(fēng)電機(jī)組設(shè)備的檢測與維修是一個亟待優(yōu)化的問題。

近年，在風(fēng)電機(jī)組連接件的檢測維修理論發(fā)展中，重慶大學(xué)[1]用法蘭連接有限元模擬方法對輪轂主軸法蘭連接螺栓進(jìn)行建模分析，得到了各工況下螺栓的應(yīng)力結(jié)果，并對比分析了螺栓組的危險截面應(yīng)力，對危險螺栓處的法蘭連接進(jìn)行了安全校核；許昌許繼風(fēng)電科技有限公司[2]針對MW級風(fēng)機(jī)變槳軸承連接螺栓的強(qiáng)度問題,采用周期性建模的方式建立了螺栓的有限元分析模型,并基于GL規(guī)范計(jì)算了螺栓的極限強(qiáng)度及疲勞強(qiáng)度；太原理工大學(xué)[3]基于Schmidtand-Neuper非線性理論,分析了法蘭螺栓連接系統(tǒng)的受載關(guān)系,并推導(dǎo)了在葉根法蘭中心彎矩作用下的螺栓工作應(yīng)力和法蘭中心彎矩之間的關(guān)系。以上研究對風(fēng)電機(jī)組連接件的檢修理論分析做出多項(xiàng)貢獻(xiàn)。

然而，在具體風(fēng)電機(jī)組連接件檢修方法中，仍舊依靠工人攀爬風(fēng)機(jī)定檢維修連接件。在此過程中存在許多問題，首先由于人力檢修存在不準(zhǔn)確性，操作中可能產(chǎn)生疏忽和錯漏，二是人力維修耗時長、效率低，三是因?yàn)轱L(fēng)電機(jī)組過高，工人檢修具有較大風(fēng)險與困難。人力檢修的弊端問題至今還未得到有效解決。

本文介紹一款自主研發(fā)的風(fēng)電機(jī)組塔筒螺栓檢修機(jī)器人，以期其能應(yīng)用在風(fēng)電機(jī)組塔筒連接螺栓的維修領(lǐng)域，減少人力檢修帶來的不便因素。

1 機(jī)器人方案設(shè)計(jì)

本文介紹的機(jī)器人主體由上下近似對稱的兩部分組成，每一部分由三塊功能各異的矩形板構(gòu)成。為了實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在塔筒內(nèi)壁法蘭處固定，根據(jù)三點(diǎn)固定原理設(shè)計(jì)了W型加緊結(jié)構(gòu)，該結(jié)構(gòu)在此范圍弧度內(nèi)可實(shí)現(xiàn)無障礙運(yùn)動，并設(shè)計(jì)了滑塊與圓弧齒條相結(jié)合的前進(jìn)(交替移動)機(jī)構(gòu)；為了實(shí)現(xiàn)力矩扳手在矩形板上適時升降，根據(jù)升降機(jī)原理，設(shè)計(jì)了夾持(固定扳手)機(jī)構(gòu)；為了適應(yīng)在不同曲率的工況，根據(jù)曲柄滑塊機(jī)構(gòu)工作原理，設(shè)計(jì)了機(jī)器人的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)，機(jī)械功能如圖1所示。

圖1 機(jī)器人各部分機(jī)械功能

2 機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 固定(夾緊)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

在風(fēng)電機(jī)組塔筒中，由于可供固定的支撐只有塔筒壁、法蘭和塔筒螺栓，可用支撐點(diǎn)較少且形狀不規(guī)則，利用三點(diǎn)固定原理，借助塔筒壁和塔筒法蘭兩個支撐，設(shè)計(jì)出了W型夾緊結(jié)構(gòu)。其中W型的左臂和右臂為彈簧滑桿加滾輪結(jié)構(gòu)，此結(jié)構(gòu)可保證在夾緊狀態(tài)時滾輪時刻與塔筒壁接觸且彈簧處于被壓縮狀態(tài)，即左臂和右臂與塔筒壁在夾緊狀態(tài)時與塔筒壁有較大的力的作用。W型的中心處在夾緊狀態(tài)時與塔筒螺栓處接觸。在夾緊狀態(tài)時，螺栓對W型中心處的力的方向與塔筒壁對左右臂滾輪的力大小相等，方向相反，則夾緊機(jī)構(gòu)將機(jī)器人固定在法蘭上。

