一种适用于海洋风电桩的除锈喷漆爬壁机器人

摘. . 要：本文针对海上风电桩的传统人工作业危险程度大和工作效率低的问题，提出了一种履带式永磁吸附攀爬机器人的设计方案，代替人力从事海上风电桩日常巡检、除锈清洁、喷漆防腐等工作。

关键词：海洋风电桩；除锈喷漆；爬壁机器人。

0 引言

我国海岸线绵长，领海面积广大，近海风能资源丰富，我国是全球第四大海上风电国，占全球海上风电市场份额的 8.4%。海上风电与陆地上的风电系统不同，海上风电场处于严酷的海洋大气环境，不仅存在着高盐雾、高湿度环境条件下的腐蚀问题，还会存在物理性的撞击损伤，如船舶靠泊、浮冰和漂浮物的撞击等。因此，海上风力发电组从基础结构到塔筒、叶轮等部件，这些都要面临海洋大气的腐蚀环境的严酷考验。设备的防腐蚀是海上风电必须考虑的突出问题，是海上风电场建设和发展的最重要环节之一。

如今，海上风电系统防腐蚀技术并不成熟，一般 3 ～ 5 年时间后风电设备的腐蚀就十分严重，需要人工定期监测并根据监测情况进行维护保养。目前，海上风电设备维护保养工作大部分由人工完成，它是海上作业的高危工作之一。高空作业存在劳动强度大、安全系数低、施工周期长、维护费用高等问题。同时，由于刷漆复杂的施工工艺流程，需要工人反复上下移动于风塔进行施工，且除锈后如果不及时对风塔壁面进行有效处理，二次返锈问题严重，极大地影响后续对风塔壁面进行喷漆防锈处理工艺。因此，进行一次维护保养工作周期长，导致工作效率较低。另外， 在刷漆过程中工人还会与油漆近距离接触，而油漆具有一定毒性，一定程度上会对工人的身体健康产生较大的影响，人工检修的方式容易出现漏检的情况，一些锈蚀的地方得不到完全检修，存在后续隐患。

1 原理设计

1.1 整体结构设计

一种适用于海洋风电桩的除锈喷漆爬壁机器人主要包括：机器人本体、链传动的永磁吸附履带机构、除锈单元、高压喷射机构、摄像装置和安全保护装置等部分。机器人本体内装有控制系统和驱动电机，是机器人的核心，本体底盘采用铰接方式连接，底盘上下通过支撑架连接支撑保护；爬壁机器人采用行走方式为履带式，使机器人与壁面的接触面积更大，重心更低，并且每条履带上均匀分布多个吸附单元，吸附单元内镶嵌有永磁材料，保证机器人不会脱落；除锈机构安装在机器本体最前部，方便机器人进行除锈作业；在机器人尾部设有三个高压喷枪，并在喷枪周围加装防风罩，减小风力因素对喷漆作业的干扰；机器人的正前方和正后方分别设有一个高清摄像头，可对作业进行实时观察监测，方便工作员进行远程操控。

1.2 链传动的永磁吸附履带机构的设计

机器人采用双履带链传动式结构进行驱动，该机构主要包括链条、主、从动链轮、履带、永磁吸附单元以及驱动电机等部分。其中，链传动是依靠链轮轮齿与链节的啮合来传递运动和动力；永磁吸附式履带是在每条履带上均匀镶嵌多个永磁吸附单元以提供足够的吸附力，使爬壁机器人具有较高的负载能力；机器人两侧的履带由驱动电机进行带动，并可以通过两条履带的差速实现机器人的转向。由于风电外壁上存在纵向焊缝及横向塔结等障碍，壁面上存在一些凹凸不平的部分，并且海上风电桩壁面大多采用导磁性材料，机器人采用永磁吸附式履带能拥有较好的越障能力，还大大降低了能耗，且具有稳定性高、移动速度快、适应能力好等优点。

1.3 除锈单元的具体结构设计

除锈单元主要由固定支架、钢丝滚刷、滚刷连接杆、收缩杆四部分组成。固定支架固定在机器人本体上，通过安装在机架上收缩杆的杆长变化来控制连接杆末端的钢丝滚刷抬起与落下；钢丝滚刷由滚刷基体和高强度钢丝两部分构成，滚刷基体为圆筒形，与风塔外壁的接触面积更大，在钢丝中添加锰合金，使其具有较高的韧性和切削性能，钢刷滚刷高速旋转时，钢丝尖具有较大的冲击力，将锈蚀部分与风塔外壁彻底分离，留下光滑的表面，实现全方位高效除锈；除锈作业时连接杆将滚刷紧紧压到壁面上，作业完成后收缩杆收缩，使滚刷向上抬起，收缩杆的行程变化可以使钢丝滚刷获得较大的抬升高度，有利于提升机器人的越障能力；同时滚刷连接杆及收缩杆主要承受轴向力，进一步提升机器人的可靠性。

1.4 高压喷射机构的具体结构设计

机器人的高压喷射机构主要由高压喷枪、输送软管、控制系统、压缩空气系统、防风罩等部分组成。机器人尾部设有三个圆锥形高压喷枪，每个喷枪连接不同的油漆存储罐，用于满足喷漆的工艺流程。

输送软管用于将油漆存储罐中的涂料输送至高压喷枪。控制系统由集成电路组成，主要用于控制喷枪阀门的开启与关闭、控制阀门开口的大小从而控制喷出油漆量大小。机器人喷涂作业时，利用压缩空气将油漆混合钢瓶中的油漆压迫到高压喷枪输入口，喷射在被风塔外壁表面，得到均匀分布的油漆涂层。机器人喷涂的效率相较于人工进行的刷涂和辊涂方式要高得多，涂层不会出现刷痕、辊痕，且更适应于凹凸不平的部位。

防风罩安装在三个高压喷枪的周围。防风罩可以有效减小风力因素对喷漆作业的干扰，保证喷涂漆膜质量；另一方面，油漆在喷涂时会从风塔表面弹回到空气中或者被喷溢到空气中，加装防风罩能有效防止油漆四处飞溅扩散，特别是对喷出的漆雾进行废漆回收，对作业设备进行防护，使作业的机器人本体免于漆雾的附着，免于长期漆雾附着而造成的机器人污浊及维修困难，在一定程度上还能减小对海洋大气环境的污染。

2 应用前景

（1）适用于海上风电设备的日常故障巡检工作

在海面上，风力发电设备需要面临大风和海浪的冲击，经常会出现材料磨损、腐蚀等细微损坏，这些损坏会轻则导致电力故障，重则影响人身安全。使用该爬壁机器人能够科学有效的运行管理，能够更好地提升海上风电桩的安全性和稳定性，促使我国海上风电运行维护工作健康发展。

（2）适用于海上风电设备的除锈清洁、喷漆防腐工作现阶段我国风电机组装机容量增长迅猛，并且趋向于大型化方向发展，2019 年新增装机容量已达到世界第一位，预计在未来很长一段时间内都将保持高速发展的趋势。但海上风电场处于严酷的海洋大气环境，风电设备磨损和腐蚀严重，有些部分风机存在故障率高、利用率低的现象，影响用户的经济效益。因此，随着我国风电规模越来越大，海上风电设备的防腐蚀工作显得愈发重要，减轻海洋环境对的风电设备的腐蚀影响，在一定程度就能促进海上风电行业的发展。

参考文献：

［1］ 王翘楚. 我国东南沿海海上风电发展分析与展望[J].生态环境，2018.

［2］尚景宏 , 罗锐 . 海上风力发电领域——防腐蚀专业的新战场 [J].

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