楊世強(qiáng), 侯玉慶(西安理工大學(xué) 機(jī)械與精密儀器工程學(xué)院, 陜西 西安 710048)

光伏板表面清潔度對(duì)其發(fā)電效率有重要影響[1],表面積灰的光伏組件工作時(shí),其發(fā)電效率會(huì)降低10%到25%。實(shí)現(xiàn)清潔裝置的低成本與高效率運(yùn)行具有重要的現(xiàn)實(shí)意義與經(jīng)濟(jì)價(jià)值。最初人們使用水槍或者人工使用滾刷、清潔布等清除表面灰塵[2],近年來(lái)隨著科技的發(fā)展,出現(xiàn)了很多自動(dòng)化大型清潔設(shè)備,比如移動(dòng)裝置搭載盤(pán)刷或滾刷設(shè)備的大型移動(dòng)清洗車,具有較高的清潔效率[3],但是其結(jié)構(gòu)普遍笨重復(fù)雜,成本較高。大型清潔裝置普遍由移動(dòng)裝置、機(jī)械臂裝置以及末端執(zhí)行部分(通常為盤(pán)刷或者滾刷)等組成[4],由于機(jī)械臂的尺寸和結(jié)構(gòu)對(duì)于清潔裝置自身性能影響很大[5],因此,如何通過(guò)結(jié)構(gòu)優(yōu)化實(shí)現(xiàn)輕量化設(shè)計(jì)并保證其足夠的力學(xué)性能,對(duì)機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)來(lái)說(shuō)具有重要意義。

機(jī)械結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)是將最優(yōu)化理論和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)相結(jié)合,借助現(xiàn)代計(jì)算方法,從一系列受約束的可行解中尋求使某一目標(biāo)最大或最小的參數(shù)組合,從而使設(shè)計(jì)質(zhì)量得到提高[6]。為提升產(chǎn)品性能,降低產(chǎn)品耗材及成本,提升企業(yè)競(jìng)爭(zhēng)力,國(guó)外很多大型企業(yè)在產(chǎn)品設(shè)計(jì)中已廣泛地運(yùn)用結(jié)構(gòu)優(yōu)化技術(shù)。易繼軍[7]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)數(shù)控螺旋錐齒輪機(jī)床進(jìn)行優(yōu)化,進(jìn)一步改進(jìn)了機(jī)床的性能。趙偉基[8]對(duì)機(jī)器人手臂進(jìn)行分析和優(yōu)化設(shè)計(jì),找出了機(jī)械臂的薄弱環(huán)節(jié),通過(guò)在兩個(gè)分型面處加裝緩沖器,減小了應(yīng)力集中,減輕了手臂重量。丁淵明[9]對(duì)6自由度串聯(lián)弧焊機(jī)器人進(jìn)行分析,根據(jù)其機(jī)械臂的特點(diǎn),提出了工作空間體積和特定區(qū)域的能量消耗兩個(gè)性能指標(biāo),以二者為優(yōu)化目標(biāo)建立優(yōu)化模型,利用遺傳算法優(yōu)化弧焊機(jī)器人機(jī)械臂的結(jié)構(gòu)參數(shù),使得機(jī)器人在焊接過(guò)程中能量的消耗得以降低。李釗等[10]采用拓?fù)鋬?yōu)化方法對(duì)履帶架結(jié)構(gòu)形式進(jìn)行合理布局，改善載荷傳遞路徑以充分發(fā)揮材料力學(xué)性能，從而提高履帶架的承載能力。

針對(duì)大型光伏發(fā)電廠的光伏板清潔問(wèn)題,本文開(kāi)發(fā)設(shè)計(jì)了一種光伏板清潔裝置,完成了清潔裝置的結(jié)構(gòu)與性能分析。在此基礎(chǔ)上,結(jié)合清潔裝置運(yùn)行試驗(yàn),對(duì)其關(guān)鍵部件進(jìn)行拓?fù)鋬?yōu)化設(shè)計(jì),分析對(duì)比各優(yōu)化方案的力學(xué)性能,為清潔裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供指導(dǎo)。

