管道攀爬机器人非接触变磁隙式永磁吸附机构的设计与吸附性能优化

设计了一种能自适应吸附不同直径管道的非接触变磁隙式攀爬机器人。采用矢量磁位法和有限元法建立了吸附机构的磁场分布模型和磁吸附力模型。基于空间力系统的平衡方程建立了机器人的力学模型,得出爬壁机器人需要的最小磁吸附力。基于磁场和磁吸附力的理论模型与Maxwell仿真,通过离散组合法得到了最优磁铁宽度和磁吸附力。通过不同磁场和磁吸附力的对比计算,在最优磁铁宽度为80 mm时,得出近似圆弧机构单位体积的磁吸附力为0.0078 N/mm3,大于矩形磁铁单位体积的磁吸附力0.0047 N/mm3,它产生的磁吸附力满足单个机构所需的最小磁吸附力2100 N的负载要求。最后,通过实验获得了磁吸附机构的磁吸附力特性,证明了磁吸附机构优化设计的可行性。     

负压爬壁机器人吸附系统研究

系统研究了爬壁机器人的负压吸附系统。针对负压爬壁机器人的吸附力利用效率,研究了其运动系统结构对吸附力配置的影响。根据吸附力利用效率的差异,提出了若干移动机构及密封机构的构成方案并分析了其综合性能。对负压吸附系统各个元件进行了热力学分析,阐述了吸附系统的气路状态变化过程,揭示了吸附原理的实质。利用CFD对吸附系统气流在流场中的状态变化进行了仿真。最后,通过研制的负压式爬壁机器人样机验证了吸附系统的可靠性和稳定性。     

大型承压设备爬壁机器人磁桥设计和试验研究

针对大型承压设备轮式爬壁机器人磁轮吸附力不足的问题,对爬壁机器人磁吸附结构进行了优化设计与实验研究。通过爬壁机器人受力状态及吸附力要求的物理分析,提出了磁轮与磁桥结构相结合的磁吸附方式;利用建立的有限元仿真模型,确定了最佳永磁体长度、高度、宽度等规格参数,并研究了磁桥与容器壁面空气间隙对爬壁机器人吸附力的影响;设计磁吸附力测试装置进行了实验,然后与有限元仿真结果进行了对比。研究结果表明:该磁桥结构能够为轮式爬壁机器人提供充足的吸附力,能避免机器人爬行过程中出现的向上爬行打滑和横向爬行侧滑问题。     

轮履组合式磁吸附爬壁机器人设计与稳定性分析

为解决永磁吸附装置与导磁壁面之间由于吸附性能不可靠而产生的失稳问题，文中设计了轮履组合式磁吸附爬壁机器人，设计出越障磁轮结构及磁吸附履带结构。首先，针对爬壁机器人在不同工况下的受力状态，建立机器人的力学模型；其次，分别分析了下滑、倾覆及侧翻的失稳状态，计算出满足稳定性的最小吸附力。当单侧越障磁轮吸附力大于10.85 N,单侧磁吸附履带吸附力大于14.63 N时，机器人就不会出现失稳现象。通过Maxwell仿真软件对越障磁轮及磁吸附履带分别开展磁场仿真与参数化扫描分析研究。结果表明：当越障磁轮气隙高度保持在1 mm内，磁吸附履带气隙高度保持在0.8 mm内，同时导磁壁面厚度在2 mm及以上时，机器人的吸附力才能满足不失稳条件，保证了机器人的爬壁可靠性。     

基于反移动凸轮的爬壁机器人运动吸附方案

提出了一种爬壁机器人的运动吸附方案,利用反移动凸轮机构,以简单的机械方式实现了吸附组件在装置运动过程中相对于壁面的自动吸附与脱离;同时利用履带式运动机构,保证了机器人运动的平稳、连续与效率.方案对每个吸附组件所需的吸附力进行了理论分析并引进了真空系数的概念,在分析了运动吸附装置吸附能力的基础上,进而找出了真空系数,吸附组件和壁面间摩擦因数以及所需吸附组件的数量之间的关系,给出了计算反移动凸轮机构中柱塞行程的方法,为方案的实现奠定了基础.最后,给出了验证实例,验证了方案的可行性.     

