风力发电机组塔筒在线探伤装置的制作方法

本发明针对的是解决大中型风力发电机组塔筒检测的可靠性、安全性、即时性及高效性的装置，将检测技术与运动机械技术及远程控制技术进行了创新的融合。但主要技术领域仍属于检测探伤的一种类型。

背景技术：

目前大中型风力发电机组的维护检修主要分为经常性维护、特殊维护和定期维护。

经常性维护通常随巡回检查进行，包括检查、清理、调整、注油及临时故障的排除。特殊维护在发现机组存在重大安全隐患或主要部件发生损坏的情况下进行。此类维护技术复杂、工作量大、工期长、耗用器材多、费用高或者需对系统设备做出重大调整。

定期维护也称定期检修。维护检修周期分为半年、一年、三年、五年。不同的周期有不同的检修内容。但主要包括以下内容：1.定期的检查、紧固、测量、润滑、测试、清扫工作；2.消除设备和系统的缺陷；3.更换已到期的易耗部件。定期维护工作必须严格执行设备维护标准，准确及时的设备维护有利于保持提高设备的可靠性，减少设备故障率，延长设备的使用寿命。

虽然大中型发电机组的自动化水平很高，完全可以在无人职守的情况下正常工作。然而风力发电系统往往安装在偏僻的、难以接近的或者气候不适合人类长期逗留的地域。传统的探伤检验手段不能满足要求，为保证风力发电系统可靠稳定运行，降低系统的维护成本，对其进行准确详实的状态监测与故障诊断是十分必要的。目前国内的风力发电企业依旧通过人工攀爬及小型攀爬机器人实现塔筒的探伤。人员攀爬检测主要通过安全绳或大型吊运设备手持探伤仪实现检测，检测难度大风险高，工程技术人员的生命安全无法得到全面高效的保障，此外由于是人工检测其效率和精度都难以保障，且受天气的客观因素影响较大，对于那些建立在山上、海中及十分复杂区域内的风电机组更是难以实现检测。小型的攀爬机器人检测只能实现某一点或者某一区域的简单检测，虽然解决了人员的安全问题，但是依然效率很低，发现微小损伤无法立即处理，重大损伤不能准确标记识别，难以和工程技术人员实现在线互动，实时交流。受环境及工程技术人员水平限制，探伤质量难以保证。

技术实现要素：

发明目的：本发明提供一种风力发电机组塔筒在线探伤装置,其目的是解决以往所存在的问题。

技术方案：

一种风力发电机组塔筒在线探伤装置,其特征在于：该装置包括电磁垂直爬升机械人、周向运动及周向调整机器人和探伤检测仪, 电磁垂直爬升机械人连接周向运动及周向调整机器人, 周向运动及周向调整机器人连接探伤检测仪。

探伤检测仪为多个，并沿被测物的周向布置，相邻的两个探伤检测仪之间连接一个周向运动及周向调整机器人。

探伤检测仪与周向运动及周向调整机器人之间通过弧形齿条连接。

电磁垂直爬升机械人通过连接架连接周向运动及周向调整机器人，连接架上设置有检测周向运动及周向调整机器人位置的位置检测器。

连接架为内侧带有垫板的C形结构，使用时垫板贴在被测物表面。

电磁垂直爬升机械人为履带式电磁吸附机器人，其主要由电磁履带、步进电机及机身组成；电磁履带设置在机身的两侧，步进电机为两个，两个步进电机设置在机身上并分别与机身两侧的电磁履带内的驱动轮连接。

履带的每个关节是由电磁铁构成,每个电磁铁对应一对电刷，每对电刷上有一对接线柱，接线柱分别与电源的正负极相连，与电刷相对应的是每对关节，即电磁铁上的铁片，当铁片和电刷相连接的时候，形成通路。

周向运动及周向调整机器人为横向布置的履带式电磁吸附机器人, 由电磁拨叉控制的滑移齿轮进而控制步进电机与调整齿轮的联动或者步进电机与电磁履带的连接情况，从而实现在不同情况下的分别控制；