1 光伏板清潔裝置

為了解決光伏板積灰問(wèn)題,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了光伏板清潔裝置,對(duì)光伏組件表面灰塵覆蓋層進(jìn)行及時(shí)清理,方案如圖1所示。清潔裝置主要分為清潔頭架和臂架兩部分,橫臂1和支撐臂2、驅(qū)動(dòng)臂3組成臂架,4為支撐，5為清潔頭架。清潔頭架是清潔裝置的末端執(zhí)行元件,安裝在橫臂末端。清潔裝置安裝在履帶式移動(dòng)平臺(tái)之上,可實(shí)現(xiàn)連續(xù)排列的光伏板的清潔作業(yè)。臂架部分采用鉸接平行四桿機(jī)構(gòu),驅(qū)動(dòng)臂3轉(zhuǎn)動(dòng)帶動(dòng)清潔頭架實(shí)現(xiàn)伸出和收回運(yùn)動(dòng),清潔頭架始終保持與光伏板平行的固定姿態(tài),清潔頭架安裝噴水裝置和旋轉(zhuǎn)毛刷實(shí)現(xiàn)積灰清理。為減輕重量,清潔頭架采用工業(yè)鋁型材組裝而成,毛刷通過(guò)電機(jī)驅(qū)動(dòng)。

圖2(a)為臂架部分的總體設(shè)計(jì)圖,平行四桿機(jī)構(gòu)兩條邊的長(zhǎng)度分別為903.8 mm和330 mm,清潔頭架初始姿態(tài)與水平面成40°夾角,沿長(zhǎng)度方向與光伏板安裝傾角一致,寬度方向與光伏板存在一夾角,可微調(diào)。清潔裝置安裝在履帶式液壓驅(qū)動(dòng)移動(dòng)平臺(tái)上。

前期完成的臂架實(shí)物如圖2(b)所示,根據(jù)現(xiàn)場(chǎng)裝配和試驗(yàn)結(jié)果,現(xiàn)有清潔裝置重量較大,移動(dòng)平臺(tái)負(fù)載較大。橫臂前端安裝清潔頭架,是懸臂梁結(jié)構(gòu)。橫臂質(zhì)量為65.02 kg,約占臂架質(zhì)量的一半,對(duì)其拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化,減輕自身質(zhì)量,對(duì)改善清洗頭工作性能有重要意義。

圖2 臂架示意圖Fig.2 Schematic diagram of beam

2 橫臂的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)優(yōu)化

2.1 優(yōu)化方案

分析橫臂受力情況,橫臂的末端處兩側(cè)面受到清潔頭載荷的作用力,約1200 N,工作行進(jìn)中受到由于盤(pán)刷刷毛與光伏板摩擦產(chǎn)生的與前進(jìn)方向相反的水平方向阻力,約300 N。正常的固定位姿清潔工作中,橫臂后端的兩個(gè)鉸接處固定。在Pro/Engineer環(huán)境中建立橫臂模型,導(dǎo)入有限元分析軟件ANSYS系統(tǒng),材料為45號(hào)鋼。

因此,在ANSYS環(huán)境中,固定約束橫臂的圓孔連接面,在橫臂的末端兩側(cè)面分別施加沿Z方向各600 N作用力模擬清潔頭的重力,沿X方向施加300 N作用力模擬工作時(shí)受到的刷毛摩擦力,約束和載荷如圖3所示。

圖3 約束與載荷圖Fig.3 Constraints and load diagram

以重量最輕為優(yōu)化目標(biāo),設(shè)置質(zhì)量去除百分比為35%。求解完成后得到如圖4所示的拓?fù)浣Y(jié)構(gòu)和6個(gè)主要的可去除區(qū)域。

