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一種光伏清潔機器人的研究與設計

2019-01-08 08:17侯杰倪受東
機械制造與自動化 2018年6期
關鍵詞:行走機構閥桿閥體

侯杰,倪受東

(南京工業(yè)大學,江蘇 南京 211800)

0 引言

隨著全球對化石能源的開采和消費,人類社會目前正面臨化石燃料日趨枯竭和生態(tài)環(huán)境嚴重污染的局面。太陽能作為一種理想的清潔能源,使光伏產業(yè)成為解決化石能源短缺、環(huán)境污染和溫室效應等問題的有效途徑。但灰塵顆粒的影響一直是降低光伏電站發(fā)電量的致命問題。為了確保整個光伏電站的發(fā)電效率,光伏清潔機器人的研究與應用已成為國內外的熱點。

目前,我國西北的集中式光伏電站為了提高太陽能的利用率,已經逐漸開始在光伏支架裝置上安裝太陽跟蹤系統(tǒng)。與固定式支架裝置相比太陽跟蹤系統(tǒng)能使光伏組件的太陽輻射接收量增加35%以上,顯著提高太陽能光伏組件的發(fā)電效率[1]。為確保光伏組件有最佳的工作角度,太陽追蹤裝置的角度調節(jié)范圍一般為-70°~70°左右,因此要使清潔機器人能可靠完成光伏組件的清潔任務,則清潔機器人應具有70°坡度的爬坡能力。另外,光伏組件在矩陣排布時相鄰兩塊太陽能電池板中間都有大約為2cm的排布間隙,所以清潔機器人在行走過程中吸附系統(tǒng)必須能克服排布間隙帶來的影響。

根據(jù)設計要求,履帶式多吸盤行走機構對工作平面的適應性強、行進速度較快,可越過一般的障礙物。這種運動方案不僅可以使光伏清潔機器人安全可靠地在太陽能電池板表面上行走,并能順利地克服排布間隙對吸附系統(tǒng)的影響。所以采用履帶行走方式配合多個真空吸盤吸附的運動方案。

1 光伏清潔機器人的受力分析

光伏清洗機器人吸附行走機構的吸盤與電池板表面具有局部柔性,但總體看來,局部柔性對整個光伏清潔機器人受力狀況影響很小。為了簡化模型的受力分析,在建立力學模型前,假設認為光伏清潔機器人是剛體[2]。清潔機器人為剛體的受力狀況可簡化為平面力系(圖1)。清潔機器人以速度v 在光伏面板上做勻速直線運動,忽略空氣阻力。

圖1 光伏清潔機器人的受力分析圖

圖中將清潔機器人與光伏面板接觸的部位簡化為O1、O2兩點,這兩點分別為清潔機器人與光伏面板接觸的最頂端和最低端。由摩擦理論可知,當外力的作用錐δ小于物體摩擦錐θ時,不管外力有多大,物體始終保持靜止狀態(tài)。由此可知,當吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ<θ時,清潔機器人沒有下滑趨勢。重力G對支撐點O1的力矩稱為翻倒力矩,用MO1(G)表示,翻倒力矩的大小與清潔機器人的質量、重心的高度及工作平面的傾角有關。吸附力系的合力對支撐點O1的力矩為附著力矩,用MO1(P)表示,附著力矩的大小與清潔機器人的吸附裝置的性能參數(shù)和結構位置有關,當清潔機器人的結構確定時,附著力矩的大小也就隨之確定[3]。

以清潔機器人前進方向為y軸,橫向方向為x軸,光伏面板的法線方向為z軸。將圖1中各參數(shù)代入平面任意力系的平衡方程式可得:

(1)

式中:F1是O1點的靜摩擦力(N); F2是O2點的靜摩擦力(N);α是光伏面板與水平面的夾角(°);N1是O1點的反支力(N);N2是O2點的反支力(N);P1是O1點的等效吸附力(N);P2是O2點的等效吸附力(N)。

1.1 傾覆力矩計算

由圖1的受力分析圖可以推導出傾覆力矩計算公式為:

(2)

式中:L是履帶吸盤的最高點和最低點的距離;h是清潔機器人重心到工作平面的距離;G是清潔機器人的重力(N);α是光伏面板與水平面的夾角;β是支撐點和幾何重心的連線與工作平面法線的夾角,稱為抗傾覆特征角,由清潔機器人的自身結構確定。

由式(2)可知,當α>β時,翻倒力矩可用公式求得;當α≤β時,機器人沒有翻倒趨勢,因此不存在翻倒力矩,于是翻倒力矩可以用式(3)來表示。

(3)

由式(3)可知, β角稱為機器人的抗翻倒特征角,其大小由機器人的結構確定,只要壁面的斜度小于β 角機器人就不會翻倒。α=β為翻倒趨勢存在的臨界角度,記為α0,稱為翻倒臨界角 。翻倒臨界角的大小為:

(4)

1.2 附著力矩計算

附著力矩隨清潔機器人吸附系統(tǒng)的結構及特點不同而變化,清潔機器人吸附系統(tǒng)的結構形式有單吸盤式吸附和多吸盤式吸附兩種。以 O1點為坐標系原點,則單吸盤式吸附的附著力矩為:

(5)

式中:D是單吸盤式的吸附區(qū)域;P是吸盤腔體內的真空度。

多吸盤式的附著力矩為:

(6)

式中:Di是第i個吸盤的吸附區(qū)域;pi是第i個吸盤腔體內的真空度;n是履帶上吸盤的數(shù)量。

1.3 吸附的穩(wěn)定性

由以上公式可知,清潔機器人的吸附穩(wěn)定條件為:吸附力系合力P與重力G合力的作用錐δ<θ時,清潔機器人沒有下滑趨勢;當α≤β時,機器人沒有翻倒趨勢,或者當α>β時,翻倒力矩小于附著力矩。清潔機器人的吸附穩(wěn)定條件用公式表示為:

(7)

當清潔機器人滿足以上兩個吸附穩(wěn)定條件時,清潔機器人就可以穩(wěn)定地吸附在工作平面上。

1.4 清潔機器人行走速度的研究

清潔機器人的行走速度主要決定于履帶驅動鏈輪的節(jié)圓半徑和轉速,驅動鏈輪的轉速是由驅動電動機的轉速和減速齒輪箱的減速比決定的[4]。用公式表示為:

(8)

式中:v是清潔機器人的直線行走速度;n是履帶驅動輪的轉速;r是履帶驅動輪的半徑;n電是驅動電動機的轉速;i是減速齒輪箱的減速比。

由式(8)可知,履帶式清潔機器人行走速度和驅動電動機的轉速、驅動輪節(jié)圓半徑成正比,和減速齒輪箱的傳動比成反比[5]。清潔機器人的直線行走速度v是根據(jù)設計要求的清潔速度推算出來的,所以由公式可以推導出驅動電動機的轉速,即:

(9)

該公式作為清潔機器人驅動電動機的選型和減速齒輪箱設計的參考依據(jù)。

1.5 清潔機器人驅動力的研究

清潔機器人沿所鋪設的履帶節(jié)向前滑動時需要克服兩者之間的摩擦阻力以及重力沿工作平面的分量??朔@個摩擦阻力的驅動力由履帶節(jié)對驅動鏈輪的反向作用力提供[5],通過對清潔機器人的受力分析可知:

F驅min=μ×sinα×G+cosα×G

(10)

式中:F驅min是清潔機器人的最小驅動力;μ是履帶節(jié)與其滑軌之間的摩擦系數(shù);α光伏面板與水平面的夾角;G是清潔機器人的重力(N)。

清潔機器人的驅動力是由履帶節(jié)對驅動鏈輪的反向作用力提供的。由牛頓第三定律可知作用力和反作用力是大小相等方向相反,所以驅動鏈輪對履帶節(jié)的作用力的大小決定了驅動力的大小。驅動鏈輪對履帶的作用力由驅動電動機提供。公式表示為:

(11)

式中:F鏈min為驅動鏈輪的最小作用力;T電min為驅動電動機的最小轉矩;r為履帶驅動輪的半徑;i為減速齒輪箱的減速比。

由于F驅min和F鏈min是一對作用力和反作用力,由公式(10)和式(11)可得:

整理后可得驅動電動機的最小轉矩公式為:

(12)

由于太陽能電池板的承載能力有限,所以清潔機器人的總質量不能>20kg且清潔機器人的清潔速度需要達到720m2/h。根據(jù)這些設計要求再通過以上對光伏清潔機器人的理論分析,可以得出清潔機器人的各項性能參數(shù)如表1所示。

表1 光伏清潔機器人的性能參數(shù)表

根據(jù)光伏清潔機器人的性能參數(shù)表可以對行走機構進行具體方案的設計。

2 清潔機器人行走機構的設計方案

履帶式行走機構在清潔機器人行駛過程中,與作業(yè)面接觸的部分履帶緊緊地吸附在工作平面上。驅動鏈輪對履帶節(jié)施加一個切向的作用力,履帶節(jié)給驅動鏈輪一個反向的作用力,這個反作用力是推動清潔機器人向前行駛的驅動力[7]。當驅動力足以克服自身重力和履帶節(jié)與其滑軌之間摩擦阻力時,清潔機器人就會向前滑動前行[8]。

圖2為單側多吸盤履帶機構的設計圖,清潔機器人的行走履帶是由32個履帶節(jié)組成,每隔一個履帶節(jié)上面都安裝有1個吸盤組件1(吸盤組件1的詳細爆炸圖如圖3所示)。吸盤組件1在隨著履帶節(jié)由主動鏈輪4驅動沿著履帶支撐板3滑動,同時凸輪板2與履帶支撐板3之間組成一個滑槽,而吸盤組件1上的滾輪4則沿著滑槽滾動。由于履帶支撐板和凸輪板之間的間距不等,圖2中橢圓圈內區(qū)域履帶支撐板和凸輪板之間的間距就比其他區(qū)域的間距小15mm,吸盤組件1在該區(qū)域內滾輪4會帶動閥桿7向下壓15mm,所以稱橢圓圈內區(qū)域為壓縮區(qū)域。而正因為這15mm的壓縮量可以使吸盤組件1由吸盤泄氣狀態(tài)(圖4(a))變?yōu)槲P吸附狀態(tài)(圖4(b)),因此吸盤組件1根據(jù)所處的位置不同而相應的有兩種不同的狀態(tài):吸盤組件1在圖4中所示壓縮區(qū)域內為吸附狀態(tài),在壓縮區(qū)域以外為泄氣狀態(tài)。

1—吸盤組件;2—凸輪板;3—履帶支撐板;4—帶減速齒輪箱的驅動電動機;5—主動鏈輪圖2 多吸盤履帶機構的設計圖

吸盤組件1常態(tài)是靠復位彈簧8把閥桿7頂在最大行程處,此時閥體9底面的泄氣孔與吸盤是連通狀態(tài),即吸盤組件1是處于泄氣狀態(tài)(圖4(a))。當吸盤組件1處于壓縮區(qū)域時,閥桿7會被向下壓縮10mm,此時閥桿7上的O型圈會阻斷泄氣孔與吸盤的連通,而使吸盤與閥體9的腔體導通(圖4(b))。閥體9的腔體是與真空泵的負壓端連通的,所以此時真空泵會對吸盤進行抽真空,使吸盤吸附在工作平面上。

1—小吸盤;2—履帶節(jié);3—滾輪軸;4—滾輪;5—氣閥端蓋;6—卡簧;7—閥桿;8—復位彈簧;9—閥體;10—過濾海綿;11—底蓋;12—橡膠密封套;13—十字盤頭自攻螺絲圖3 小吸盤組件爆炸圖