如圖2a所示，L形直角臂和滑動直桿組成了W型夾緊結(jié)構(gòu)。圖2b為夾緊狀態(tài)，圖2c為松開狀態(tài)。當(dāng)處于夾緊狀態(tài)時，滾輪與塔筒壁接觸，兩個L形直角臂交匯處與塔筒螺栓接觸，以此達(dá)到固定的作用。背景為風(fēng)電機(jī)組的塔筒壁及其與之相連接的法蘭。

在此結(jié)構(gòu)中提供動力的是12電機(jī)，其通過帶有棘輪機(jī)構(gòu)的齒輪將動力傳遞到齒條上，齒條前后運(yùn)動控制W型開口張角的大小，使得1滾輪接觸塔筒壁或離開塔筒。的作用是當(dāng)L形直角臂處于夾緊狀態(tài)時卡住，以便電機(jī)通過棘輪機(jī)構(gòu)向其他機(jī)構(gòu)輸送動力而固定機(jī)構(gòu)仍處于夾緊狀態(tài)。

圖2 夾緊機(jī)構(gòu)

2.2 前進(jìn)(交替移動)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于絕大部分風(fēng)電機(jī)組塔筒內(nèi)部為圓形，為了使得機(jī)器人能在圓周環(huán)境中進(jìn)行工作，根據(jù)過山車可以在一定范圍內(nèi)的弧度上無障礙運(yùn)動以及過山車與軌道的固定方式，設(shè)計(jì)了本機(jī)器人的前進(jìn)機(jī)構(gòu)。本機(jī)器人的滑塊相當(dāng)于過山車的本體，圓弧齒條相當(dāng)于過山車的軌道，限位滑輪相當(dāng)于過山車的車輪，由此可使滑塊與圓弧齒條做沿圓弧齒條的相對運(yùn)動且不發(fā)生其它方向的無關(guān)運(yùn)動。

如圖3所示，前進(jìn)機(jī)構(gòu)由五個零部件組成。其中滑塊主體與機(jī)器人上半部分結(jié)構(gòu)相固定，圓弧齒條與機(jī)器人下半部分固定?；瑝K主體與滑輪共同構(gòu)成了完整的一個滑塊，其中滑輪包括上下限位滑輪和左右限位滑輪。電機(jī)通過電機(jī)支架與滑塊主體連接，電機(jī)軸端配合一個齒輪，齒輪與圓弧齒條相嚙合，該齒輪不但可以傳遞轉(zhuǎn)矩使機(jī)器人上下兩部分交替移動，同時還起到了左右限位的作用。

假使機(jī)器人下半部分固定在塔筒法蘭處，上半部分保持松開的狀態(tài)，此時電機(jī)轉(zhuǎn)動，則機(jī)器人上半部分將會相對下半部分發(fā)生相對前移，反之，下半部分將會發(fā)生前移。上下交替前移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人周向運(yùn)動。

圖3 前進(jìn)機(jī)構(gòu)

2.3 夾持(固定扳手)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于現(xiàn)在市場上已經(jīng)有較為成熟的力矩扳手，所以只設(shè)計(jì)了可以搭載力矩扳手的夾持機(jī)構(gòu)，并且根據(jù)升降機(jī)的原理，設(shè)計(jì)出了可以升降力矩扳手的夾持機(jī)構(gòu)，以便于力矩扳手可以在適時的場合進(jìn)行升降。在力矩扳手運(yùn)行到螺栓正上方時，電動推桿收縮將扳手準(zhǔn)確套在螺母上，緊固作業(yè)完成后，電動推桿升高，將力矩扳手抬起，進(jìn)行下一步作業(yè)。