周向运动及周向调整机器人包括电磁履带、步进电机及机身, 电磁履带设置在机身的两侧，电磁履带的驱动轮之间连接有驱动轴，驱动轴设置一个或多个，步进电机设置在机身上并与驱动轴连接驱动，调整齿轮设置在驱动轴上，调整齿轮与驱动轴之间能相对转动，机身两侧的电磁履带的两个连接轴与驱动轴之间通过离合结构实现分离和连接的活动连接方式，两个连接轴分别为第一连接轴和第二连接轴，该离合结构分为两种形式：

第一种形式：驱动轴的一端设置有啮合齿，靠近驱动轴的另一端的位置套有调整齿轮和滑移齿轮，滑移齿轮设置在调整齿轮和第二连接轴之间，滑移齿轮能沿驱动轴轴向移动，滑移齿轮与驱动轴之间径向固定，滑移齿轮的两侧均设置有齿，调整齿轮和第二连接轴朝向滑移齿轮的一侧均设置有能与滑移齿轮的齿啮合的啮合齿，驱动轴的设置有啮合齿的一端对应第一连接轴，该第一连接轴上套有另一个滑移齿轮，该另一个滑移齿轮能沿第一连接轴轴向移动，且该另一个滑移齿轮与第一连接轴之间径向固定,该另一个滑移齿轮朝向驱动轴的一侧设置有与驱动轴的啮合齿啮合的齿；当驱动轴上的滑移齿轮与调整齿轮啮合时，滑移齿轮与第二连接轴脱啮合，且另一个滑移齿轮也与驱动轴脱啮合，此时，驱动轴上的滑移齿轮带动调整齿轮旋转，当驱动轴上的滑移齿轮移向第二连接轴且与第二连接轴啮合时，另一个滑移齿轮移向驱动轴的啮合齿且与驱动轴啮合，此时，驱动轴上的滑移齿轮与调整齿轮脱啮合，驱动轴带动两个连接轴动作；

离合结构的第二种形式：在驱动轴的靠近两端的位置各设置有一个只能相对于驱动轴轴向移动的滑移齿轮，调整齿轮设置在两个滑移齿轮之间且靠近其中的一个滑移齿轮，两个连接轴朝向滑移齿轮的一侧均设置有啮合齿，而滑移齿轮上设置有能与两个连接轴的啮合齿啮合的齿，其中一个滑移齿轮上的齿为两侧设置，即其中一侧的齿能与连接轴上的齿啮合，而另一侧的齿能与调整齿轮上的齿啮合，当滑移齿轮与两个连接轴脱啮合且其中的一个滑移齿轮与调整齿轮啮合时，驱动轴带动调整齿轮转动，当两个滑移齿轮向两侧移动且与两个连接轴啮合时，原来与调整齿轮啮合的滑移齿轮与调整齿轮脱啮合，此时，驱动轴带动两个连接轴动作；

调整齿轮与弧形齿条啮合，通过调整齿轮的旋转实现弧形齿条的收紧与放松的控制，弧形齿条连接超声波探伤检测仪的拉力传感器上。

周向运动及周向调整机器人设置在连接架的C形结构内，周向运动及周向调整机器人的电磁履带压在连接架的垫板上。

探伤检测仪包括超声波检测探头、摄像机探头、喷漆装置和损伤标记装置；超声波检测探头、摄像机探头、喷漆装置和损伤标记装置设置在检测仪支架上，检测仪支架通过可伸缩的支撑腿设置在被测物的外表面。

优点效果：一种风力发电机组塔筒在线探伤装置, 本发明采用的是环绕式检测方式，由于风电塔筒的表面积巨大，且呈圆台状，半径变化幅度较大。常规的检测手段很难满足高效、快捷、全覆盖的检测要求，所以环绕式检测方式最为适合塔筒的检测。为了适应不同的塔筒尺寸，本发明将环绕式检测装置进行了模块化处理，这样就可以通过增减模块数量以适应各种尺寸的塔身。通过将传统的检测技术与运动机械技术相融合，实现对于塔筒高效、快速的探伤检测。

