机器人自动清洗与超声波相控阵无损检测在风力发电领域的应用研究

张国辉，付善喜，李若辉，窦 才，李添汇

（辽宁大唐国际新能源有限公司，辽宁沈阳 110116）

1 设备概况

自动清洗机器人和超声波相控阵无损检测装置首先通过高分辨率摄像头或无人机捕获当前风机叶片的图像信息。在获取实时图像的同时，可访问数据库，获取风机叶片的历史图像处理信息，为了更加准确地判断清洗需求。结合实时图像与历史数据，机器人会确定最适合的清洗流程，并进一步分析叶片上的污染物种类和分布。这些准备工作完成后，机器人会制订一个预设的清洗路径。为确保清洗效果，机器人会基于预设判断规则对清洗路径进行效能评估，根据评估结果进行微调，从而确定最终的清洗路径。该技术不仅提高了风机叶片的清洗效率，而且确保了清洗质量，为风电行业带来了实质性的进步。在实现清洗功能的同时，该机器人还具备高度精确的检测功能。其中，超声波相控阵检测仪的应用尤为突出。在工作过程中，该检测仪会向风机叶片发射超声波信号。当这些信号遇到叶片表面或内部的不规则结构，如污染、裂纹或其他缺陷时，信号会被反射回来。清洗机器人会捕获这些被反射的超声波信号，并进行高度精密的数据处理，从而得到超声波检测信息。通过对这些信息进行进一步的分析，结合预设的信息分析规则，可以清晰、快速地呈现出风机叶片的损伤情况。这不仅提供了对风机叶片健康状况的实时监控，也为及时维护和维修提供了准确的依据，可确保风机的高效稳定运行。其结构如图1所示。

图1 自动清洗机器人各部件结构示意

2 检测原理介绍

超声相控阵成像技术已经成为现代无损检测领域的重要手段。其核心优势在于能够实现声束的动态调控和聚焦，这主要得益于其独特的激励脉冲控制技术。在传统的超声检测方法中，声束的方向和焦点通常是固定的，这在某些情况下会导致检测盲区或效果不佳。而超声相控阵技术打破了这一限制，使得声束可以在不更换物理探头的情况下，动态地调整其方向和焦距，其原理如图2所示。

图2 超声波相控阵检测探头

相控阵探头中包含了多个小的超声换能器阵列，这些阵列可以单独或组合地进行激励。通过控制这些阵列的激励时间和序列，可以动态地改变声束的方向和焦点。以下是一些与相控阵探头相关的公式：

式中，θ为声束偏转角度，v为声速，f为工作频率，d为相邻阵列元件间的间距。

式中，N为阵元数量。

相控阵探头技术在实际应用中有着广泛的价值。例如，在风机叶片的检测中，由于叶片形态的复杂性，传统的超声检测通常难以覆盖全部的检测区域。而相控阵技术则可以通过动态调整声束，确保对叶片的每一部分都进行详尽的检查。此外，其动态聚焦的能力也极大提高了对细小缺陷的检测敏感度。

总之，超声相控阵成像技术不仅提供了更高的检测准确性和灵活性，也为各种复杂结构和材料的无损检测带来了新的可能性。

3 清洗实验对比分析

本研究围绕风机叶片的清洗与检测，提出了一套智能处理流程，确保了叶片的清洁效率与工作状态的准确监测。

（1）基于风机叶片的实时图像与历史数据，系统能自动确定清洗流程。结合这些信息，系统进一步确定剩余清洁物品信息。清洗机器人会自动制订出预设的清洗路径，再根据实时信息进行微调。这不仅提高了清洗效率，还确保了全面性与准确性。

（2）在清洗机器人中集成了超声相控阵检测系统。当系统工作时，超声相控阵检测仪会向风机叶片发出超声波信号。风机叶片会反射这些超声波信号，机器人接收并处理这些返回的超声波信息，进而得到叶片的超声波检测数据。结合预设的信息分析规则，准确地了解到风机叶片的损伤状况，确保其安全稳定运行。

为了解决叶片清洗中存在的挑战，本研究提出并实施了一种基于机器人技术的清洗方法。首先，通过采用电磁盘吸附或真空吸盘贴合技术，清洗机器人被稳定地安装在风塔的塔筒上。在机器人的位置和喷嘴角度调试阶段引入了“试射流”技术，确保喷射的清水水流能精确地达到待清洗的叶片区域。此外，机器人还配备了清洗剂储存装置，与地面的水箱相互配合，以满足风机叶片不同的清洗需求。该方法不仅提高了清洗效率，还确保了清洗过程的安全性和可靠性。