如圖4所示，夾持機(jī)構(gòu)由電動推桿和夾具兩個零部件組成，電動推桿為提供升力的動力來源，夾具的作用為夾持力矩扳手，當(dāng)把力矩扳手放置好以后，上緊夾具的螺栓。當(dāng)?shù)竭_(dá)塔筒螺栓上方位置時，電動推桿將夾具連帶力矩扳手一起放置到螺母上，進(jìn)行檢修作業(yè)。

圖4 夾持機(jī)構(gòu)

2.4 自適應(yīng)(適應(yīng)不同曲率塔筒)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

由于不同容量的風(fēng)電機(jī)組的塔筒直徑不同，且同一塔筒的直徑也是按照一定比例進(jìn)行變化的，所以為了適應(yīng)不同曲率的塔筒，根據(jù)三點(diǎn)固定原理原理設(shè)計(jì)了本機(jī)器人的自適應(yīng)機(jī)構(gòu)。機(jī)器人上半部分(下半部分)由三塊主板構(gòu)成，其中兩側(cè)主板分別與中間主板相連且主板兩側(cè)邊形成一定角度，角度不同，則適應(yīng)的曲率也不同，而自適應(yīng)機(jī)構(gòu)則是用來調(diào)節(jié)這兩側(cè)邊的角度且將這一角度固定在某一值保持不變。

如圖5所示，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)由曲柄和滑塊兩個零部件組成，曲柄和滑塊共同組成了曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中曲柄與中間的矩形板相連接，滑塊與兩側(cè)的矩形板相連接。當(dāng)曲柄與滑塊的相對位置發(fā)生變化時，兩塊矩形板間的角度便也隨之發(fā)生變化，以達(dá)到機(jī)器人適應(yīng)不同曲率下的風(fēng)電機(jī)組塔筒。

圖5 自適應(yīng)機(jī)構(gòu)

2.5 整體結(jié)構(gòu)概述及其運(yùn)動學(xué)分析

如圖6所示，機(jī)器人由四個固定(夾緊)機(jī)構(gòu)，一個前進(jìn)(交替移動)機(jī)構(gòu)，一個夾持(固定力矩扳手)機(jī)構(gòu)和四個自適應(yīng)機(jī)構(gòu)組成。

圖2a中的電機(jī)提供四個夾緊機(jī)構(gòu)的動力。電機(jī)在正轉(zhuǎn)時給機(jī)器人左上半部分提供動力并通過大齒輪傳遞動力至右上部分(即機(jī)器人上半部分都接受到了動力)。當(dāng)W型夾緊機(jī)構(gòu)到達(dá)規(guī)定區(qū)域內(nèi)，電動推桿起作用將其卡住，這時，電機(jī)便可以進(jìn)行反轉(zhuǎn)。反轉(zhuǎn)時，則通過圖3中的萬向節(jié)聯(lián)軸器給機(jī)器人下半部分提供動力，達(dá)到的效果與正轉(zhuǎn)時相同。

其次，自適應(yīng)機(jī)構(gòu)與固定在各個主板上的大齒輪能同時作用互不影響，由圖6a可知，大齒輪的分度圓在各個主板連接處相切，一定角度范圍內(nèi)，兩側(cè)矩形板可以和中間矩形板調(diào)整其間的夾角以適應(yīng)不同曲率的塔筒內(nèi)壁。

如圖3所示，換向機(jī)構(gòu)通過滑塊與機(jī)器人上半部分連接，圓弧齒條與機(jī)器人下半部分連接，固定在滑塊上的主動輪提供轉(zhuǎn)矩，使機(jī)器人上下兩部分的交替前移，實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在塔筒法蘭上周向運(yùn)動。

通過以上四個機(jī)構(gòu)之間的相互配合可實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在塔筒法蘭上對螺栓自動檢修的功能。

圖6 風(fēng)電機(jī)組塔筒連接螺栓檢修機(jī)器人

3 總結(jié)