本发明还特别设计了微小损伤处理装置及重大损伤标记装置，有效的处理了上述问题，此外本发明还设置无线传输装置，实现了探伤设备和工程技术人员实现实时互动、信息交流及实时控制等技术突破。填补了国内此技术领域的空白。

附图说明：

图1为检测实施图；

图2为图1的横截面剖视图；

图3为整体结构示意图；

图4为电磁垂直爬升机械人结构示意图；

图5为图4的仰视图；

图6为图5的侧视图；

图7为连接架的架构示意图；

图8为图7的侧视图；

图9为图7的仰视图；

图10为周向运动及周向调整机器人结构示意图；

图11为图10的仰视图；

图12为图11的侧视图；

图13为弧形齿条的结构示意图；

图14为探伤检测仪的结构示意图；

图15为图14的仰视图；

图16为图15的侧视图；

图17为信息及控制流程图；

图18为周向运动及周向调整机器人与弧形齿条的连接情况示意图；

图19为离合结构的原理图。

具体实施方式：

本发明提供一种风力发电机组塔筒在线探伤装置,该装置包括电磁垂直爬升机械人1、周向运动及周向调整机器人2和探伤检测仪4, 电磁垂直爬升机械人1连接周向运动及周向调整机器人2, 周向运动及周向调整机器人2连接探伤检测仪4。

探伤检测仪4为多个，并沿被测物的周向布置，相邻的两个探伤检测仪4之间连接一个周向运动及周向调整机器人2。

探伤检测仪4与周向运动及周向调整机器人2之间通过弧形齿条5连接。

电磁垂直爬升机械人1通过连接架6连接周向运动及周向调整机器人2，连接架6上设置有检测周向运动及周向调整机器人2位置的位置检测器。

连接架6为内侧带有垫板12的C形结构，使用时垫板12贴在被测物表面。

电磁垂直爬升机械人1为履带式电磁吸附机器人，其主要由电磁履带7、步进电机8及机身组成；电磁履带7设置在机身的两侧，步进电机8为两个，两个步进电机8设置在机身上并分别与机身两侧的电磁履带7内的驱动轮连接。

履带的每个关节是由电磁铁构成,每个电磁铁对应一对电刷，每对电刷上有一对接线柱，接线柱分别与电源的正负极相连，与电刷相对应的是每对关节，即电磁铁上的铁片，当铁片和电刷相连接的时候，形成通路。传统的电磁履带主要由电器元件控制，本申请改进后主要由机械部件的连接与否自动完成接电控制，提高了控制的可靠性和经济性。

周向运动及周向调整机器人2为横向布置的履带式电磁吸附机器人, 由电磁拨叉21控制的滑移齿轮进而控制步进电机与调整齿轮11的联动或者步进电机与电磁履带的连接情况，从而实现在不同情况下的分别控制；周向运动机器人主要具有两种功能，一种是实现周向调整，另一种是实现周向运动。两种功能是通过电磁拨叉调整滑移齿轮的位置实现功能切换的。在周向调整阶段，滑移齿轮与调整齿轮啮合，与电磁履带轴脱啮合，从而使步进电机只带动调整齿轮。在周向运动阶段，滑移齿轮与电磁履带轴啮合，与调整齿轮脱啮合，从而使步进电机只带动电磁履带。从而使两种功能由同一个步进电机提供动力而互不干扰。

周向运动及周向调整机器人2包括电磁履带、步进电机及机身, 电磁履带设置在机身的两侧，电磁履带的驱动轮之间连接有驱动轴9，驱动轴9 设置一个或多个，步进电机设置在机身上并与驱动轴9连接驱动，调整齿轮11设置在驱动轴9上，调整齿轮11与驱动轴9之间能相对转动，机身两侧的电磁履带的两个连接轴A、B与驱动轴9之间通过离合结构实现分离和连接的活动连接方式，两个连接轴A、B分别为第一连接轴A和第二连接轴B，该离合结构分为两种形式：

