永磁吸附装置（精选3篇）
永磁吸附装置 篇1
0 引言
爬壁机器人因其可攀爬垂直或者陡峭的壁面工作,在国外又被称为极限作业机器人。它可代替人类在高耸危险的壁面上工作,将人类从传统的人工劳动中解救出来,在保障人身安全的同时也能提高工作效率,因此长期以来都受到学者们的重视。根据吸附方式的不同分为负压吸附爬壁机器人和磁吸附爬壁机器人。磁吸附爬壁机器人应用较广泛的吸附装置主要有电磁铁、永磁铁、可变磁极永磁体三种。磁吸附式爬壁机器人具有吸附可靠、承载能力强等特点,非常适合于大型铁磁性结构件的攀爬[1]。
磁吸附单元是磁吸式爬壁机器人的主要核心组成部分,众多国内外学者对此进行了大量的研究。主要是通过改变磁路设计方式,从而提高磁利用率,使磁吸附单元的效率更高[2]。
本文设计了一种利用永磁体同名磁极相接的直线阵列结构,相比于传统的磁路,磁吸附能力有了显著地提高。将吸附单元镶嵌在履带式爬壁机器人的链条上,可提高其携带负载且克服钢铁壁面凹凸不平稳定前行的能力。
1 磁吸附单元的磁路设计
永磁体的磁路是指磁通量通过磁介质的路径,从永磁体内部发出的磁力线,经导磁能力强的轭铁引至需要磁力作用的工作间隙内,再通过导磁材料返回到永磁体,从而构成了一个闭合磁力线回路。合适的选择磁路的结构可以将磁体工作在永磁体最大磁能积点上[3]。使得工作气隙内的磁通密度增加,从而最大限度发挥永磁体的性能,保证爬壁机器人在钢铁壁面的吸附性能可靠,因此磁路的设计是永磁吸附单元设计的核心。磁路主要由永磁体、导磁轭铁和隔磁材料铜组成。如图1所示,其中箭头所指的方向即为永磁体充磁的方向,永磁材料形状选择方形的,以便于材料的加工和安装。
如图1(a)、图1(b)所示传统型和新型磁吸附单元磁路设计模型。传统型采用径向充磁方式,各永磁体之间由隔磁材料隔开通过上部的导磁材料引导磁力线的分布。新型单元采用轴向充磁方式,各永磁体间由导磁材料连接,上部使用隔磁材料,减少结构的漏磁。
为了更好的对比传统型和新型磁路磁力线及磁感应强度分布情况。运用ANSOFT Maxwell模块分别对两种磁路按照相同结构尺寸进行建模分析。
如图2(b)所示,新型磁路顶部的隔磁材料有效的减少了磁力线向空气中漏磁。中间导磁率高的轭铁作用是将永磁体磁力线由水平方向改变成垂直方向并将其引至工作气隙中,同时若无轭铁磁极相对的磁体需要借助很大的外力作用才能保证磁体间安装间隙极小,避免漏磁,安装时先将两块轭铁吸附至中间磁体上,再安装两侧磁体。两侧的导磁铁减少了端部的漏磁,具有聚磁效应,将磁力线引向钢铁壁面,有助于提高单元的磁吸附力。此设计结构采用了内、外磁式相结合的方式[4],充分利用了它们各自的优点。一方面,通过阵列的顶侧的隔磁材料、中间及两侧的轭铁所形成内磁式结构,减少了漏磁的磁通量,高效利用了永磁体的磁力线。另一方面,工作侧的永磁体和钢铁壁面接触作为主要吸附面,形成外磁式结构,增强了有效工作气隙磁通,减少了传统永磁吸附单元所需的磁轭。
对比图2(a)、图2(b)中两种磁路的磁感应强度及磁力线分布。产生的最大磁感应强度传统型的为1.78T,新型的为1.82T。虽然两者相差不大,但是传统型磁路磁力线经过上部的轭铁产生聚磁,因此为避免磁饱和现象其对轭铁的需求较多,而新型的最大磁感应强度主要集中工作间隙内,因此所需轭铁少,减少了磁损,永磁利用率高。对比磁感应强度分布情况。新型磁路在钢铁壁面内产生的磁感应强度比传统型的分布均匀、影响范围深。因此新型磁路更适应由于钢铁表面凹凸不平而引起的工作气隙变化。
2 永磁单元磁吸力计算
