CN218892635U - 风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台 - Google Patents
风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台 Download PDFInfo
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Abstract
本实用新型涉及一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，包括轮式驱动机构、搭载平台、负压吸附机构、摄像装置和探头执行机构；轮式驱动机构包括驱动电机、第一电机支架、联轴器和驱动轮。负压吸附机构设置在搭载平台的几何形状中心；负压吸附机构包括吸附腔壳体、密封圈、轴流叶轮、无刷电机和电机连接架。摄像装置拍摄角度可控地固接在搭载平台的上端面前部，用于观察风力发电机叶片表面周围的环境。探头执行机构固接在搭载平台的前端面上，包括第二电机支架、双轴舵机、舵盘、主动曲柄、从动曲柄、探头支架、超声波检测探头、探头挡板和弹簧。
Description
技术领域
本实用新型属于无损检测装置技术领域，特别涉及一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台。
背景技术
风能是清洁能源中开发最为广泛的能源之一，因为分布广泛、可持续开发、无污染受到了世界各国的重视和开发。风力发电机是将捕捉到的风能转化为电能的装置，主要是由叶片、塔架和机舱等部件组成。其中叶片是风力发电机的关键部件，起到捕捉风能的作用，叶片约占风力发电机总成本的15％-20％。风力发电机塔身高达100米左右，叶片长度在几十米，重量达数吨，甚至十多吨，叶片材料主要采用玻璃纤维、碳纤维和环氧树脂等复合材料。风机叶片内部天然存在一些微小结构缺陷，如孔隙和裂纹等。加之运输和安装过程中可能受到损伤，使内部短裂纹继续扩展。在工作过程中，叶片受到复杂载荷作用，一部分短裂纹进一步扩展，扩展成宏观的主裂纹，这些主裂纹继续在复杂载荷的作用下最后有可能会导致叶片折断，乃至于整机倒塌，造成严重经济损失。因此，对风机叶片内部裂纹早期诊断检测非常必要。
目前，叶片损伤检测方法主要是无人机检测和人工检测。无人机检测是采用无人机搭载云台相机对叶片表面进行拍照或摄像，将采集到的数据传回地面进行分析。无人机检测虽然具有灵活性强，成本低等优点，但是只能检测叶片表面的损伤，且检测环境和条件受限。人工检测是利用起重机、吊筐和安全绳等将检测人员送到叶片表面附近，检测人员手持检测设备对叶片进行检测。人工检测虽然能够对叶片内部疲劳裂纹进行检测，但是存在着检测效率低、检测成本高，且检测人员面临极大安全风险的弊端。上述方法都存在弊端，因此需要开发一种无损检测机器人平台，代替检测人员搭载检测设备对叶片表面裂纹开展检测作业。
为了解决上述问题，如公开号为CN112693537A的风力发电机叶片无损检测足式攀爬机器人平台，采用腿足式的移动方式和真空吸盘相结合实现稳定吸附，但是腿足式的移动速度缓慢，且机械结构和控制方式复杂。又如公开号为CN112936216A的风力发电机叶片无损检测真空吸附轮式移动机器人平台利用高速旋转的叶轮在筒罩内形成负压状态，但是实际效果并不理想。针对上述技术目前存在的缺点，本实用新型提出了一种结构简单控制方便且吸附力更强的技术方案。
发明内容
针对上述技术问题，本实用新型的目的是提供一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，通过负压力和推力共同作用实现在风力发电机叶片表面上的稳定吸附和自由移动，通过探头执行机构搭载超声波检测探头，对风力发电机叶片表面内部的疲劳裂纹开展自动化无损检测作业。
为了实现上述目的，本实用新型提供了如下技术方案：
一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，包括轮式驱动机构1、搭载平台2、负压吸附机构3、摄像装置4和探头执行机构5，所述搭载平台2设有四个轮式驱动机构1。