圖4 可去除區(qū)域與保留區(qū)域Fig.4 The removable area and reservation area

結(jié)合圖4的結(jié)果,考慮到加工以及應(yīng)力集中等情況,本文設(shè)計(jì)三種優(yōu)化方案。各方案對(duì)前5個(gè)區(qū)域采用相同減重方式,對(duì)區(qū)域6設(shè)計(jì)不同減重孔,如圖5所示。對(duì)于區(qū)域1和2,如圖5(a)所示,直接去除1區(qū)域并縮小2區(qū)域尺寸;在區(qū)域3、4和5中設(shè)計(jì)一個(gè)矩形去除區(qū)域,邊緣倒角處理,如圖5(b)和(c)所示。對(duì)于區(qū)域6采用三種不同減重孔設(shè)計(jì):①去除較小部分建議區(qū)域,兩側(cè)面去除區(qū)域?yàn)橐粋€(gè)支撐,形成方案一,如圖5(d)所示;②去除面積加大,側(cè)面去除區(qū)域?yàn)閮蓚€(gè)支撐連接,形成方案二,如圖5(e)所示;③方案三去除部分與方案一類似,但不設(shè)置連接上下面的支撐,如圖5(f)所示。方案一去除率為26.5%,方案二去除率為29.53%,方案三去除率為26.84%。

圖5 三種優(yōu)化方案模型Fig.5 Three optimization scheme models

2.2 優(yōu)化前后靜力學(xué)對(duì)比分析

計(jì)算求解的結(jié)果只能作為參考[11],需考慮應(yīng)力集中等因素對(duì)改進(jìn)結(jié)構(gòu)的影響,使用有限元分析軟件進(jìn)行力學(xué)分析對(duì)比,以檢驗(yàn)方案是否可行。對(duì)優(yōu)化前后橫臂的力學(xué)性能是否滿足基本需求進(jìn)一步分析,約束、載荷的施加方式同圖3,在沿Z方向兩側(cè)面各施加600 N重力,沿X方向施加300 N摩擦力。計(jì)算各方案對(duì)應(yīng)的橫臂最大位移、最大應(yīng)力和質(zhì)量,如圖6所示。

圖6 各方案最大位移、最大應(yīng)力及質(zhì)量對(duì)比Fig.6 Graph comparison of maximum displacement,maximum stress and mass of each scheme

由圖6可知,各方案在三個(gè)方向的位移相較于原方案,都有不同程度地增加,其中方案一的增量最小,分別為0.5655 mm(X向)、0.1059 mm(Y向)和0.1420 mm(Z向);方案二在Y方向和Z方向的增量最大,各向增量分別為1.2743 mm(X向)、0.3063 mm(Y向)和0.7535 mm(Z向);方案三在Y方向和Z方向的位移均介于方案一與方案二之間,且其變化量更接近于方案二,而在X方向較原方案位移增量最大,為1.6247 mm。總位移增量方案一最小,方案三次之,方案二最大,各向總位移增量分別為0.3294 mm(X向)、1.2130 mm(Y向)和1.0369 mm(Z向)。應(yīng)力的變化與總位移的變化類似,應(yīng)力增量方案一最小,方案三次之,方案二最大;方案一二三相較于原方案的應(yīng)力增量分別為6.574 MPa、34.31 MPa和10.032 MPa。各方案的減重效果方案二最佳,方案一與方案三相當(dāng),方案一二三的減重量分別為17.24 kg、19.20 kg和17.45 kg。經(jīng)過(guò)各方案的對(duì)比,方案一的最大變形和最大應(yīng)力都比較小,最大位移位置位于橫臂末端邊緣,最大應(yīng)力位置位于去除區(qū)域的過(guò)渡孔處,如圖7所示;方案二的位移和應(yīng)力都是最大,方案三居中。

圖7 方案一總位移與應(yīng)力云圖Fig.7 Total displacement and stress cloud diagram of the scheme one

