风电塔筒维护机器人的制作方法

本实用新型涉及一种风力发电机塔筒外壁维护施工装置，特别涉及一种用于风电塔筒外壁清洁、检修、维护和涂装等作业施工的爬升机械设备。

背景技术：

风能是一种可再生的清洁能源，具有取之不尽、用之不竭的优势。发展风能发电对减少传统石化能源的依赖，优化能源结构，实现社会可持续发展具有重要的意义，大力发展风能等清洁能源是世界各国的战略选择。

风电塔筒在风力发电机组中主要起支撑作用，同时吸收机组震动，在风力发电设备中起着举足轻重的作用。风电塔筒往往处于较为恶劣的使用环境下，尤其是海上风电塔筒又处于严重腐蚀环境氛围中，不仅受到风吹、日晒、雨淋，更受到潮湿盐雾的侵蚀，很容易导致钢质塔筒外壁防腐涂层破坏，油漆脱落，筒体锈蚀，加之涂层使用寿命超限会产生涂层粉化、脱落、起泡和松动等现象而加速筒体金属的锈蚀。同时塔筒连接部位的紧固件也有一定的作用时效，使用一定时间后必须予以维修更换。因此，必须对风电塔筒局部锈蚀部位进行喷射处理，以完全去除锈蚀部位的氧化锈蚀层和旧涂层露出的金属母材，再以动力砂轮对处理部位边缘打磨后，进行底漆、中涂漆及面漆施工作业，而达到原始的设计厚度要求。这一施工过程不仅劳动强度大，作业难度高，而且时有人身安全事故的发生，尤其是随着大型风电建设速度的加快，风电塔筒的高度均超过100米，甚至达到150米，更增加了作业难度和操作安全风险。

现有的塔筒维护保养不外乎两种做法，一种是借助大型起重机提升吊笼，施工人员在笼内进行操作，这种施工方法局限性十分明显，只能适用于陆上较低高度塔筒的维护保养，而对大量存在的海上风电则完全不适用，并且使用成本高，工作效率低。另一种则是对大型风电塔筒和海上风电塔筒的维护保养较为普遍的做法，该维护保养做法是作业人员通过机舱上的绳索被逐渐下放，作业人员悬吊在塔筒附近的空中进行作业，由于塔筒高度均达到百米，加之作业地点空中风速较高，不仅增加施工作业难度，劳动强度，施工效率低，而且对作业人员的心理素质和技术水平均有较高的要求。

随着我国风电装机数量的快速增加，且现有在用风电塔筒都逐步进入维护保养期，风电塔筒的维护保养设施的市场需求量将变得越来越大，而传统的维护作业设施难以满足施工高效、作业安全的使用要求，因此需要开发一种施工效率高，使用安全可靠，操作人员舒适方便的维护机器人，以代替传统的作业方法和作业设备。

技术实现要素：

针对现有技术所存在的上述不足，本实用新型所要解决的技术问题是提供一种风电塔筒维护机器人，不仅作业舒适安全、施工效率高，而且结构合理、操作方便。

为了解决上述技术问题，本实用新型的风电塔筒维护机器人，该爬升机器人包括塔筒上抱圈和塔筒下抱圈，该塔筒上抱圈和塔筒下抱圈分别包括有数量相等的上抱筒板和下抱筒板；上抱筒板由若干上抱筒板单元相互铰连而成，在塔筒上抱圈的任一上抱筒板上安装有上卷扬机，上卷扬机的钢索通过上钢索导引器缠绕于上抱筒板的外侧，上钢索导引器固定安装于上抱筒板；下抱筒板也由若干下抱筒板单元相互铰连而成，在塔筒下抱圈的任一下抱筒板上安装有下卷扬机，下卷扬机的钢索通过下钢索导引器缠绕于下抱筒板的外侧，下钢索导引器固定安装于下抱筒板上；在位置相互对应的上抱筒板和下抱筒板之间支承有爬升驱动装置，在上抱筒板上安装有上撑离器，在下抱筒板上安装有下撑离器；在上抱筒板和下抱筒板上安装有托承撑架，该托承撑架的托承横杆铰支于上抱筒板上，与上抱筒板相对应的下抱筒板上铰支有斜撑杆，该斜撑杆通过斜撑器铰连于所述托承横杆上，托承横杆通过托承连接座安装有维护台架；维护台架包括台架上框架和台架下框架，台架上框架和台架下框架通过连接撑杆相互固定连接；在台架上框架上移动支承有维护移动车，台架下框架上安装有台架踏板；所述维护移动车包括周向移动架，周向移动架上转动支承有周向滚轮，该周向滚轮滚动支承于维护台架的台架上框架上，周向滚轮由周向驱动装置驱动，在周向移动架上滑动支承有径向移动架，径向移动架由径向驱动装置驱动，在径向移动架上固定连接有竖向移动架，竖向移动架上滑动支承有竖向滑板，竖向滑板由竖向驱动装置驱动；所述周向驱动装置、径向驱动装置及竖向驱动装置均为伺服电机或步进电机，该周向驱动装置、径向驱动装置及竖向驱动装置均与机器人控制器相电连接。