所述轮式驱动机构1包括驱动电机10、第一电机支架11、联轴器12和驱动轮13；所述驱动电机10通过第一电机支架11固接在搭载平台2上，驱动电机10的动力输出轴通过联轴器12与驱动轮13的轮毂轴连接；
所述负压吸附机构3设置在搭载平台2的几何形状中心；负压吸附机构3包括吸附腔壳体30、密封圈31、轴流叶轮32、无刷电机33和电机连接架36。
所述吸附腔壳体30呈中空圆柱形，固接在搭载平台2上，且吸附腔壳体30的轴线过搭载平台2的几何形状中心；所述无刷电机33通过电机连接架36固接在吸附腔壳体30的顶板上，无刷电机33的轴杆35与吸附腔壳体30的轴线共线；所述轴流叶轮32通过桨夹34固接在无刷电机33的轴杆35上；所述吸附腔壳体30的底部边缘设有密封圈31，机器人平台在风力发电机叶片上移动时，密封圈31与风力发电机叶片的曲形表面完全贴合。
所述摄像装置4拍摄角度可控地固接在搭载平台2的上端面前部，用于观察风力发电机叶片表面周围的环境。
所述探头执行机构5固接在搭载平台2的前端面上；所述探头执行机构5包括第二电机支架50、双轴舵机51、舵盘520、主动曲柄521、从动曲柄522、探头支架530、超声波检测探头531、探头挡板532和弹簧533。
所述双轴舵机51通过第二电机支架50固接在搭载平台2的前端面上；双轴舵机51的左右两端的输出轴上各安装一舵盘520，每个舵盘520均与一主动曲柄521的后端固接；所述第二电机支架50的左右两端各铰接一与主动曲柄521平行的从动曲柄522；两个主动曲柄521的前端和两个从动曲柄522的前端均铰接在探头支架530上；所述探头挡板532和探头支架530相互固接，中部设有用于容纳超声波检测探头531安装口，所述超声波检测探头531的下方突出的边缘与探头挡板532和探头支架530的底面之间设有弹簧533；主动曲柄521和从动曲柄522构成了平行四边形机构，将双轴舵机51输出轴的转动转化为探头支架530始终保持垂直的上下移动。
所述联轴器12与驱动电机10的动力输出轴和驱动轮13的轮毂轴均通过紧定螺钉固定，防止联轴器12与驱动电机10的动力输出轴之间以及与驱动轮13之间发生径向和轴向移动。
所述驱动轮13的轮胎材质为硅胶。
所述轴流叶轮32与吸附腔壳体30在径向上保持有3-5mm的间距。
所述轴流叶轮32由中部的圆柱形轮毂和多个叶片组成，所述叶片自叶根至叶顶等距划分有五个叶片截面：第一叶片截面、第二叶片截面、第三叶片截面、第四叶片截面和第五叶片截面；每个叶片截面的几何重心位于同一垂直穿过轴流叶轮32的轴线水平直线上；每个叶片的曲面形状由该五个叶片截面上对应的点通过光滑的曲线连接得到。
位于叶根处的第一叶片截面与轴流叶轮32的轴线之间的距离为r1，第二叶片截面到第一叶片截面的距离为r2，第三叶片截面到第二叶片截面的距离为r3，第四叶片截面到第三叶片截面的距离为r4，第五叶片截面到第四叶片截面的距离为r5，r2＝r3＝r4＝r5。
所述第一叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β1，80度<β1<90度；第二叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β2，70度<β2<80度，第三叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β3，60度<β3<70度，第四叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β4，50度<β4<60度，第五叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β5，45度<β5<50度。
第一叶片截面的弦长为L1，第二叶片截面的弦长为L2，第三叶片截面的弦长为L3，第四叶片截面的弦长为L4，第五叶片截面的弦长为L5，其中：L1＜L2＜L3＜L4＜L5。
所述第二电机支架50与从动曲柄522的连接处以及探头支架530与主动曲柄521和从动曲柄522的连接处均设有轴用弹簧挡圈523；轴用弹簧挡圈523通过沟槽与第二电机支架50和探头支架530的轴相配合，防止主动曲柄521和从动曲柄522的轴向移动。