按力学原理:一体系在某一方向的力或力矩等于该体系下的能量在这一方向的梯度。对于永磁体来说:体系能量=气隙能量=气隙体积×单位体积的磁能[5],即为:
其中Lg为永磁与导磁壁面的间隙,Sg为气隙面积,Bg为气隙内的磁密,μ0为空气的磁导率。在Lg方向上的力为:
假设工作气隙Lg较小,将永磁吸附单元与壁面之见的气隙分为n等份,根据永磁吸附单元所产生的吸附力公式,可将式(2)改写成[6]:
其中Bi为单个网格内的磁感应强度,S为工作气隙的总面积,α为磁吸单元与壁面的夹角。
根据磁通连续原理和安倍环路定律,考虑磁路中存在漏磁,可求出气隙磁感应强度为[5]:
其中Vm=SmLm为永磁体体积,Vg=SgLg为工作间隙体积。σ为漏磁系数,不同的磁路结构的数值差别很大。f为磁路的磁阻系数(磁势损失系数)一般在1.05~1.45。由式(2)和式(4)可得:
由式(2)可知,空气的磁导率是不变的,气隙中磁感应强度Bg及有效气隙面积Sg对吸附力F具有重要影响。由式(4)可知,影响Bg的主要因素有永磁体体积Vm、间隙体积Vg、漏磁系数σ、磁阻系数f、磁能积(BmHm),它们的值都受结构尺寸的影响。由式(5)可知,吸附力F随磁体体积Vm的增加而增大,随气隙Lg的增大而降低。因此改变永磁体结构参数及工作气隙间隙,可改善吸附力的大小。
3 有限元建模仿真及结构参数优化
3.1 建立有限元模型和定义材料
有限元分析软件ANSYS中的ANSOFT Maxwell模块可进行二维或三维的电磁场分析。本文分析的永磁吸附单元可以认为在z方向上无限延伸,即可将其磁场看做为二维静态磁场进行分析[7]。
建立如图3所示的二维有限元模型,其中永磁体及导磁轭铁的尺寸为T=4mm,A=B=H=10mm,D=4mm。
吸附单元静态磁场分析涉及的材料有永磁体、轭铁、吸附壁面、隔磁材料以及气隙介质。采用Maxwell软件材料库自带的永磁材料钕铁硼牌号为35(Nd Fe B-N35),其磁性能参数如表1所示[8]。仿真过程中永磁材料的相对磁导率μr=1.0997785。
导磁轭铁和工作壁面均采用钢铁(steel-1008),考虑其材料的B-H为非线性的。其磁感应强度随磁场强度的增大迅速上升,随后增速放缓[9]。
工作气隙介质选择空气,μr=1.0。
隔磁材料选择铜,其相对磁导率μr小于1。
3.2 结构参数对吸附力的影响分析
由式(2)和式(4)可知,永磁体的截面积Sm和长度Lm,结构中间和两侧导磁轭铁的截面积都会影响到有效工作磁气隙的截面积Sg,以及气隙Lg的大小,均会对气隙中的磁场强度产生影响,从而影响吸附力的大小。为了研究结构参数对吸附力的影响,取永磁体及导磁轭铁均为10mm×10mm的正方形,两侧轭铁宽4mm,隔磁材料厚度为4mm。
3.2.1 永磁体磁化长度A对吸附力的影响
在ANSOFT Maxwell的二维磁场模型中,取B=H=10mm,D=T=4mm。建立优化扫描参数变量A,其值范围10mm~20mm,等间隔1mm。分析后在结果绘图中查看吸附力随磁化长度A的变化曲线。
如图4所示随着磁化长度的增加吸附力先随之增大后趋于平缓。永磁体体积增大了一倍,磁吸附力由20.05k N增加到25.45k N,只提高了27%,说明永磁体的利用率不高。原因是由于随着磁体长度增大,磁力线主要经过磁导率大的轭铁,穿过气隙、壁面形成闭合回路。在磁体中间部分气隙内的磁感应强度减弱,气隙磁感应强度分布不均匀性增加。同时磁体体积增大磁通量增加,导磁轭铁与壁面间的气隙磁通逐渐接近饱和状态,导致气隙磁感应强度不再增加。当达到16mm~18mm之后时吸附力的增长趋于平缓,此时再增加磁体磁化长度对改善吸附力的作用已经很小了。综合考虑,永磁体磁化长度在满足吸附要求的条件下,不应选择过长。也就是说磁体长度与导磁轭铁长度的比值即A/B应在1.4~1.6的范围内较为合理。