第一种形式：驱动轴9的一端设置有啮合齿，靠近驱动轴9的另一端的位置套有调整齿轮11和滑移齿轮20，滑移齿轮20设置在调整齿轮11和第二连接轴B之间，滑移齿轮20 能沿驱动轴9轴向移动，滑移齿轮20与驱动轴9之间径向固定，即不能相对旋转，滑移齿轮20的两侧均设置有齿，调整齿轮11和第二连接轴B朝向滑移齿轮20的一侧均设置有能与滑移齿轮20的齿啮合的啮合齿，驱动轴9的设置有啮合齿的一端对应第一连接轴A，该第一连接轴A上套有另一个滑移齿轮20，该另一个滑移齿轮20能沿第一连接轴A轴向移动，且该另一个滑移齿轮20与第一连接轴A之间径向固定, 即不能相对旋转，该另一个滑移齿轮20朝向驱动轴9的一侧设置有与驱动轴9的啮合齿啮合的齿；当驱动轴9上的滑移齿轮20与调整齿轮11啮合时，滑移齿轮20与第二连接轴B脱啮合，且另一个滑移齿轮20也与驱动轴9脱啮合，此时，驱动轴9上的滑移齿轮20带动调整齿轮11旋转，当驱动轴9上的滑移齿轮20移向第二连接轴B且与第二连接轴B啮合时，另一个滑移齿轮20移向驱动轴9的啮合齿且与驱动轴9啮合，此时，驱动轴9上的滑移齿轮20与调整齿轮11脱啮合，驱动轴9带动两个连接轴A、B动作；

离合结构的第二种形式：在驱动轴9的靠近两端的位置各设置有一个只能相对于驱动轴9轴向移动的滑移齿轮20，两个滑移齿轮20与驱动轴9径向固定即不能相对旋转，调整齿轮11设置在两个滑移齿轮20之间且靠近其中的一个滑移齿轮20，两个连接轴A、B朝向滑移齿轮20的一侧均设置有啮合齿，而滑移齿轮20上设置有能与两个连接轴A、B的啮合齿啮合的齿，其中一个滑移齿轮20上的齿为两侧设置，即其中一侧的齿能与连接轴上的齿啮合，而另一侧的齿能与调整齿轮11上的齿啮合，当滑移齿轮20与两个连接轴A、B脱啮合且其中的一个滑移齿轮20与调整齿轮11啮合时，驱动轴9带动调整齿轮11转动，当两个滑移齿轮20向两侧移动且与两个连接轴A、B啮合时，原来与调整齿轮11啮合的滑移齿轮20与调整齿轮11脱啮合，此时，驱动轴9带动两个连接轴A、B动作；

滑移齿轮20的动作由电磁拨叉21实现，电磁拨叉21由电磁控制器22控制。

也就是说在周向调整过程中履带的连接轴A和B处于与主轴脱离合状态，所以步进电机只带动与齿条相啮合的调整齿轮。但当周向运动的时候，电磁拨叉带动滑移齿轮与驱动轴的端面齿形啮合，这样A和B轴就和驱动轴联动了.与此同时滑移齿轮与调整齿轮脱啮合，此时步进电机只带动电磁履带运动。

上述的滑移齿轮20的限位轴向移动可以通过设置在驱动轴9或者连接轴上的轴向滑槽23和设置在滑移齿轮上的伸进轴向滑槽23内的键来实现。当然也就可以通过其他的方式，这里不再赘述。

调整齿轮11与弧形齿条5啮合，通过调整齿轮11的旋转实现弧形齿条的收紧与放松的控制，弧形齿条5连接超声波探伤检测仪4的拉力传感器17上。

在周向调整过程中履带的连接轴A和B处于与主轴脱离合状态，所以步进电机只带动与齿条相啮合的调整齿轮。

但当周向运动的时候，电磁拨叉带动滑移齿轮与主轴的端面齿形啮合，这样A和B轴就和主轴联动了.与此同时滑移齿轮与调整齿轮脱啮合，此时步进电机只带动电磁履带运动。

周向运动及周向调整机器人2设置在连接架6的C形结构内，周向运动及周向调整机器人2的电磁履带压在连接架6的垫板12上。

探伤检测仪4包括超声波检测探头13、摄像机探头14、喷漆装置15和损伤标记装置16；超声波检测探头13、摄像机探头14、喷漆装置15和损伤标记装置16设置在检测仪支架上，检测仪支架通过可伸缩的支撑腿19设置在被测物的外表面。