2.3 優(yōu)化前后扭轉(zhuǎn)力學(xué)分析

實(shí)際工作中,由于工作時(shí)毛刷與光伏板間的摩擦力作用在橫臂末端,橫臂的彎曲結(jié)構(gòu)引起扭矩力臂,橫臂存在水平方向的扭矩,在此對(duì)各方案扭轉(zhuǎn)力學(xué)性能進(jìn)行分析。當(dāng)X方向分別施加600 N和900 N的摩擦力時(shí),各方案最大變形和最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果如圖8所示。

圖8 扭轉(zhuǎn)工況下各方案最大位移和應(yīng)力對(duì)比Fig.8 Gragh comparison of maximum displacement and stress of each scheme with torsion

對(duì)比各方案變形情況可知,三種方案的位移相對(duì)于原方案均有一定程度地增加,載荷一定的情況下,方案一、方案二和方案三的最大位移量依次增大,600 N作用下,其相對(duì)于原方案的增量依次為2.0313 mm、2.6990 mm和3.5316 mm;隨著載荷的增大,其最大位移增加,且增量呈增大趨勢(shì)。對(duì)比各方案最大應(yīng)力計(jì)算結(jié)果可知,方案一的最大應(yīng)力也是各方案中最小,達(dá)到56.461 MPa,方案二最大,達(dá)到88.905 MPa。圖9為方案一在兩種工作阻力作用力下的應(yīng)力云圖。

圖9 方案一扭轉(zhuǎn)工況應(yīng)力云圖Fig.9 Stress cloud diagram of the scheme one with torsion

綜合以上三種方案的計(jì)算結(jié)果可以看出,方案一質(zhì)量減少了17.24 kg,最大位移較優(yōu)化前增加0.3294 mm,變化最小;方案二質(zhì)量減少19.50 kg,減小量更多,但最大位移達(dá)3.8384 mm,最大應(yīng)力達(dá)88.523 MPa,相對(duì)變化較大;方案三的應(yīng)力值變化較小,但最大位移達(dá)到了3.6623 mm。由于方案一的扭轉(zhuǎn)變形最小,最大應(yīng)力變化也最小,達(dá)到了相對(duì)較優(yōu)的設(shè)計(jì)目標(biāo),因此,選方案一作為橫臂的優(yōu)化方案,進(jìn)一步分析其動(dòng)態(tài)性能。

3 模態(tài)分析

模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動(dòng)態(tài)分析的重要方法,通過(guò)模態(tài)分析掌握機(jī)械結(jié)構(gòu)各階模態(tài)的固有頻率和振型等特性,是進(jìn)行瞬態(tài)響應(yīng)分析和諧響應(yīng)分析等動(dòng)力學(xué)分析的基礎(chǔ)[12]。把橫臂四個(gè)連接孔設(shè)置為固定約束,在ANSYS環(huán)境下,分別對(duì)原方案和方案一進(jìn)行模態(tài)分析,采用完全法計(jì)算得到其前六階固有頻率和固有振型。圖10為原方案與方案一固有頻率對(duì)比,圖11、圖12分別為原方案與方案一的前六階振型云圖。

圖10 固有頻率對(duì)比Fig.10 Natural frequency comparison diagram

圖11 原方案橫臂前六階振型Fig.11 First six mode shape of the beam of the original scheme

由圖10可知,方案一各階固有頻率較原方案均有所下降,其中第一、二階固有頻率變化較小,三到六階固有頻率變化較大。對(duì)比振型云圖可知,原方案和方案一第一階振型均表現(xiàn)為繞Z軸沿X方向的彎曲,二階模態(tài)振型表現(xiàn)為繞X軸沿Z方向的彎曲。兩方案前四階振型基本相似,五、六階彎曲扭轉(zhuǎn)組合振型有所不同。由于去除了部分區(qū)域,較高階扭轉(zhuǎn)振型的奇點(diǎn)位置發(fā)生了一些移動(dòng)。提取原方案與方案一橫臂X軸、Y軸、Z軸及繞X軸Rx、繞Y軸Ry、繞Z軸Rz這6個(gè)方向有效模態(tài)質(zhì)量,如表1和表2所示。

