基于人工智能技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片清洗檢查機(jī)器人的應(yīng)用

【摘要】針對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組清洗和檢查工作的日益增多，為避免工人高危作業(yè)，設(shè)計出了一種新型基于人工智能技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片清洗檢查機(jī)器人。本文詳細(xì)分析了該機(jī)器人的方案確定，如何解決目前檢測和維護(hù)的痛點，以及對風(fēng)力發(fā)電機(jī)組進(jìn)行檢測和維護(hù)工作的實際意義;提出了該機(jī)器人的設(shè)計技術(shù)指標(biāo)和技術(shù)路線，并對機(jī)器人的基本功能方案做了重點分析，確定出了機(jī)器人的機(jī)械本體結(jié)構(gòu)。對推動智能技術(shù)與電力工業(yè)的深度融合，以及推廣風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片清洗檢查智能機(jī)器人的切實可行的應(yīng)用，起到了積極作用?！娟P(guān)鍵詞】風(fēng)電葉片爬壁機(jī)器人清洗檢查引言風(fēng)電已成為我國僅次于水電的第二大清潔可再生能源。風(fēng)機(jī)葉片在運(yùn)行中受風(fēng)蝕環(huán)境影響大，表面保護(hù)層容易損壞，繼而產(chǎn)生集塵、結(jié)垢，嚴(yán)重影響發(fā)電效率。葉片高空運(yùn)轉(zhuǎn)，雷電、冰雹、雨雪、沙塵、颶風(fēng)等造成危害更為嚴(yán)重。未及時發(fā)現(xiàn)的裂紋擴(kuò)展到玻纖層內(nèi)部，將造成重大損失。許多風(fēng)電場的葉片經(jīng)常處于帶病工作狀態(tài)，存在安全隱患。近年因風(fēng)機(jī)葉片損傷造成嚴(yán)重風(fēng)機(jī)事故，甚至傷亡事故頻發(fā)。葉片的清洗和檢查是必須直面的問題。目前國內(nèi)外葉片的常規(guī)清洗和檢查方式是：“蜘蛛人”和搭建可升降作業(yè)平臺兩種方式?！爸┲肴恕睓z查、清洗效率低，且存在很大的安全隱患。搭建升降平臺準(zhǔn)備和撤離時間長，需人工高空作業(yè)，安全性不高。作為簡單巡檢，常用方式還有望遠(yuǎn)鏡和無人機(jī)兩種。望遠(yuǎn)鏡和無人機(jī)檢查效果差、效率低。無人機(jī)作業(yè)容易受風(fēng)電場電磁力影響，用于葉片近距離周身檢查軌跡控制復(fù)雜易存在撞擊風(fēng)險，只能發(fā)現(xiàn)表明缺陷，并且無清洗功能。歐洲公司提供直升機(jī)清洗風(fēng)機(jī)葉片服務(wù)，費(fèi)用高。另外也有一些其它研究實驗，效果不是很好，并未得到推廣應(yīng)用。當(dāng)今人工智能技術(shù)高速發(fā)展，傳感、視覺和控制系統(tǒng)不斷進(jìn)步，機(jī)械結(jié)構(gòu)可靠穩(wěn)定，針對目前風(fēng)機(jī)葉片清洗和檢查痛點，有條件研發(fā)基于人工智能技術(shù)的風(fēng)力發(fā)電機(jī)組葉片清洗檢查機(jī)器人。1、機(jī)器人機(jī)械方案布置1.1機(jī)器人本體形式選擇風(fēng)電機(jī)組由主機(jī)、葉輪、塔筒等組成。葉片懸掛在主機(jī)輪轂上，葉片造型奇特且表面為膠體和油漆保護(hù)層材質(zhì)，很難滿足機(jī)器人附著和攀爬作業(yè)。因此考慮通過塔筒爬壁機(jī)器人清洗和檢查葉片。爬壁機(jī)器人常用吸附方式的優(yōu)缺點比較(1)見表一。表一：常用吸附方式的優(yōu)缺點比較塔筒為鋼制圓柱或圓錐筒狀結(jié)構(gòu)，有足夠的強(qiáng)度和剛度，適合機(jī)器人吸附攀爬?？