下面结合附图对本申请做进一步描述：

本发明采用了环绕式检测方式，又为了能够满足不同尺寸的塔筒检测，将本塔筒在线探伤装置进行了模块化处理，对于最大直径在四米左右的塔筒可以由四组模块拼装组成检测装置。模块之间由弧形齿条相连接。

本发明的机械部分主要由电磁垂直爬升机械人1、周向运动及周向调整机器人2实现探伤检测设备的移动，而周向运动及周向调整机器人2则通过周向的弧形齿条5实现周向的固定及贴合。探伤检测仪4采用了超声波探伤，此外还有检测摄像机探头14辅助工程技术人员观察探伤情况。在探伤仪上还有其他辅助系统及装置，如微小损伤修复装置，损伤诊断及标识系统。可以实现微小损伤的即时处理，重大损伤的有效标记及报警，为后续的高效处理提供支撑。还有即时的控制系统，以实现探伤过程的可视化和可控化。

探伤装置稳定性介绍：探伤装置在工作过程中，主要需要保证其轴向及周向的稳定性，才能很好的完成探伤检测任务。本发明在垂直方向上的稳定性主要通过电磁垂直爬升机械人1根据位置及拉力传感器的反馈，实时调整整个装置在轴向的相对位置，已到达各个探伤检测模块处于同一水平高度的工作要求。

而在周向上的稳定性主要通过周向运动及周向调整机器人2对于模块之间相对位置的调整，及周向运动系统的位置调整补偿。通过双重保障保证模块之间的同步性及稳定性。

在线探伤检测仪主要由超声波检测仪、检测摄像仪、塔身损伤标记仪及锈蚀修复喷漆仪组成。

检测过程主要由电磁垂直爬升机械人1牵引轴向运动的探伤检测系统垂直爬升，以完成轴向运动。再由周向运动及周向调整机器人2牵引探伤检测仪实现周向运动，实现对于塔筒的全方位检测。

电磁垂直爬升机械人1综合运用了机器人移动技术和吸附技术。通过电磁的吸附力，使攀爬机器人可以在竖直壁面、倾斜壁面甚至建筑物或容器的内顶面灵活运动，其可以适用于多种不适宜人类作业的恶劣环境中。在实际应用中为了使设备能够在竖直或者倾斜壁面作业，吸附力不仅要保证机器人基本的静态稳定吸附，而且必须使得机器人在各种环境的运动中安全的贴紧壁面。现有的磁吸附型爬壁机器人按行走机构不同主要分为腿足式、车轮式和履带式；出于安全性考虑，本设计选择了履带式电磁吸附结构。履带的每个关节是由电磁铁构成每个电磁铁对应一对电刷，每对电刷上有一对接线柱，分别于电源的正负极相连。与电刷相对应的是每对关节（电磁铁）上的铁片，当铁片和电刷相连接的时候，形成通路，产生磁力。

履带式爬壁机器人具有吸附性强，负载能力高的有点，越障能力也十分优越，但也不可避免的有灵活性差的瑕疵。根据应用特点为了保证机器人的灵活运动，确定了通过两侧履带由两个步进电机驱动，使攀爬机器人可以灵活转向。并且可以对以下运动性能做出有效提升。壁面适应性。机器人能够在尽可能多的壁面吸附、行走，并具有较强的越障能力，包括壁面过渡能力。

连接架是连接电磁垂直爬升机械人1与探伤检测仪4的重要部分，在爬升阶段可以牵引探伤检测仪4实现垂直爬升的轴向运动。此外连接架上还安装有位置检测器，可以实时监测周向运动及周向调整机器人2的位置，是否到达指定位置。