与现有技术相比，本实用新型的有益效果在于：
本实用新型的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，利用轴流叶轮在吸附腔壳体内高速旋转，在吸附腔壳体内产生的负压状态以及叶轮旋转产生的推力共同将攀爬机器人平台吸附在风机叶片表面上。机器人平台的驱动机构采用的硅胶轮胎不仅能够提供更大的摩擦力，而且其质地较软能够适应风力发电机叶片上的曲面。机器人平台的检测探头具有自适应表面的功能，能够紧密贴合在风力发电机叶片表面，对风力发电机叶片表面内部裂纹开展自动化的无损检测作业。机器人平台采用的轴流叶轮负压吸附方式只需要控制叶轮电机的转速就可以调节机器人平台吸附力的大小。整个机器人平台体积小、结构紧凑、操作简单、控制方便。
附图说明
图1为本实用新型的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台的结构示意图；
图2为本实用新型的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台的侧视示意图；
图3为机器人平台驱动机构1的结构示意图；
图4为机器人平台负压吸附机构3的剖面图；
图5为轴流叶轮32的结构示意图；
图6为轴流叶轮32叶片各截面半径及各个截面的翼型安装角的示意图；
图7为轴流叶轮32各个截面上弦长的示意图；
图8为机器人平台探头执行机构5的结构示意图。
其中的附图标记为：
1、轮式驱动机构 2、搭载平台
3、负压吸附机构 4、摄像装置
5、探头执行机构 10、驱动电机
11、第一电机支架 12、联轴器
13、驱动轮 30、吸附腔壳体
31、密封圈 32、轴流叶轮
33、无刷电机 34、桨夹
35、轴杆 36、电机连接架
50、第二电机支架 51、双轴舵机
520、舵盘 521、主动曲柄
522、从动曲柄 523、轴用弹簧挡圈
530、探头支架 531、超声波检测探头
532、探头挡板 533、弹簧
具体实施方式
下面结合附图和实施例对本实用新型进行进一步说明。
如图1和图2所示，一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，包括轮式驱动机构1、搭载平台2、负压吸附机构3、摄像装置4和探头执行机构5。
所述搭载平台2设有四个轮式驱动机构1。
如图3所示，所述轮式驱动机构1包括驱动电机10、第一电机支架11、联轴器12和驱动轮13。所述驱动电机10通过第一电机支架11固接在搭载平台2上，驱动电机10的动力输出轴通过联轴器12与驱动轮13的轮毂轴连接；机器人平台在风力发电机叶片上移动时，四个轮式驱动机构1的驱动电机10同速同向转动。
所述联轴器12与驱动电机10的动力输出轴和驱动轮13的轮毂轴均通过紧定螺钉固定，防止联轴器12与驱动电机10的动力输出轴之间以及与驱动轮13之间发生径向和轴向移动。
所述驱动轮13的轮胎材质为硅胶，质地较软，能够适应风力发电机叶片的曲形表面，且硅胶的摩擦系数较大，能提供更大的驱动力和防止机器人平台的滑落和倾覆。
所述负压吸附机构3设置在搭载平台2的几何形状中心；如图4所示，所述负压吸附机构3包括吸附腔壳体30、密封圈31、轴流叶轮32、无刷电机33和电机连接架36。
所述吸附腔壳体30呈中空圆柱形，固接在搭载平台2上，且吸附腔壳体30的轴线过搭载平台2的几何形状中心；所述无刷电机33通过电机连接架36固接在吸附腔壳体30的顶板上，无刷电机33的轴杆35与吸附腔壳体30的轴线共线；所述轴流叶轮32通过桨夹34固接在无刷电机33的轴杆35上。所述轴流叶轮32与吸附腔壳体30在径向上保持有3-5mm的间距，确保轴流叶轮在旋转时不会与吸附腔发生碰撞。所述吸附腔壳体30的底部边缘设有密封圈31，机器人平台在风力发电机叶片上移动时，密封圈31与风力发电机叶片的曲形表面完全贴合，减少吸附腔壳体30内部空气的泄露，保持负压状态。