由表1與表2可知,方案一與原方案相比,各階自由度有效模態(tài)質(zhì)量均發(fā)生了一些改變,但是相對(duì)較小,其中前四階占主要模態(tài)質(zhì)量的自由度方向基本沒(méi)有改變,第五階的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度最大的仍然是Rz,Rx與Ry大小順序發(fā)生了顛倒,第六階的轉(zhuǎn)動(dòng)自由度最大的仍然是Rx,Ry與Rz大小順序發(fā)生了顛倒,結(jié)合兩方案橫臂模態(tài)振型圖和各階有效模態(tài)質(zhì)量分析可以得出:

一階模態(tài)中均是X和Rz方向的值較大,表現(xiàn)為繞Z軸沿X方向的彎曲;二階模態(tài)中均是Z和Rx方向的值較大,表現(xiàn)為繞X軸沿Z方向的彎曲;三階模態(tài)中均是Ry和Rz與X方向值較大,主要表現(xiàn)為繞Y軸的扭轉(zhuǎn),其次是繞Z軸沿X的彎曲;四階模態(tài)中Z與Rx方向的值較大,表現(xiàn)為繞X軸沿Z和繞X軸沿Y方向的彎曲;五階模態(tài)中原方案為Rz與X和Ry方向值較大,表現(xiàn)為繞Z軸沿X方向的彎曲和繞Y軸的扭轉(zhuǎn),方案一Rz與X和Rx方向值較大,表現(xiàn)為繞Z軸沿X方向的彎曲和繞X軸的扭轉(zhuǎn);六階模態(tài)中原方案Rx與Ry和Z方向的值較大,表現(xiàn)為繞Y軸沿Z方向的彎曲和繞X軸扭轉(zhuǎn),方案一Rx與Rz和X方向的值較大,表現(xiàn)為繞Z軸沿X方向的彎曲和繞X軸扭轉(zhuǎn)。

圖12 方案一橫臂前六階振型Fig.12 First six mode shape of the beam of the scheme one

表1 橫臂原方案各方向有效模態(tài)質(zhì)量Tab.1 Effective modal mass in each direction of the beam of the original scheme

表2 橫臂方案一各方向有效模態(tài)質(zhì)量Tab.2 Effective modal mass in each direction of the beam of the scheme one

總結(jié)以上結(jié)果,原方案與方案一的模態(tài)參數(shù)結(jié)果如表3所示,方案一固有頻率略有下降,前四階振型基本一致,五六階振型發(fā)生了部分改變。

表3 原方案與方案一模態(tài)對(duì)比Tab.3 Mode comparison between the original scheme and the scheme one

4 結(jié) 語(yǔ)

在分析光伏板布局特點(diǎn)的基礎(chǔ)上,設(shè)計(jì)開(kāi)發(fā)了光伏板清潔裝置,給出了設(shè)計(jì)方案。針對(duì)當(dāng)前清潔裝置過(guò)重的問(wèn)題,對(duì)機(jī)械臂的橫臂進(jìn)行結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),結(jié)合拓?fù)溆?jì)算,對(duì)所提出的三種優(yōu)化方案進(jìn)行力學(xué)性能對(duì)比,選擇出最優(yōu)設(shè)計(jì)方案。對(duì)比給出了最優(yōu)方案與原方案前六階固有頻率與固有振型等模態(tài)參數(shù)的變化,對(duì)較優(yōu)方案進(jìn)行諧響應(yīng)分析和瞬態(tài)響應(yīng)分析。由計(jì)算結(jié)果可知,方案一可較好地滿足工作需要,實(shí)現(xiàn)了橫臂結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì),為清潔裝置的進(jìn)一步優(yōu)化提供了參考依據(jù)。