风机叶片的定期清洁对于确保风机效率至关重要。为了准确评估本研究所设计的清洗机器人的性能，在一天中的不同时刻对风机叶片进行了清洗，并通过图像处理技术对清洗前后的叶片进行了异物面积的对比，如图3所示。

图3 清洗前后异物对比

尽管由于光线差异在图片处理过程中部分阴影被误判为异物，但整体的结果表明机器人对风机叶片的清洁效果显著。尽管存在光线差异带来的误判，但平均结果仍然证明了该机器人在清洗风机叶片方面的卓越性能。这为风电领域提供了一种有效且自动化的维护方法，有望进一步提高风电场的运行效率和风机的使用寿命。

4 机器人超声波相控阵无损检测

在风电领域，除了叶片的清洁工作，风机叶片的结构完整性检测也是维护工作中的重要环节。为了实现这一功能，将清洗机器人上的清洗装置替换为超声相控阵检测系统，从而实现对风机叶片的探伤检测功能。该系统由超声波相控阵检测仪和专门的探头组成。在机器人进行探伤检测时，工作人员可以利用搭载在机器人上的超声波相控阵检测仪和探头对风机叶片，特别是其主梁内部进行细致的探伤检测。检测数据不仅可以实时反馈，还可以保存在机器人的存储系统中，为后续的数据分析和叶片的维护决策提供重要依据。这种机器人的多功能性不仅可以提高风电场的运营效率，还可以为风机叶片的维护提供更为精确和高效的方法。

4.1 超声波相控阵检测技术优势

超声波相控阵技术是近年来较为先进的无损检测技术，其检测速度显著快于传统方法。这是因为相控阵技术利用电子方法激励探头中的阵列晶片，使其在执行线性扫查时的速度极大提升。这种技术不仅使用灵活，能够轻松控制聚焦深度、偏转角度和波束宽度，还允许一个探头实施纵伤、横伤和斜伤的检测。这意味着在实际检测中，可以根据需要灵活设置检测扫查方式，以实现对焊缝中不同方向缺陷的检测。而多晶片的快速顺序激励显著提高了检测的可靠性。超声波束的聚焦增强了检测的信噪比，许多以前难以识别的缺陷现在都可以被准确检测出。此外，丰富的数据提高了各个角度缺陷的分辨率。

4.2 叶片相控阵检测的优势

当涉及风电叶片的检测时，相控阵检测技术表现出显著的优势。与传统的超声检测相比，相控阵可以精确地检测缺陷的位置、大小、形状和类型，从而极大提高检测的可靠性。传统超声检测依赖于操作人员的技能和经验，而相控阵检测则简化了这个过程，只需设定好设备并按部就班地进行扫查。此外，相控阵检测主要使用水作为耦合剂，这意味着检测后不会有残留和污染。检测结果也更为直观，除了扫描波形，还有其他多角度的视图，使得缺陷更容易被识别和理解。同时，使用聚焦功能确保了声波在穿透被检测工件时既有足够的能量又具有高分辨率，能够真实地呈现缺陷的实际情况。

4.3 解决的问题

在风电叶片检测中，面临的主要问题是内部分层和脱粘等缺陷。这些缺陷对叶片的寿命产生重要影响。传统的PT 等表面检测手段在这里使用有限，而像RT这样的检测方法对这类缺陷的反应也不敏感。此外，由于玻璃纤维结构的穿透性较差，传统的UT 检测需要使用极低频率的探头才能穿透。加上地面的不平整性和支撑梁信号的干扰，使得传统超声检测效果不佳。超声波相控阵检测技术很好地解决了以上问题，适用于各种复杂的工作环境。

5 结束语

本研究提出了一种结合图像识别与历史数据的风机叶片清洗方法及其系统和存储介质，从而实现了对风机叶片的高效清洗。该方法不仅考虑了图像信息，还结合了历史风机叶片的图像处理信息来确定清洗流程，极大提高了清洗效率。当清洗机器人的清洗装置被替换为超声相控阵检测系统时，机器人不仅可以进行高效的清洗操作，还能实现对风机叶片的精确探伤检测，为风机叶片的维护提供了一个全面的解决方案，确保风电领域设备的安全与持续运行。