圖4 小吸盤組件不同狀態(tài)的剖視圖

3 多吸盤履帶的運動學仿真

運動學仿真分析的主要目的是為了驗證小吸盤組件在履帶上運動時凸輪對閥桿的壓縮量能否滿足設計的需求值。 多吸盤履帶行走機構共有16個小吸盤組件,這16個小吸盤組件的內部結構和運動軌跡都是一樣的,所以為了簡化運動學仿真的復雜程度,只對一個小吸盤組件在履帶上的運動情況做仿真分析。運動學仿真軟件采用CreoParametric2.0,首先對多吸盤履帶行走機構的3D設計圖進行連接方式的加載。履帶節(jié)是在履帶支撐板的槽內滑動,因此定義履帶節(jié)和履帶支撐板的輪廓之間為槽鏈接;定義閥桿和閥體為滑塊鏈接;閥桿的滾輪在凸輪和履帶支持板之間的槽內滑動,定義閥桿與凸輪輪廓為槽鏈接。接下來定義仿真的初始條件:定義履帶節(jié)和履帶支撐板的輪廓之間的槽鏈接切向速度為100mm/s,仿真時間為16s,仿真幀頻為10,初始位置如圖5所示。

圖5 運動學仿真模型連接方式加載圖

選擇閥桿密封面與閥體底面的距離作為目標參數(shù),目標參數(shù)在隨履帶運動時在不同時間位置對應的數(shù)值如圖6所示。

圖6 目標參數(shù)隨時間的變化情況

由圖6可以看出小吸盤組件從圖5所示的位置向左隨履帶做勻速直線運動,此時閥桿密封面與閥體底面的距離為17mm。當小吸盤進入壓縮區(qū)域后閥桿密封面與閥體底面的距離為6.5mm,此時小吸盤組件處于吸附狀態(tài)(圖4(b)),由此可以驗證多吸盤履帶的機構方案設計的可行性。

4 結語

在光伏清潔機器人運動模塊進行研究與設計的基礎上,完成了整個光伏清潔機器人的設計,并成功制造了1臺光伏清潔機器人樣機,如圖7所示。

圖7 光伏清潔機器人樣機

為檢驗該清潔機器人能否滿足實際光伏電站的使用需要,利用學校和合作單位提供的現(xiàn)場試驗條件,對樣機進行了運動功能和清洗作業(yè)實驗。

清潔機器人在開始工作時,履帶吸盤真空泵首先工作,此時在多吸盤履帶行走機構的壓縮區(qū)域內吸盤組件處于密閉狀態(tài),則該區(qū)域內的吸盤被真空泵抽真空后吸附在太陽能電池板上,然后2個履帶驅動電動機驅動鏈輪帶動清潔機器人向前作勻速直線運動。清潔機器人在行進過程中,沿邊行走傳感器貼著太陽能電池板邊框行進,當清潔機器人偏離運動軌跡后由控制板控制2個履帶驅動電動機做差速運動來進行修正,確保清潔機器人不偏離運動路線。清潔機器人行進過程中,當邊緣檢測傳感器中的3個超聲波傳感器只有部分失去信號時,控制系統(tǒng)判斷是太陽能電池板排布間隙,則清潔機器人繼續(xù)前行;若3個超聲波傳感器全部失去信號時,控制系統(tǒng)判斷是太陽能電池板的邊緣則控制板會發(fā)出轉向信號。清潔機器人順時針旋轉90°后前進一個機身位再進行轉向90°,然后沿太陽能電池板邊框前行,直到清潔機器人行進過程中邊緣檢測傳感器中的3個超聲波傳感器全部失去信號后且清潔機器人轉向90°后3個邊緣檢測傳感器仍然沒有信號,則清潔機器人認為該工作區(qū)域已經清掃完畢,清潔機器人報警示意。

利用所設計的光伏清潔機器人樣機進行了運動功能和清洗作業(yè)實驗,實驗結果證明光伏清潔機器人可以按照所設計行走速度和轉向動作完成光伏面板的清潔作業(yè),驗證了設計原理和理論分析的正確性。

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