本实用新型的风电塔筒维护机器人，与现有技术相比具有如下优势和有益效果。

首先，由于本实用新型的塔筒上抱圈和塔筒下抱圈分别由若干数量相等的上抱筒板和下抱筒板而组成，相互分隔的上抱筒板和下抱筒板可以围成不同抱围直径的塔筒上抱圈和塔筒下抱圈，这就使得塔筒上抱圈和塔筒下抱圈能很好地形成对下大上小的圆锥形塔筒进行抱围而固定于塔筒筒身上，这种结构也能适应不同尺寸大小的塔筒抱围使用要求。

第二，由于在塔筒上抱圈和塔筒下抱圈的一抱筒板单元上均安装有卷扬机，卷扬机钢索通过对应的钢索导引器缠绕于抱筒板外侧，形成了一种捆绑结构；当卷扬机收紧其上的钢索时就可以将对应塔筒抱圈的抱筒板牢牢地捆绑风电塔筒，形成牢固的作业支点，承载能力强，使用安全；而当卷扬机放松其上的钢索时，塔筒抱圈将从塔筒上分离而可以沿塔筒筒面上下移动；使得塔筒抱圈在塔筒上的收紧和放松自如方便，抱围牢固。

第三，由于在上抱筒板和下抱筒板之间支承有爬升装置，这样就可以交替地以塔筒上抱圈和塔筒下抱圈为支点，在爬升装置的作用下，沿塔筒壁实现步履式爬升或下降动作。当塔筒下抱圈上的卷扬机收起其钢索而将塔筒下抱圈捆绑于塔筒上时，塔筒上抱圈钢索松开，爬升装置以塔筒下抱圈为支点将塔筒上抱圈向升上举起，从而完成一步爬升，不断地重复该过程就可完成整个塔筒的全程爬升，反之则可以实现塔筒抱圈的一步步下降。

第四，由于构成塔筒上抱圈和塔筒下抱圈的上下抱筒板均是由若干抱筒板单元铰连而成的，若干抱筒板单元沿竖直方向相互铰连而成的抱筒板，可以很好地与塔筒不同部位的筒径相吻合，以产生足够可靠的抱合接触面积，形成稳定牢固的接触摩擦力，具有抱合可靠的优点。

第五，由于在上抱筒板和下抱筒板上均安装有对应的撑离器，撑离器的作用在于当对应的抱筒板卷扬机钢索松开时，抱筒板在撑离器的作用下，从塔筒筒身上撑离，以在抱筒板和塔身之间形成移动间隙，以便塔筒抱圈和抱筒板能够沿塔身上下移动，实现步履爬升。

第六，由于在每一对上抱筒板和下抱筒板之间安装有托承撑架，该托承撑架的托承横杆铰支于上抱筒板上，托承横杆的外伸端还铰连有斜撑杆和斜撑器，该斜撑杆又与下抱筒板相铰连，而在托承横杆安装有维护台架。这样就在相互对应的上抱筒板和下抱筒板之间通过托承横杆支撑起维护台架，该维护台架既可以供作业人员在其上进行操作施工和行走，也可以在维护台架上放置相应的喷砂、油漆等相应的维护保养设备，其上的斜撑杆和斜撑器不仅增加了托承横杆的承载能力，使其结构稳定，而且可以通过斜撑器的伸缩动作配合上、下抱筒板的升降步履动作。

第七，由于在维护台架的台架框架上移动支承有维护移动车，该维护移动车包括周向移动架，周向移动架使得维护移动车能围绕塔筒筒身作环绕运行，而在周向移动架上又滑动支承有径向移动架，与径向移动架固连的竖向移动架上滑动支承有竖向滑板，竖向滑板用于安装塔筒维护作业设备，可以在竖向移动架和径向移动架实现沿塔筒的径向移动和竖向移动，不仅方便了维护设备的运行与操作，大大减轻的劳动强度，而且便于实现维护作业的自动化作业，具有施工效率高，作业舒适安全的优势。