如图5所示，所述轴流叶轮32由中部的圆柱形轮毂和多个叶片组成。如图6所示，所述叶片自叶根至叶顶等距划分有五个叶片截面：第一叶片截面、第二叶片截面、第三叶片截面、第四叶片截面和第五叶片截面；每个叶片截面的几何重心位于同一垂直穿过轴流叶轮32的轴线水平直线上；每个叶片的曲面形状由该五个叶片截面上对应的点通过光滑的曲线连接得到；其中，位于叶根处的第一叶片截面与轴流叶轮32的轴线之间的距离为r1，第二叶片截面到第一叶片截面的距离为r2，第三叶片截面到第二叶片截面的距离为r3，第四叶片截面到第三叶片截面的距离为r4，第五叶片截面到第四叶片截面的距离为r5，r2＝r3＝r4＝r5。
如图6所示，所述第一叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β1，80度<β1<90度；第二叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β2，70度<β2<80度，第三叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β3，60度<β3<70度，第四叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β4，50度<β4<60度，第五叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β5，45度<β5<50度。
如图7所示，第一叶片截面的弦长为L1，第二叶片截面的弦长为L2，第三叶片截面的弦长为L3，第四叶片截面的弦长为L4，第五叶片截面的弦长为L5，其中：L1＜L2＜L3＜L4＜L5。
所述摄像装置4拍摄角度可控地固接在搭载平台2的上端面前部，用于观察风力发电机叶片表面周围的环境。
所述探头执行机构5固接在搭载平台2的前端面上。如图8所示，所述探头执行机构5包括第二电机支架50、双轴舵机51、舵盘520、主动曲柄521、从动曲柄522、探头支架530、超声波检测探头531、探头挡板532和弹簧533。
所述双轴舵机51通过第二电机支架50固接在搭载平台2的前端面上；双轴舵机51的左右两端的输出轴上各安装一舵盘520，每个舵盘520均与一主动曲柄521的后端固接；所述第二电机支架50的左右两端各铰接一与主动曲柄521平行的从动曲柄522；两个主动曲柄521的前端和两个从动曲柄522的前端均铰接在探头支架530上；所述探头挡板532和探头支架530相互固接，中部设有用于容纳超声波检测探头531安装口，所述超声波检测探头531的下方突出的边缘与探头挡板532和探头支架530的底面之间设有弹簧533。
优选地，所述第二电机支架50与从动曲柄522的连接处以及探头支架530与主动曲柄521和从动曲柄522的连接处均设有轴用弹簧挡圈523；轴用弹簧挡圈523通过沟槽与第二电机支架50和探头支架530的轴相配合，防止主动曲柄521和从动曲柄522的轴向移动。主动曲柄521和从动曲柄522构成了平行四边形机构，将双轴舵机51输出轴的转动转化为探头支架530始终保持垂直的上下移动。
本实用新型的工作过程如下：
将本实用新型的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台布置于风力发电机叶片表面，无刷电机33带动轴流叶轮32在吸附腔壳体30内部高速旋转时，吸附腔壳体30内产生的负压力和轴流叶轮32旋转产生的推力共同组成了吸附力将机器人平台稳定地吸附在风力发电机叶片表面上。控制无刷电机33的转速可以调节机器人平台吸附力的大小，在一定范围内，转速越高，吸附力越大；转速越低，吸附力越小。超过这个范围，转速的增加不会引起吸附力发生较大的变化。
在轴流叶轮32旋转时，空气从吸附腔壳体30底部突出的边缘与表面之间流入吸附腔壳体30的圆柱形腔体内，经过轴流叶轮32的高速旋转之后由吸附腔壳体30的顶部的孔快速排出。在轴流叶轮32刚一开始旋转时，从吸附腔壳体30底部突出的边缘与风力发电机叶片表面之间的间隙流入的空气体积流量小于从吸附腔壳体30顶部的孔流出的空气体积流量，而一段时间后，轴流叶轮32的转速达到了工况转速之后，进出口的空气体积流量相同，同时负压吸附机构3产生的吸附力也达到了较为稳定的状态。