紤]到技術(shù)成熟度和效率等方面的影響，機(jī)器人采用永磁吸附方式。永磁吸附爬壁機(jī)器人有履帶式和輪式兩種。履帶式優(yōu)點是吸附力大，可靠性高，直線度好，但無法實現(xiàn)轉(zhuǎn)向功能。輪式結(jié)構(gòu)簡單，運(yùn)動靈活。通過各種機(jī)器人的比較情況，四驅(qū)輪式永磁吸附爬壁機(jī)器人由于自身的吸附較為穩(wěn)定、運(yùn)動靈活等特點，更加適宜于風(fēng)機(jī)塔筒爬壁機(jī)器人的設(shè)計要求，針對穩(wěn)定性的問題，可在后續(xù)設(shè)計中進(jìn)行優(yōu)化。1.2永磁吸附磁力設(shè)計風(fēng)電機(jī)組低段塔筒與頂段塔筒直徑不同，呈圓臺形狀。如果磁鋼固定在小車上，低段塔筒與頂段塔筒處磁隙相差很大。同時要考慮通過塔筒焊縫時，磁隙過小會擱淺。磁隙大，吸附力設(shè)計不足，無法適應(yīng)圓臺結(jié)構(gòu)，也無法保證整機(jī)安全性；磁隙小，吸附力設(shè)計過大，會引起鋼結(jié)構(gòu)變形，增加負(fù)載，增大設(shè)備重量，也需要更多的驅(qū)動力。因此，吸附力和磁隙的設(shè)計要充分考慮各種因素影響。通過計算和實驗，需要選用超強(qiáng)吸附力的定制磁鋼。定制磁鋼在制作時應(yīng)經(jīng)過嚴(yán)格工藝以保證性能：精選原料，熔煉制粉成型，燒結(jié)與時效，精密充磁，嚴(yán)格測試，精加工，表面鍍鎳處理，成品檢驗。另需注意，由于磁力超強(qiáng)，應(yīng)額外注意安全。要提前設(shè)計可靠的裝配工藝，并設(shè)計專用卸磁工具。1.3移動輪式小車設(shè)計機(jī)器人設(shè)備不僅需要上下行走，完成葉片清洗和檢查所需；還需要環(huán)繞塔筒周向移動，避免機(jī)器人系統(tǒng)作業(yè)裝置與葉片干涉。圓臺曲面并不方便轉(zhuǎn)向，并且一旦轉(zhuǎn)向，磁隙也無法滿足使用要求。因此考慮采用四驅(qū)麥克納姆輪形式，可實現(xiàn)原地轉(zhuǎn)向以及原地向各個方向運(yùn)行。機(jī)器人行走機(jī)構(gòu)能自適應(yīng)在圓臺曲面上實現(xiàn)全方位移動。為滿足懸臂覆蓋葉片曲面，考慮了長懸臂作業(yè)裝置平臺，因此，機(jī)器人系統(tǒng)外形需足夠大，才能可靠穩(wěn)定的吸附塔筒并實施作業(yè)。組合小車可承載更大載荷，確保懸臂正常工作。組合小車設(shè)計可將多組小車快速拼裝，拆卸后也便于轉(zhuǎn)移運(yùn)輸。1.4俯仰作業(yè)臂設(shè)計以2MW風(fēng)電機(jī)組XE105系列為例，低段塔筒直徑φ4400mm，頂段塔筒直徑φ2686mm，塔筒高度約80m，葉輪中心與塔筒中心距離4740.6mm，葉片長度48m，葉根直徑2.2m，葉片最大弦長3.5m，機(jī)艙主軸仰角5°。由于葉片尺寸較大，距離塔筒也有一定距離(約7m)，且葉片位于垂直檢修位置時不同高度橫向尺寸存在很大變化，這要求爬壁機(jī)器人作業(yè)時水平和垂直可作業(yè)范圍較大。作業(yè)臂采用輕質(zhì)高強(qiáng)度材料。為便于安裝和運(yùn)輸，作業(yè)臂采用可拆卸結(jié)構(gòu)。同時根據(jù)清洗及檢查不同需求作業(yè)臂前端可搭載不同結(jié)構(gòu)或設(shè)備。此外，作業(yè)臂可通過卷揚(yáng)裝置調(diào)整作業(yè)角度，覆蓋葉片各區(qū)域。1.5關(guān)節(jié)機(jī)器人設(shè)計為保證機(jī)器人執(zhí)行機(jī)構(gòu)能夠適應(yīng)并抵近葉片表面，機(jī)器人需要具備橫向移動調(diào)整姿態(tài)的功能，以實現(xiàn)對葉片的粗略定位。機(jī)械臂機(jī)器人搭載于懸臂前端。