本文介紹一款自主設(shè)計(jì)沿塔筒法蘭周向運(yùn)動檢測并自動擰緊螺栓的機(jī)器人，用以檢修塔筒連接螺栓。該方法不同于人力檢修，采用全自動化機(jī)器人，自主沿法蘭周向運(yùn)動，定位螺栓，固定機(jī)體并通過電動力矩扳手檢測螺栓的擰緊程度，對其進(jìn)行擰緊。避免人為操作的高危險性，不準(zhǔn)確性，降低勞動力成本，提高了作業(yè)效率，作業(yè)精度和檢測維修的自動化程度。

在國內(nèi)還沒有將機(jī)器人運(yùn)用于風(fēng)電機(jī)組檢測維修領(lǐng)域的實(shí)例，本文對促進(jìn)國內(nèi)風(fēng)電機(jī)組檢修過程的自動化發(fā)展具有一定的參考價值。

[1] 高培昱. 風(fēng)力發(fā)電變槳連接螺栓故障診斷和可靠性分析[D].太原理工大學(xué),2017.

[2] 董姝言,楊揚(yáng),齊濤,蘇鳳宇,晁貫良,何海 建.基于周期對稱模型的MW級風(fēng)電機(jī)組變槳軸承連接螺栓強(qiáng)度計(jì)算[J].機(jī)電工程,2017,34(04):357-360.

[3] 龔國偉. 風(fēng)電機(jī)組法蘭螺栓連接建模與仿真技術(shù)研究[D].重慶大學(xué),2014.

[4] Jeon M, Kim B G, Hong D. Maintenance robot for wind power blade cleaning[J]. Gerontechnology, 2012, 11(02).

[5] 王忠鋒,余泉.風(fēng)電機(jī)組高強(qiáng)螺栓試驗(yàn)與安裝技術(shù)總結(jié)[J].風(fēng)能,2018(01):78-82.

[6] 高培昱. 風(fēng)力發(fā)電變槳連接螺栓故障診斷和可靠性分析[D].太原：太原理工大學(xué),2017.

[7] 朱少輝.風(fēng)電機(jī)組塔筒設(shè)計(jì)和優(yōu)化[J].機(jī)械工程與自動化,2016(06):115-117.

[8] 周舟,楊理誠,梁勇,等.大型風(fēng)力機(jī)基礎(chǔ)法蘭高強(qiáng)度螺栓斷裂失效分析[J].太陽能學(xué)報,2016,37(09):2230-2235.

[9] 龐淵.風(fēng)電機(jī)組典型事故及預(yù)防措施分析[J].中國高新技術(shù)企業(yè),2015(29):123-125.

[10] 王娜,高文英,陳璐.兆瓦級風(fēng)電機(jī)組塔筒法蘭螺栓連接強(qiáng)度計(jì)算實(shí)例[J].科技展望,2015,25(12):91.

[11] 李曉松. 大型風(fēng)力發(fā)電機(jī)組塔筒載荷特性分析[D].沈陽：沈陽工業(yè)大學(xué),2015.

[12] 王淼,徐占,姚亮,等.風(fēng)電機(jī)組塔架高強(qiáng)度螺栓的質(zhì)量控制研究[J].風(fēng)能,2014(01):104-107.

[13] 史文超. 風(fēng)電機(jī)組塔架高強(qiáng)螺栓應(yīng)用中存在問題的分析[A].中國農(nóng)機(jī)工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會《風(fēng)能產(chǎn)業(yè)》(2013年第9期)[C].,2013(09).

[14] 時代儒. 分析風(fēng)電機(jī)組整機(jī)倒塌與安裝因果關(guān)系[A].中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會風(fēng)能設(shè)備分會2012年度論文集(上)[C].:中國農(nóng)業(yè)機(jī)械工業(yè)協(xié)會風(fēng)力機(jī)械分會,2012(03).

[15] 牛興海. 風(fēng)電機(jī)組中關(guān)鍵零部件的疲勞分析及應(yīng)用[D].重慶：重慶大學(xué),2012.