四个驱动电机10独立驱动四个驱动轮13转动。四个驱动电机10驱动四个驱动轮13同速同向转动时，可以实现机器人平台的前进和后退；搭载平台2左右同侧的两个驱动电机10各驱动左右同侧的两个驱动轮13同速反向转动时，可以实现机器人平台的围绕几何中心的原地旋转。
机器人平台在风力发电机叶片上移动时，摄像装置4可以绕垂直于搭载平台2上板表面的左右转动和俯仰转动，用来观察风力发电机叶片表面周围的环境。
检测时，如图2和图8所示，双轴舵机51驱动舵盘520和固接在其表面的主动曲柄521转动，与主动曲柄521构成平行四边形机构的从动曲柄522也随之转动，而与主动曲柄521和从动曲柄522通过轴连接的探头支架530保持竖直地向下运动，使得超声波检测探头531紧密贴敷与风力发电机叶片表面；同时，由于弹簧533提供柔性压紧力，超声波检测探头531能够根据风力发电机叶片表面曲面的具体状况，自适应地调节其相对于叶片表面的垂直高度，从而开展自动化的无损检测作业。
完成无损检测作业后，双轴舵机51驱动舵盘520反向转动，带动主动曲柄521和从动曲柄522反方向转动，探头支架530随着主动曲柄521和从动曲柄522上升，使超声波检测探头531与风力发电机叶片表面间隔一定距离，避免超声波检测探头531与风力发电机叶片表面发生碰撞或者剧烈摩擦。
Claims (9)
1.一种风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，包括轮式驱动机构(1)、搭载平台(2)、负压吸附机构(3)、摄像装置(4)和探头执行机构(5)，所述搭载平台(2)设有四个轮式驱动机构(1)，其特征在于，
所述轮式驱动机构(1)包括驱动电机(10)、第一电机支架(11)、联轴器(12)和驱动轮(13)；所述驱动电机(10)通过第一电机支架(11)固接在搭载平台(2)上，驱动电机(10)的动力输出轴通过联轴器(12)与驱动轮(13)的轮毂轴连接；
所述负压吸附机构(3)设置在搭载平台(2)的几何形状中心；负压吸附机构(3)包括吸附腔壳体(30)、密封圈(31)、轴流叶轮(32)、无刷电机(33)和电机连接架(36)；
所述吸附腔壳体(30)呈中空圆柱形，固接在搭载平台(2)上，且吸附腔壳体(30)的轴线过搭载平台(2)的几何形状中心；所述无刷电机(33)通过电机连接架(36)固接在吸附腔壳体(30)的顶板上，无刷电机(33)的轴杆(35)与吸附腔壳体(30)的轴线共线；所述轴流叶轮(32)通过桨夹(34)固接在无刷电机(33)的轴杆(35)上；所述吸附腔壳体(30)的底部边缘设有密封圈(31)，机器人平台在风力发电机叶片上移动时，密封圈(31)与风力发电机叶片的曲形表面完全贴合；
所述摄像装置(4)拍摄角度可控地固接在搭载平台(2)的上端面前部，用于观察风力发电机叶片表面周围的环境；
所述探头执行机构(5)固接在搭载平台(2)的前端面上；所述探头执行机构(5)包括第二电机支架(50)、双轴舵机(51)、舵盘(520)、主动曲柄(521)、从动曲柄(522)、探头支架(530)、超声波检测探头(531)、探头挡板(532)和弹簧(533)；
所述双轴舵机(51)通过第二电机支架(50)固接在搭载平台(2)的前端面上；双轴舵机(51)的左右两端的输出轴上各安装一舵盘(520)，每个舵盘(520)均与一主动曲柄(521)的后端固接；所述第二电机支架(50)的左右两端各铰接一与主动曲柄(521)平行的从动曲柄(522)；两个主动曲柄(521)的前端和两个从动曲柄(522)的前端均铰接在探头支架(530)上；所述探头挡板(532)和探头支架(530)相互固接，中部设有用于容纳超声波检测探头(531)安装口，所述超声波检测探头(531)的下方突出的边缘与探头挡板(532)和探头支架(530)的底面之间设有弹簧(533)；主动曲柄(521)和从动曲柄(522)构成了平行四边形机构，将双轴舵机(51)输出轴的转动转化为探头支架(530)始终保持垂直的上下移动。
2.根据权利要求1所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述联轴器(12)与驱动电机(10)的动力输出轴和驱动轮(13)的轮毂轴均通过紧定螺钉固定，防止联轴器(12)与驱动电机(10)的动力输出轴之间以及与驱动轮(13)之间发生径向和轴向移动。