第八，由于周向驱动装置、径向驱动装置和竖向驱动装置，以及控制爬升装置和斜撑器的控制装置又与机器人控制器相连接，包括有plc可编程控制器的机器人控制器可以根据程序设定或运行即时信息对执行装置进行自动控制，或者进行智能控制高效进行，使得本实用新型的风电塔筒维护机器人既可以接受操作者的指挥，又可以运行预先编排的程序，还可以根据人工智能技术进行作业。

本实用新型的风电塔筒维护机器人具有结构合理紧凑，运行安全可靠、操作方便的优点，不仅大大减轻了操作人员的劳动强度，提高了生产效率，而且使用安全、操作方便舒适。

本实用新型的进一步实施方式，所述上撑离器和下撑离器采用相同结构，该上撑离器包括撑离滚轮，该撑离滚轮转动支承于滚轮支腿上，滚轮支腿活动安装于撑离器座上，在滚轮支腿与撑离器座之间支承有撑离弹簧。结构简单，撑离力稳定，能可靠地将抱筒板从塔身上撑离而实现爬升。

本实用新型的进一步实施方式，所述上钢索导引器和下钢索导引器采用相同结构，该上钢索导引器包括钢索导轮，钢索导轮通过导轮销轴转动支承于销轴座上，该销轴座固定连于上抱筒板上。结构合理，便于制作安装，有利于引导钢索的收紧或放松。

本实用新型的优选实施方式，所述上抱筒板上安装有两台上卷扬机，每一台上卷扬机的钢索通过上钢索导引器缠绕于上抱筒板上；所述下抱筒板上安装有两台下卷扬机，每一台下卷扬机的钢索均通过下钢索导引器缠绕于下抱筒板上。抱筒板上安装有两台卷扬机和两根钢索，能够可靠将抱筒板捆牢于塔筒筒身上。

本实用新型的优选实施方式，所述斜撑器为液压缸或气缸。相互对应的上抱筒板和下抱筒板之间支承有两个爬升驱动装置，该爬升驱动装置为液压缸或气缸。结构简单，动作可靠，运行稳定。

本实用新型的优选实施方式，所述周向移动架上转动支承有两根周向滚轮轴，周向滚轮轴上固定安装有周向滚轮，周向驱动装置与周向滚轮轴相互传动连接，两根周向滚轮轴还通过滚轮轴传动副相互传动连接。所述滚轮轴传动副为齿形带传动副。该结构保证了维护移动车在维护台架沿周向稳定运行。

本实用新型的优选实施方式，所述径向移动架上安装有径向驱动齿条，在周向移动架上安装有径向驱动装置，该径向驱动装置输出轴上的输出齿轮与径向驱动齿条相啮合。在竖向移动架与竖向滑板之间设置有竖向滑动导轨，所述竖向移动架上安装有竖向驱动齿条，所述竖向滑板上安装有竖向驱动装置，该竖向驱动装置输出轴上的输出齿轮与竖向驱动齿条相啮合。可靠地实现了径向和竖向的运行作业。

附图说明

下面结合附图和具体实施方式对本实用新型风电塔筒维护机器人作进一步详细说明。

图1是本实用新型风电塔筒维护机器人一种具体实施方式的立体结构示意图；

图2是图1所示实施方式的安装使用结构示意图；

图3是图1所示实施方式中塔筒上抱圈和塔筒下抱圈相对的抱筒板单元的结构示意图；

图4是图3所示抱筒板单元的外侧立体结构示意图；

图5是图3所示抱筒板单元的内侧立侧结构示意图；

图6是图1所示实施方式中的钢索导引器的立体结构示意图；

图7是图1所示实施方式中的撑离器的立体示意图；

图8是图1所示实施方式中维护台架和维护移动车的装配结构示意图；

图9是图1所示实施方式中维护移动车一方向的立体结构示意图；

图10是图1所示实施方式中维护移动车另一方向的立体结构示意图；

图11是图1所示实施方式中维护移动车又一方向的立体结构示意图。

图中，1—上抱筒板，

11—左上抱筒板，12—中上抱筒板，13—右上抱筒板，

14—上撑离器，141—撑离滚轮，142—滚轮支腿，143—弹簧套筒，144—撑离弹簧，145—锁定螺母，146—撑离器座，

15—上钢索导引器，15—上钢索导引器，151—钢索导轮，152—导轮销轴，153—销轴座，154—导引器支座，

16—上抱筒板铰链，17—上衬板；

2—下抱筒板，21—左下抱筒板，22—中下抱筒板，23—右下抱筒板，24—下撑离板，25—下钢索导引器，26—下抱筒板铰链，27—下衬板；

3—维护台架，31—台架上框架，32—台架连接撑杆，33—台架下框架，34—台架踏板；

4—维护移动车，401—径向移动架，402—径向驱动装置，403—径向移动架滑动支座，404—径向驱动齿条，405—周向移动架，406—滚轮支座，407—周向滚轮，408—周向滚轮轴，409—周向导轮，410—滚轮轴传动副，411—周向驱动装置，412—竖向驱动齿条，413—竖向驱动装置，414—竖向滑板，415—竖向移动架，416—竖向滑动导轨；