基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人

给出了一种基于磁隙式吸附机构的槽车清洗机器人机构设计方案,采用磁隙式吸附装置平衡清洗作业过程中高压水枪反向冲击力产生的倾覆扭矩,提高系统稳定性裕度。建立数学模型描述清洗作业力学行为,利用有限元仿真优化磁吸附模块设计参数,计算不同气隙高度下单个磁吸附装置产生的吸附力。根据仿真结果,当采用2块40 mm×40 mm×15 mm与2块80 mm×40 mm×15 mm的永磁铁,磁铁间隙为10 mm,轭铁厚度为9 mm,气隙高度为10 mm时,单个磁吸附装置能够产生693 N的吸附力,槽车清洗机器人能够在20 MPa的清洗水压下稳定地工作。     

风电塔筒爬壁机器人吸附结构设计分析

针对风电塔筒外壁面检修困难的问题,对当前风电塔筒检修的方式、缺陷、需求进行了分析,对现有爬壁机器人的机械结构、吸附方式、主要功能进行了归纳,提出了一种可适应曲面吸附爬行的新型机器人机构。该机构可辅助或替代人工进行风电塔筒的检修,具备两个旋转自由度,采用了一种新型永磁爬壁吸附结构,可稳定吸附于风电塔筒外壁面并在壁面移动;利用Solidworks、Maxwell等软件进行了爬壁机器人的结构建模及吸附机构的吸附力仿真;对爬壁机器人在不同的失稳条件下进行了受力分析,得到了所需吸附力数值;将吸附单元仿真结果与计算所需吸附力进行了比较。研究结果表明:该爬壁机器人吸附能力符合稳定吸附要求,可以稳定吸附于风电塔筒外壁面。     

壁面机器人吸附机构吸附力的仿真与试验

为了研究影响壁面机器人吸附机构吸附力的因素,以某螺旋桨为研究对象,进行计算流体动力学仿真,并进行三因素三水平正交试验,分析螺旋桨保护外壳与壁面距离、螺旋桨保护外壳宽度、螺旋桨转速对吸附力的影响。试验结果表明,螺旋桨转速对壁面机器人吸附机构吸附力的影响最大,其次是螺旋桨保护外壳与壁面距离,螺旋桨保护外壳宽度的影响最小。基于试验结果,兼顾效率与吸附力,提出最佳参数组合,为提高壁面机器人吸附机构的效率提供技术参考。     

飞行吸附机器人的静电吸附单元优化设计研究

静电吸附作为一种新型吸附原理,具有低噪声、低功耗等优势,在三维空间移动机器人如爬壁机器人、飞行吸附机器人中潜在应用价值显著。实验对比研究了不同电极类型、不同填充绝缘材料及厚度等对于吸附力性能的影响规律,优化选择了梳状电极类型和PVC填充绝缘材料。理论分析和实验研究了电极几何结构对于吸附力的影响规律,针对影响梳状电极吸附力的关键因素,分别进行了比较,以确定最优的几何结构。对设计的静电吸附板分别在不同壁面下开展了吸附力性能测试,验证了静电吸附优化设计的有效性以及在飞行吸附等机器人应用上的可行性。     

基于静电吸附原理的双履带爬壁机器人设计

研究了基于静电吸附原理的爬壁机器人设计过程。针对静电吸附原理进行分析,对电极与壁面间产生的吸附力解析建模,通过实验验证静电吸附作用。根据静电吸附力的性质,设计履带式爬壁结构,借助Solidworks软件进行三维建模,分析双履带车质量、重心等关键参数。对机器人样机在壁面上发生吸附时的受力情况展开分析,确定提高爬壁机器人安全稳定性的改进措施。最后对机构运动控制系统作简要介绍。     

Fe-Ga磁特性测试装置改进与动态磁致伸缩实验

利用Fe-Ga磁特性测试装置进行动态磁致伸缩测量时,受激励线圈产生的磁场的影响,测试样品的应变通常偏大,本文对此做了分析并进行验证。通过分析Fe-Ga动态磁致伸缩测量过程,对原测试装置进行了改进。将样品的一端固定在极头上并调节激励磁场使其在样品饱和磁场附近,以消除机械振动对动态磁致伸缩测试产生的影响。采用多参数磁学测试系统和改进前后的Fe-Ga特性测试系统进行Fe-Ga静态和动态磁致伸缩特性测试实验。结果表明:采用改进的Fe-Ga磁特性测试装置可在低饱和场下精确测量动态应变。实验还测试了Fe-Ga在2.7kA/m偏置磁场作用下的动态磁致伸缩特性,结果表明:(1)偏置磁场作用下应变与磁场同频;(2)应变对磁场的滞后随磁场频率的增加而增大;(3)λ~H曲线为椭圆形且椭圆环的面积随频率的增大而增大。上述结果表明,本文提出的改进装置可有效消除振动产生的额外应变。     

旋转式磁流变测试仪的设计与研究

由于磁流变液的应用前景广阔,而市场上磁流变液性能测试系统相对短缺,为了更好地促进磁流变液的工程应用,有必要研究磁流变液的性能测试仪.通过理论计算和实验验证的方法,设计了一种磁流变旋转式测试仪,用实测的办法验证了磁场理论计算的正确性.测试表明,当电流为1.6A时磁场达到0.5582T,MRF4的剪切应力达到70.12KPa,当电流为1.4A,磁场为0.5483T,剪切屈服强度51.6KPa.     