3.根据权利要求1所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述驱动轮(13)的轮胎材质为硅胶。
4.根据权利要求1所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述轴流叶轮(32)与吸附腔壳体(30)在径向上保持有3-5mm的间距。
5.根据权利要求1所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述轴流叶轮(32)由中部的圆柱形轮毂和多个叶片组成，所述叶片自叶根至叶顶等距划分有五个叶片截面：第一叶片截面、第二叶片截面、第三叶片截面、第四叶片截面和第五叶片截面；每个叶片截面的几何重心位于同一垂直穿过轴流叶轮(32)的轴线水平直线上；每个叶片的曲面形状由该五个叶片截面上对应的点通过光滑的曲线连接得到。
6.根据权利要求5所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，位于叶根处的第一叶片截面与轴流叶轮(32)的轴线之间的距离为r1，第二叶片截面到第一叶片截面的距离为r2，第三叶片截面到第二叶片截面的距离为r3，第四叶片截面到第三叶片截面的距离为r4，第五叶片截面到第四叶片截面的距离为r5，r2＝r3＝r4＝r5。
7.根据权利要求5所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述第一叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β1，80度<β1<90度；第二叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β2，70度<β2<80度，第三叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β3，60度<β3<70度，第四叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β4，50度<β4<60度，第五叶片截面的弦长所在直线与水平面夹角为β5，45度<β5<50度。
8.根据权利要求5所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，第一叶片截面的弦长为L1，第二叶片截面的弦长为L2，第三叶片截面的弦长为L3，第四叶片截面的弦长为L4，第五叶片截面的弦长为L5，其中：L1＜L2＜L3＜L4＜L5。
9.根据权利要求1所述的风力发电机叶片轴流叶轮负压吸附攀爬检测机器人平台，其特征在于，所述第二电机支架(50)与从动曲柄(522)的连接处以及探头支架(530)与主动曲柄(521)和从动曲柄(522)的连接处均设有轴用弹簧挡圈(523)；轴用弹簧挡圈(523)通过沟槽与第二电机支架(50)和探头支架(530)的轴相配合，防止主动曲柄(521)和从动曲柄(522)的轴向移动。
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-
2022
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Cited By (2)
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| CN117322919A (zh) * | 2023-12-01 | 2024-01-02 | 北京唯迈医疗设备有限公司 | 一种介入手术冠脉开口微型探测装置 |
| CN117322919B (zh) * | 2023-12-01 | 2024-02-27 | 北京唯迈医疗设备有限公司 | 一种介入手术冠脉开口微型探测装置 |
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