此機(jī)器人為可快速拆卸結(jié)構(gòu)，當(dāng)需要葉片清洗時，將關(guān)節(jié)臂拆卸更換為清洗裝置，以減少清洗時機(jī)器人負(fù)荷。同時搭載關(guān)節(jié)機(jī)器人是為了實現(xiàn)更精準(zhǔn)的、更柔性的定位，既要保證其前端搭載的超聲掃查裝置與葉片表面良好接觸，又不能用力過大過猛，以避免造成葉片損傷。綜合以上，減輕設(shè)備重量，增大安全可靠性，優(yōu)化結(jié)構(gòu)受力，采用組合小車布置，裝備俯仰懸臂和安全繩，并在固定臂前裝有水平作業(yè)臂，以實現(xiàn)風(fēng)機(jī)葉片的近距離高效清洗和檢測。機(jī)器人布置方案詳見圖1。圖1.機(jī)器人布置方案2、相控陣超聲檢測裝置的研制對于葉片檢測，既要保證檢測探頭與葉片高效接觸，又不能對葉片表面造成任何損傷。同時還要滿足葉片材料檢測需要，以及高空搭載的便捷性。因此需研發(fā)全新的可供機(jī)器人攜帶的超聲波檢測儀器。風(fēng)電葉片的故障源頭包括：原材料問題，制造或者工藝缺陷，設(shè)計因素。主要故障種類包括：開裂和結(jié)構(gòu)脫落。葉片殼體，多為GFRM（玻璃纖維增強(qiáng)材料）或CFRM（碳纖維增強(qiáng)材料）。粘接劑，多為環(huán)氧樹脂。粘接不良和開裂是影響在役葉片安全性能的最大內(nèi)在缺陷。兩個必查界面：葉片殼體和粘合劑之間；粘合劑和腹板之間。風(fēng)電機(jī)組葉片運(yùn)轉(zhuǎn)5年左右，起到外固合保護(hù)作用的膠衣已被風(fēng)沙抽磨至最低固合力點，原始葉片粘合縫從外觀上已清晰可見，此時葉片完全依靠內(nèi)粘合來運(yùn)轉(zhuǎn)。由于原始葉片彎曲、扭曲的內(nèi)粘合受粘合面不均勻、受力點不均，風(fēng)電機(jī)組的每一次彎曲、扭曲和自振，都可能造成葉片的內(nèi)粘合縫處開裂。尤其是葉片的迎風(fēng)面葉脊處，是葉片受損最嚴(yán)重的部位，開裂率最高。如果風(fēng)場巡視未發(fā)現(xiàn)已產(chǎn)生的開裂缺陷，風(fēng)電機(jī)組繼續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，葉片折斷、摔落現(xiàn)象極有可能發(fā)生，造成嚴(yán)重事故。在攝像拍照檢查基礎(chǔ)上，研制一種合適于爬壁機(jī)器人搭載和作業(yè)的葉片檢測裝置，如超聲掃查裝置。并通過研制一款專用執(zhí)行機(jī)構(gòu)實現(xiàn)該裝置的作業(yè)控制，并將檢測結(jié)果實時傳送至地面的計算機(jī)上，實現(xiàn)在線檢測。檢測方案如下圖2。圖2.相控陣超聲檢測方案3、機(jī)器人控制及檢測機(jī)器人吸附在塔筒上，遠(yuǎn)離地面操作位。機(jī)器人應(yīng)搭載精密可靠的傳感器及監(jiān)視系統(tǒng)，設(shè)計的控制軟件應(yīng)具有很好的魯棒性及適應(yīng)性，減少人為作業(yè)失誤。因機(jī)器人處于高空作業(yè)，尤其要注意避免其從高空墜落。設(shè)計上又有諸多考慮。如安全牽引鋼絲繩以及俯仰卷揚(yáng)鋼絲繩設(shè)計均考慮8倍以上的安全系數(shù)；電控上也必須為運(yùn)行安全提供保護(hù)措施，如安全繩拉力保護(hù)，通過合理設(shè)置安全載荷門檻，保證小車運(yùn)行的同步性；如動態(tài)傾角檢測，保證左右小車水平度，通過設(shè)置傾角限值，避免傾斜載荷對整機(jī)造成影響；如臂架防撞，通過布置多點陣列式超聲雷達(dá)傳感器，避免前臂與葉片碰撞，避免葉片損傷；如執(zhí)行機(jī)構(gòu)均采用高精度伺服電機(jī)，以保證運(yùn)動機(jī)構(gòu)的控制精度；尤其是關(guān)節(jié)機(jī)器人部分，采用基于關(guān)節(jié)力矩的柔性控制，兼顧探頭