周向运动及周向调整机器人2与电磁垂直爬升机械人1的原理相同都是采用的电磁吸附原理。然而周向运动及周向调整装置俩者由相同的步进电机驱动，由电磁拨叉控制的滑移齿轮控制步进电机与调整齿轮及电磁履带两者的啮合情况，从而实现在不同情况下的分别控制。即周向运动及周向调整装置两者由相同的步进电机驱动，通过电磁拨叉调整滑移齿轮的位置实现两种功能由同一个步进电机提供动力而互不干扰。在周向调整阶段，滑移齿轮与调整齿轮啮合，与电磁履带轴脱啮合，从而使步进电机只带动调整齿轮。而在周向运动阶段，滑移齿轮与电磁履带轴啮合，与调整齿轮脱啮合，从而使步进电机只带动电磁履带。周向运动及周向调整机器人2主要通过两个步进电机控制的调整齿轮11与弧形齿条5啮合，通过对于弧形齿条的收放实现收紧与放松的控制。弧形齿条一端连接在周向运动及周向调整机器人2上，另一端会连接在超声波探伤检测仪的拉力传感器上面，周向调整的齿轮依据拉力传感器的拉力反馈，控制对于弧形齿条的收放。

探伤检测仪4主要采用无损探伤的超声波检测系统，无损探伤是在不损坏工件或原材料工作状态的前提下，对被检验部件的表面和内部质量进行检查的一种测试手段。探伤仪种类繁多，但在实际的探伤过程，脉冲反射式超声波探伤仪应用的最为广泛。一般在均匀的材料中，缺陷的存在将造成材料的不连续，这种不连续往往又造成声阻抗的不一致，由反射定理我们知道，超声波在两种不同声阻抗的介质的交界面上将会发生反射，反射回来的能量的大小与交界面两边介质声阻抗的差异和交界面的取向、大小有关。脉冲反射式超声波探伤仪就是根据这个原理设计的。

超声波探伤具有较高的探伤灵敏度，具有周期短、成本低、灵活方便、效率高、对人体无害等优点；缺点是对工作表面要求平滑、要求富有经验的检验人员才能辨别缺陷种类、对缺陷没有直观性；超声波探 伤适合于厚度较大的零件检验

摄像机探头主要检查塔身表面是否有油漆脱落，锈蚀，等现象。

喷漆装置主要应用于程度较轻的锈蚀、划伤、油漆剥落及污渍清除工作。可以通过超声波检测仪的检测结果自动控制。也可以通过检测器的探头，由人工通过监视器，人为控制。对于严重的损伤，检测器会发出报警信号且报警灯18闪烁，探伤检测仪4暂停一切动作，等待工程技术人员指令。并且在损伤部位喷射红色标记油漆标记。标记油漆是特制的油漆，会随着时间的推移自行分解，不会污染塔身。

在线探伤检测装置的动作过程说明：

在实际应用的过程中，首先需要由工程技术人员将本发明的机械设备安装于塔身所要检测的起始位置处。安装要求：保证各个机械设备的相对位置精度。并且进行调试，检测各个部件是否工作正常，传感器的工作状态及信息传输是否畅通无误。

在安装调试完毕后就可以进行正常的探伤检测工作了。

步骤一:首先周向运动及周向调整机器人2动作，完成收紧贴合工作。然后电磁拨叉动作，滑移齿轮与调整齿轮脱啮合，并与运动装置即连接轴啮合，周向运动及周向调整机器人2动作，牵引探伤检测仪4实施监测，直到到达下一工作位置，完成一周的探伤检测工作。本装置能实现周向运动与周向调整两者功能的切换。而在周向调整阶段，滑移齿轮与调整齿轮啮合，与电磁履带轴脱啮合，从而使步进电机只带动调整齿轮。而在周向运动阶段，滑移齿轮与电磁履带的连接轴啮合，与调整齿轮脱啮合，从而使步进电机只带动电磁履带。

步骤二：由电磁垂直爬升机械人向上牵引整个机械设备，到达指定监测高度，在此过程中周向运动及周向调整机器人2会依据拉力传感器的反馈实时收紧。待至指定位置后，重复动作步骤一完成检测。

步骤三：由于受到电线等传输线路的限制，需反向重复步骤一，也就是每个周向运动及周向调整机器人2会在四分之一圆的区域内往返运动。

如此重复步骤一二三，就可以完成整个塔身的检测了。