5—上卷扬机；

6—托承撑架，61—托承横杆，62—托承连接座，63—斜撑杆，64—斜撑器，65—撑架上支座，66—撑架下支座；

7—下卷扬机；8—爬升驱动装置；9—钢索；10—风机塔筒。

具体实施方式

如图1、图2所示的风电塔筒维护机器人，该爬升机器人包括围抱于风电塔筒10上的塔筒上抱圈和塔筒下抱圈。塔筒上抱圈和塔筒下抱圈分别包括有六块上抱筒板1和下抱筒板2，位于同一高度的六块上抱筒板1沿风机塔筒同一周向围成塔筒上抱圈，位于另一高度的六块下抱筒板2沿风机塔筒另一周向围成塔筒下抱圈。

在塔筒上抱圈的一上抱筒板1上安装有两台上卷扬机5，在构成塔筒上抱圈的六块上抱筒板1上均安装有上钢索导引器15，上卷扬机5对应的钢索9通过上抱筒板1的上钢索导引器15缠绕于各块上抱筒板1的外侧，每台上卷扬机5的钢索在六块上抱筒板1上缠绕4道，同样另一台上卷扬机5的钢索在六块上抱筒板1上也缠绕4道。在塔筒下抱圈的一下抱筒板2上安装有两台下卷扬机7，在构成塔筒下抱圈的六块下抱筒板2上安装有下钢索导引器25，下卷扬机7对应的钢索9通过下抱筒板2的下钢索导引器25缠绕于各下抱筒板的外侧，每台下卷扬机7的钢索9在六块下抱筒板2上缠绕4道。

在位置相对的上抱筒板1和下抱筒板2之间均支承有爬升驱动装置8。在每块上抱筒板1的上下两侧均安装有上撑离器14，在每块下抱筒板2的上下两侧均安装有下撑离器24。

在每一相互对应的上抱筒板1和下抱筒板2上安装有托承支撑架6，托承撑架6的托承横杆61上通过托承连接座62安装有维护台架3，在维护台架3上移动设置有维护移动车4。

如图3所示，相互对应的上抱筒板1和下抱筒2之间支撑有两根爬升驱动装置8，该爬升驱动装置8为液压缸，也可以是气动缸。爬升驱动装置8的液压缸活塞杆端通过对应的铰支座连接于上抱筒板1上，液压缸的缸体通过对应的铰支座安装于下抱筒板2上。在该上抱筒板1安装有两台上卷扬机5，在每一台上卷扬机5对应的周向均布地安装有若干上钢索导引器15。在下抱筒板2上安装有两台下卷扬机7，在每一台下卷扬机7对应的周向均布地安装有若干下钢索导引器25。在上抱筒板1铰支有托承横杆61，在下抱筒板2上铰支斜撑杆63。

如图4、图5所示，上抱筒板1包括有三块抱筒板单元，该三块抱筒板单元分别为左上抱筒板11、中上抱筒板12和右上抱筒板13，中上抱筒板12的左右两侧分别通过上抱筒板铰链16铰链有左上抱筒板11和右上抱筒板13。下抱筒板2也包括三块抱筒板单元，该三块抱筒板单元分别为左下抱筒板21、中下抱筒板22和右下抱筒板23，中下抱筒板22的左右两侧分别通过下抱筒板铰链26铰连有左下抱筒板21、中下抱板22和右下抱筒板23。抱筒板采用分体式铰连结构有利于在不同塔身高度对风机塔筒10进行很好的抱合接触。

在上抱筒板1的中上抱筒板12上通过撑架上支座65铰支有托承横杆61，在托承横杆61上连接有托承连接座62，在下抱筒板2的中下抱筒板22上通过撑架下支座66铰支有斜撑杆63，斜撑杆63通过斜撑器64铰连于托承横杆61上，斜撑器64为气缸，该斜撑器气缸的缸体固定安装于斜撑杆63的外端，斜撑器气缸的活塞杆铰链于托承横杆61上。托承横杆61、斜撑杆63和斜撑器64构成托承撑架6。

