油脂类罐体壁清刮机器人的力学仿真分析*

韩海敏

(河南应用技术职业学院，河南 郑州 450042)

0 引言

油罐是应用最广的一种储油装置，主要储存中央或地方储备油[1]。由于油液黏度大、质量较轻、不易挥发，储存这类油液一般采用大型立式圆筒形固定顶钢板罐[2]，采用Q235-B碳素钢板焊接而成。长时间使用后油液容易粘附在油罐内壁，影响油液存储质量的同时，还容易造成油罐内壁腐蚀受损，因此需要定期对油罐内壁进行清洗[3]。为便于油罐内壁的清洗，常采用机器人进行作业[4，5]。

经调研，为了保证机器人的稳定性，常将永磁铁设置在行走轮足或者行走履带上，然而很难实现磁吸附力大小与灵活移动之间的调节，难以做到轻量化设计。为此，提出了一种在油脂类储罐作业的爬壁机器人，通过建立机器人力学模型对其进行分析，并对机器人磁吸附装置的吸附力进行验证。

1 爬壁机器人的总体设计

1.1 设计要求

爬壁机器人设计要求如表1所示[6]。

表1 爬壁机器人设计要求

1.2 总体结构设计

结合总体方案的设计要求，设计出了油脂类罐体壁爬壁机器人的整体结构，其三维模型如图1所示。该机器人主要由行走装置、吸附装置、清刮装置三部分组成。在以上装置有机结合下，完成油脂类罐体壁的清洗任务。其中，行走装置中，行走轮与行走电机连接，且行走轮与辅助万向轮呈方形分布，如图2所示。承载板表面设置有升降组件，其升降端伸入承载板下方且连接有吸附装置，升降组件带动吸附装置，实现与油罐内壁之间的距离调节，从而实现吸附力大小的调节。

1-承载箱；2-调高电机；3-调高丝杠；4-导向柱；5-调高板；6-固定架；7-转轴；8-锁紧螺母；9-蜗轮；10-承载柱；11-弹性伸缩杆；12-刮板；13-辅助万向轮；14-蜗杆；15-行走轮；16-行走电机；17-门型架

使用时，通过变磁力吸附装置将机器人吸附在油罐内壁，通过调高组件带动承载柱下降，使刮板与油罐内壁相接触，利用弹性伸缩杆的弹力推动刮板，使刮板始终与油罐内壁充分接触。该装置整体结构简单，大大降低了装置的重量和成本。进行油罐内壁清洁时，行走轮的轴线与油罐的轴线平行，行走电机驱动行走轮旋转，从而使装置整体沿油罐内壁做圆周移动，刮板随着装置移动对油罐内壁进行清刮，圆周清刮完成后需要改变行走路线，承载箱内部的转向电机带动门型架旋转，使行走轮的轴线与油罐的轴线相垂直，行走电机驱动行走轮旋转，使装置整体沿着油罐的轴向移动，移动完成后转向电机带动门型架恢复原状态，重复对油罐内壁进行圆周清刮。在清扫路线的调整过程中，装置沿油罐轴线直线运动，不会造成清扫遗漏，使用效果好。

13-辅助万向轮；15-行走轮；16-行走电机；17-门型架；18-吸附装置；19-转向电机；20-升降组件

2 爬壁机器人安全吸附力学分析

通过查阅资料，爬壁机器人在立式罐体壁面上工作时，主要出现了机器人沿竖直壁面下滑及倾覆脱落两种失稳形式[7]，为确定机器人的临界吸附力，需要对以上两种情况进行受力分析，如图3所示。

图3 机器人沿壁面受力分析

由于所研究的油脂类罐体较大，为方便研究，将罐壁面假设为平直面[8]。机器人在壁面上运动时，安全系数K取1.7，机器人总重量(自重及载荷)G为45 kg,机器人质心到壁面之间的距离H为110 mm, 左右两轮距离L为490 mm,罐体因使用时间较长壁面会残留一定的油污，根据参考文献[9]，橡胶车轮与钢板接触的摩擦因数μ为0.5～0.8。

2.1 沿壁面下滑

爬壁机器人各轮的支持力大于0；辅助万向轮和壁面之间为滚动摩擦，摩擦力可以忽略。为防止机器人沿壁面下滑，需要以下约束条件：

(1)

(2)

(3)

其中：Ffi为罐体壁对第i个行走轮的静摩擦力,i=1，2；Ni为机器人第i个行走轮所受到支持力；Fp为磁吸附装置的磁吸附力。由此得到：

Fp≥G/μ.

(4)

2.2 倾覆脱落

为防止机器人出现倾覆脱落的情况，在机器人正中央下方取点A，对点A列出力矩方程，得：

(5)

联立式(3)、式(5)得：

Fp≥2HG/L.

(6)

2.3 机器人的安全吸附力

通过以上分析，要使机器人不会沿壁面下滑和倾覆脱落，还要考虑到安全系数。经分析比较，易发现式(6)的值小于式(4)的，故爬壁机器人所需的最小吸附力[Fp]为：

[Fp]≥K·max(G/μ).

(7)

将机器人各项参数代入式(7)中，当摩擦因数取0.5时，机器人磁吸附机构所需要的临界吸附力最大，至少为1 530 N。

3 磁吸附装置磁路设计及仿真分析

吸附装置为板式磁铁，根据结构设计要求，其安装空间约为200 mm×200 mm，磁路结构选用的是磁能利用率较高的乙型磁路[10，11]。吸附单元之间按照一定的方式组合而成[12]，所选磁块尺寸为：27 mm×35 mm,27 mm×70 mm，54 mm×35 mm,54 mm×70 mm。永磁体充磁方向如图4所示。

图4 永磁体充磁方向图

在Ansoft软件中，建立吸附装置的三维模型并采用自加密网格划分，得到其有限元模型，如图5所示。

图5 吸附装置三维模型及网格划分

对不同磁吸附力情况下的磁场状况进行有效的仿真分析。图6为仿真中工作距离设定为 7 mm和10 mm这两种情况下的磁通密度分布比较。

使用Ansoft软件对磁吸附装置在不同工作距离下进行磁场仿真，得到磁吸附力与工作距离之间的关系如图7所示。由图6和图7可知，随着吸附装置与壁面之间距离的不断增大，磁场逐渐减弱，磁吸附力也逐渐减小。当吸附装置离罐壁面的距离取为8 mm时，其磁场仿真的磁吸附力大小与理论计算临界吸附力大小基本吻合，满足正常工况的要求。

图6 工作距离为7 mm和10 mm时的磁通密度分布图

图7 磁吸附力与工作距离之间的关系

4 结束语

在满足结构安全可靠、轻量化及成本低的原则下，设计出了爬壁机器人的整体机械结构。建立了机器人不沿壁面下滑及倾覆脱落两种情况下的力学模型，得到了爬壁机器人在壁面运行时的安全吸附力。对磁吸附装置的磁路进行设计，并利用Ansoft有限元软件对磁吸附装置三维模型进行仿真，比较了不同壁面距离下磁通密度的分布情况，得出了吸附力与工作距离之间的关系，结果表明仿真结果与理论计算临界吸附力大小基本吻合，满足正常工况的要求。