3.2.2 永磁体高度H对吸附力的影响
同理取A=B=10mm,T=D=4mm。新建优化扫描参数变量H,其范围为10mm~25mm,等间隔1mm。在结果绘图中查看吸附力随永磁体高度H的变化曲线。
如图5所示吸附力随着磁体高度的增加而单调增加。高度H由10mm增至20mm永磁体体积增大一倍,吸附力由20.05k N增加至47.03k N,增加了135%。这表明永磁体的利用率提高了。在H<24mm时增速较快,原因是磁体积增大气隙内的磁感应强度随之增大。当H>24mm时,吸附力增值速度减缓,是因为气隙磁通逐渐趋近饱和。综合考虑磁体的高度H与磁体磁化长度A的相对比值不应过大,H约为A的二倍,即取值区间为20mm~24mm时磁吸附力与磁利用率较好。
对比图4和图5中磁化方向长度A和磁体高度H对吸附力的影响,等体积的永磁体磁体高度对吸附力的影响大于磁化长度。例如在其他条件都相同时永磁体H=20mm,A=10mm是H=10mm,A=20mm时吸附力的值的1.9倍。
3.2.3 两侧导磁轭铁厚度T对吸附力的影响
同理取A=H=B=10mm,D=4mm,新建优化扫描参数变量T范围为1mm~7mm,等间隔1mm。在结果绘图中查看吸附力随导磁轭铁厚度T的变化曲线。
如图6所示,随着T的增加,吸附力先上升后基本上保持不变。T为1mm吸附力为18.13k N,T为4mm时吸附力为20.05k N。主要是因为T值过小时,两侧轭铁的磁通量达到磁饱和,经轭铁向外部的漏磁增加,减少了与端部轭铁和气隙构成的磁力线回路,气隙中磁通量减少;随着T的继续增加,漏磁逐渐减少,气隙中磁通量增加,吸附力随之增大。当T>4mm时,磁通量基本不变,T对吸附力的影响减弱。因此两侧轭铁长度T取4mm为宜。
3.2.4 气隙长度Lg对吸附力的影响
由于钢铁壁面存在凹凸不平的情况,吸附单元不能保证始终与壁面的间隙是保持不变的,因此需要测试气隙对吸附力的影响。
如图7所示为新型磁吸单元与传统型磁路气隙长度变化与吸附力关系,气隙Lg取值为1mm~9mm。由图可知,在间隙Lg为1mm时新型磁路的磁吸力比传统型的大一倍。虽然随着气隙的增大两者吸附力之差逐渐减小,但相同间隙情况下新型磁吸单元的吸附力始终远大于传统型。说明工作间隙越小新型磁路吸附力大的优势越明显,且吸附可靠性更高、适应能力强。
4 结论
1)为了提高爬壁机器人的吸附能力,设计的永磁体磁极同名相对的吸附单元,相比同尺寸传统型磁路单元的吸附力有显著提高。
2)运用ANSYS中的ANSOFT Maxwell模块进行仿真分析,得到了水平充磁的方型永磁体,磁体高度方向变化对吸附力影响较大,当永磁体高度H为磁化长度A的二倍,水平磁化长度为轭铁水平长度1.5倍时,其吸附力大永磁利用率高,磁吸附性能好。为设计爬壁机器人的吸附单元提供了依据。
参考文献
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永磁吸附装置 篇2