在上抱筒板1的内侧面（面对风机塔筒的板面）沿塔筒周向设置有若干条上衬板17，在下抱筒板2的内侧面沿塔筒周向也设置有若干条下衬板27。上衬板17和下衬板27由橡胶板制成，也可以是相应的非金属塑料材料，以便增加抱筒板与塔筒筒身间的抱合摩擦力。

如图6所示的上钢索导引器15，该上钢索导引器15包括有4个可同轴转动的钢索导轮151，钢索导轮151转动支承于导轮销轴152上，导轮销轴152支承于销轴座153上，销轴座153通过连接螺栓固定连接于导引器支座154上，导引器支座154则固定安装于上抱筒板1上。下钢索导引器25和上钢索导引器15采用相同的结构形式。

如图7所示的上撑离器14，该上撑离器14包括撑离滚轮141，使用时撑离滚轮141支承于电机塔筒10的筒体上。撑离滚轮141采用尼龙滚轮，撑离滚轮141通过销轴转动支承于滚轮支腿142上，滚轮支腿142活动地套装于弹簧筒143内，弹簧套筒143固定安装于撑离器座146上，在滚轮支腿142和弹簧筒143之间支承有撑离弹簧144，滚轮支腿142的螺杆外伸端旋接有锁定螺母145，以控制滚轮支腿142与弹簧套筒143和撑离器座146间的移动范围，撑离器座146固定连接于上抱筒板1上。下撑离器24和上撑离器14采用相同的结构形式。

如图8所示的维护台架，该维护台架3包括台架上框架31和台架下框架32，台架上框架31和台架下框架32均由两根环形圆管而构成，在台架上框架31和台架下框架32相互对应的内环管和外环管之间连接有竖向的台架连接撑杆32，台架下框架33的内环管和外环管通过托承连接座62连接于托承横杆62上。在台架下框架33的内外环管上安装有台架踏板34，以便作业人员站立或行走。在台架上框架31上移动支承有三组维护移动车4.

如图9、图10及图11所示，维护移动车4包括周向移动架405，周向移动架405上沿维护台架3的径向布置的两根周向滚轮轴408，周向滚轮轴408通过其两端的滚轮支座406转动支承于周向移动架405上。两根周向滚轮轴408的同端之间传动连接有滚轮轴传动副410，该滚轮轴传动副410为齿形带传动副。每根周向滚轮轴408上固定安装有两只周向滚轮407，该两只周向滚轮407分别滚动支承于台架上框架31的内环管和外环管上。在周向移动架405上还转动地安装有周向导轮409，台架上框架31的内环管和外环管两侧均卡接有可转动的周向导轮409，周向导轮409的转轴与周向滚轮407的转轴相垂直。周向驱动装置411通过周向滚轮轴408驱动周向滚轮407在台架上框架31上滚动，周向滚动装置411为伺服电机，也可为步进电机。

在周向移动架405上滑动支承有径向移动架401，周向移动架405上固定安装有径向移动架滑动支座403，径向移动架401滑动支承于径向移动架滑动支座403上。在径向移动架401上固定安装有径向驱动齿条404，周向移动架405上安装有径向驱动装置402，该径向驱动装置402为伺服电机或步进电机。在径向驱动装置402的输出轴上安装有输出齿轮，该输出齿轮与径向驱动齿条404相啮合，径向驱动装置402通过该相互啮合的齿轮齿条驱动径向移动架401在周向移动架405上沿径向进行滑动，以接近或背移塔筒筒身。

在径向移动架401的内端固定设置有竖向移动架415，竖向移动架415通过两根竖向滑动导轨416滑动支承有两块可竖向滑移的竖向滑板414，竖向滑动导轨416采用常见的滑轨结构。在竖向移动架415的左、右侧均安装有竖向驱动齿条412，每块竖向滑板414上均安装有竖向驱动装置413，竖向驱动装置413为伺服电机或步进电机。竖向驱动装置413的输出轴上的输出齿轮与对应的竖向驱动齿条412相齿条412相啮合。竖向滑板414上的竖向驱动装置413通过与之对应的齿轮齿条副驱动竖向滑板414沿竖向滑动导轮416在竖向移动架415上作上下滑移运动。以便安装于滑板上的喷砂喷漆装置对塔身进行施工作业。

周向驱动装置411、径向驱动装置402和竖向驱动装置413均与机器人控制器相电连接。机器人控制器的主体元件为plc可偏程控制器，plc通过采集各个施工作业信号及设定的程序对塔身进行自动化作业。