摘要：针对乙炔变温吸附装置的燃爆事故问题,采用HAZOP方法对该装置进行安全性分析,找出存在的安全隐患,提出整改措施,指出装置发生燃爆事故的可能性;又将该装置可能发生的燃爆事故作为顶上事件,利用FTA方法进行分析,得到了装置发生燃爆事故的可能原因,制定了预防发生燃爆事故的对策.通过将HAZOP和FTA分析方法结合使用,有效地识别出乙炔装置存在的.隐患,降低了装置操作的危险性,预防了燃爆事故的发生,值得推广应用.作 者：姜春明 姜巍巍 李奇 黄贤滨 李俊杰 JIANG Chun-ming JIANG Wei-wei LI Qi HUANG Xian-bin LI Jun-jie 作者单位：中国石油化工股份有限公司青岛安全工程研究院,青岛,266071 期 刊：中国安全科学学报 ISTICPKU Journal：CHINA SAFETY SCIENCE JOURNAL 年，卷(期)：2006, 16(12) 分类号：X928.3 关键词：乙炔 变温吸附 HAZOP(危险与可操作性分析) FTA(故障树分析) 燃爆事故 预防对策★ 改造方案
★ 温铁军简介
★ 温锅日记
★ 学年小结
★ 年终小结
★ 流程改造要注意什么？
★ 城市改造论文经典参考
★ 棚户区改造工作总结
★ 消防改造合同
永磁吸附装置 篇3
现行的在役压力容器检验，大多数还是在设备停止运行时由人工借助无损探伤设备完成。在停机状态对压力容器进行检测，不但会造成企业经济利益上的损失，还给工人带来了繁重的工作量，并且存在不安全因素[1,2]。因此，开发研制满足于钢质壁面的无损检测系统代替人工进行检测工作具有十分重要的现实意义。
压力容器爬壁机器人作为载体，是整个无损检测系统的基础。根据工作过程要求，压力容器爬壁机器人需要具备下五个方面的功能[3,4,5,6]:
行走功能：在平整壁面和一定曲率球面上可以自由爬行，实现最大行走速度至少为5m/min，并可灵活自如地调节行走速度；
吸附功能：能够安全可靠地吸附在钢质壁面上，并防止机器人发生下滑、倾覆危险；
转向功能：在壁面的爬行过程中能够安全可靠的实现灵活的转向；
越障功能：根据钢质壁面焊缝的特点，要求机器人行走时，可以越过壁面5mm～10mm的凸起，主要是指焊缝；
驱动系统：考虑到爬壁机器人的使用灵活性，驱动系统要求质量小、反应快、体积小、力矩大。
1 行走吸附结构的总体设计
根据采用的压力容器爬壁机器人行走吸附机构方案，其机械本体主要包括：主动永磁轮机构、万向永磁轮机构、驱动系统、底盘和电源控制箱。通过机器人的功能要求和永磁轮的结构原理设计了永磁吸附的轮式压力容器爬壁机器人的行走吸附总体结构，如图1所示。
1.同步带轮；2.底盘；3.万向辅助永磁轮；4.设备负载；5.直流伺服电机；6.主动永磁轮；7.蜗轮蜗杆减速机
2 永磁轮机构设计
为保护永磁体，提高永磁轮的强度，将永磁体安装在永磁轮的内部。铝合金同步带轮安装于永磁轮中心，在传动过程中不会出现偏心力矩，传动可以更加平稳，同时使永磁轮机构更加紧凑。尼龙轴承座固定在两侧的轭铁之间，深沟球轴承的外圈与尼龙轴承座配作，轴固定在底盘上，由同步带轮带动永磁轮转动。图2为永磁轮的结构示意图。
3 万向永磁轮机构设计
压力容器爬壁机器人的竖直中轴线上前后各安装一个万向永磁轮，其主要起到辅助作用。在压力容器爬壁机器人的行走及转向过程中，前后万向永磁轮可以稳定机器人本体，保持机器人本体平衡。由于主动永磁轮已经提供了足够的吸附力，普通的万向轮就可以起到应有的辅助作用，但从安全冗余度考虑，把万向轮的行走轮部分按照上文中永磁轮的设计思路设计成小的永磁轮，一方面可以使万向轮时刻贴紧壁面，提高稳定性，另一方面提升抗倾覆性能，提高安全性。图3为万向永磁轮的结构示意图。图4为万向永磁轮三维图。
1.套筒；2.轴承；3.尼龙轴承座；4.永磁体；5.轭铁；6.铝合金带轮
1.轴承；2.套筒；3.轴承座；4.螺钉；5.弹簧挡板；6.压缩弹簧；7.框架；8.螺母；9.主轴；10.铝合金支架；11.永磁体；12.轮轴
1.轮轴；2.弹簧挡板；3.压缩弹簧轴承座；4.螺母；5.主轴；6.铝合金支架；7.带轮
4 驱动系统的设计
爬壁机器人工作环境特殊，其驱动系统要求反应快、力矩大、体积小、重量轻。其中图5为爬壁机器人的驱动系统框图，图6为驱动系统结构图。
直流伺服电机性能可靠，体积小，力矩大，符合爬壁机器人的要求。减速机选用铝合金蜗轮蜗杆减速机，其具有较大的减速比，并可利用其自锁特性使爬壁机器人达到制动的目的。
1.直流伺服电机；2.蜗轮蜗杆减速机；3.同步齿形带(轮)；4.底盘；5.压紧装置
直流电机和减速机的选型依据以下参数：
1）机器人总质量M=30kg（满负荷）；
2）机器人行走速度V=5m/min;
3）永磁轮直径D=0.094m。
每个永磁轮的输出转矩为：
其中，k0为安全系数，k0=1.5。
每个永磁轮的输入功率为：
每台直流电机的额定功率为：
其中，η1为蜗轮蜗杆减速机效率，η2为同步带传动效率，η1=0.45,η2=0.98。
求解以上公式可得：
根据上述计算结果，本课题选择配有铝合金涡轮蜗杆减速机的意大利BERNIO微型直流减速电机MVSF752 26 1/40，其性能参数如表1所示。
弧形齿同步带按齿形和齿距的大小可分为3M、5M、8M、14M和20M共五种型号，其选择是依据同步带的转速n和传递功率P，其选型图如图7所示。
压力容器爬壁机器人主动轮的转速为：
直流电机的功率P=80W，根据选型图选择5M的同步齿形带（轮），具体型号如表2所示。
5 底盘设计
底盘的设计既要遵循结构简单、质量轻的原则，又要满足强度和刚度的要求。根据设计需要，选用厚度为4mm的硬铝LY12作为底盘材料。该合金的特点是：强度大且便于加工，质量轻，有一定的耐热性，可用作150℃以下的工作零件。
底盘由一整块铝板经钣金折弯焊接成型，如图8所示，底盘的尺寸为335×312×50，重量为0.964kg，样机的试验证明，底盘设计合理，工作性能良好。
6 压力容器爬壁机器人三维建模
从上述设计中可以看出壁面检测爬行机器人机械本体结构较为复杂，为了快速准确地建立其模型，并方便日后的修改和计算，利用SolidWorks软件强大的产品设计功能建立检测机器人的三维实体模型。其模型的建立为壁面检测爬行机器人进行基于ANSYS软件的结构静力学分析和基于ADAMS的动力学仿真奠定了基础。
对压力容器爬壁机器人机构进行分解，明确各个零部件的装配关系和建模顺序，对各零部件进行结构分析，研究它们的成形特征。在SolidWorks中，利用SolidWorks的零件设计功能，根据实际设计尺寸，用各种成形特征组合成零部件，建立了压力容器爬壁机器人的整体装配模型。得到机器人结构紧凑、重量轻，移动灵活、安全可靠，符合设计要求。其中图9为机器人三维图。
7 结束语
本文提出了一种基于永磁吸附的轮式压力容器爬壁机器人本体设计方案，重点研究了磁路的设计与分析以及磁场的仿真，并以此为依据，设计出了永磁轮机构。压力容器爬壁机器人机构本体主要包括永磁轮机构和驱动系统。在文中分别对各个机构的设计过程进行了分析和说明。最后利用SolidWorks软件建立了压力容器爬壁机器人的整体装配模型，得出设计的机器人结构紧凑、重量轻，移动灵活、安全可靠，符合设计要求。
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