电热形状记忆合金与磁流变联合传动性能研究

针对单一的磁流变传动传递转矩较小的缺点,提出了一种电热形状记忆合金与磁流变联合传动方法,可以提高传动装置传递的转矩。基于形状记忆合金的热效应特性,建立了电热形状记忆合金弹簧挤压力与温度的关系;利用Maxwell软件,对磁场进行有限元分析,得到了不同电流下圆盘工作间隙中的磁场强度沿半径的分布情况;基于磁流变液的磁流变特性,建立了磁流变传递的转矩与磁场强度、半径等参数的关系;基于形状记忆合金弹簧的挤压特性,建立了摩擦转矩与挤压力、半径等参数的关系式。研究结果表明,电热形状记忆合金弹簧的挤压力产生的摩擦转矩随温度的升高而增大;磁场强度沿半径的增大而增强;电热形状记忆合金与磁流变联合传递的转矩比单一磁流变传递的转矩提升了53.8%。     

磁流体密封的磁场分析

讨论了铁磁流体的密封机理及ANSYS软件的特点，并给出使用有限元分析软件ANSYS计算磁场的方法，结合该软件解算了矩齿型密封装置的磁场分布，通过对计算结果的分析探讨了铁磁流体密封的一些特点。     

圆盘式磁流变离合器特性分析

磁流变离合器是通过磁流变液的剪切应力传递转矩的器件.介绍了一种园盘式磁流变离合器的工作原理,用Bingham 模型描述了磁流变液随外加磁场变化的流变特性,基于Navior-Stokes方程,分析了磁流变液在两圆盘间的流动,得到了离合器传递的转矩和输出角速度的方程,为离合器的设计奠定了理论基础.研究结果表明:离合器传递的转矩和输出角速度可由外加磁场连续控制.     

大轴径离心压缩机磁流体密封传热特性研究

高温会降低磁流体饱和磁化强度,造成永磁铁退磁,影响磁流体密封装置的可靠性及稳定性。为探讨磁流体密封装置传热特性,以大轴径离心压缩机磁流体密封为研究对象,同时考虑磁流体摩擦热和轴承摩擦热对磁流体密封装置传热特性的影响,利用有限元数值计算与磁流体、轴承摩擦功耗理论分析相结合的方法,研究磁流体密封装置温度分布规律,分析齿宽、密封间隙和转速对永磁铁和磁流体最高稳态温度的影响,并确定相关工况所需冷却液质量流率。结果表明：由于轴径尺寸较大,表面线速度高,磁流体黏性摩擦热及轴承摩擦热对密封装置传热特性有显著影响,在无冷却工况下,密封装置最高温度超过磁流体和永磁铁的极限使用温度,需通过强制对流换热的方式进行降温处理;永磁铁及磁流体最高稳态温度随着齿宽增加而升高,随着密封间隙增加而减小;随着转速的增加,永磁铁及磁流体最高稳态温度升高,且转速越大,相同转速梯度差之间的温度差越大。     

可重构磁耦合水下推进器的磁场分析及性能评估

在保证微小型水下机器人运动灵活的同时,降低矢量推进器机械复杂性,改善其防水密封问题,设计了一款可重构磁耦 合的水下矢量推进器。 基于磁耦合非接触式动力传输,解决了驱动电机与螺旋桨之间的防水问题;与此同时,采用重构机构在 两自由度内改变螺旋桨位姿,实现了可重构矢量推进水下机器人的目的。 在建立磁耦合磁场模型的基础上,通过 ANSYS Maxwell 磁场仿真与搭建的磁转矩测量装置,验证了磁场建模的正确性并分析了重构机构对磁耦合动力传输磁转矩的影响。 在 此基础上,进一步搭建了螺旋桨水下测力装置,评估了转速与推力以及不同重构角下最大矢量推力的变化情况。 结果表明,推 进器能够在[-15°,15°]两自由度可重构角范围内稳定地输出矢量推力。     

体内微型诊疗装置磁定位简化模型的实验研究

无创定位技术是MEMS器械用于人体内诊疗过程的重要研究环节之一。这里在分析永磁体空间磁场分布规律的基础上,讨论了体内微型诊疗装置的磁定位技术;同时,通过实验研究和曲线拟和,对磁定位模型进行了简化,使磁定位的计算更快,检测传感器的放置更简单。实验结果表明,在一定误差范围内,该简化模型可以用于体内微型诊疗装置无创实时定位。     

基才Maxwell的盘式制动器辅助电磁制动装置的有限元分析

简述了盘式制动器电磁辅助制动装置（以下简称制动装置）的结构和原理,运用标量磁位和矢量电位,描述了制动装置三维磁场的分布,给出了制动转矩的计算方法,建立了制动装置完整的三维有限元模型。借助Maxwell软件三维瞬态求解器,获得了制动装置稳定工况时的磁感应强度和电涡流密度分布云图,分析了磁感应强度和电涡流密度分布的特点及变化规律,并计算了制动转矩,为实际设计和优化制动装置提供了一定的依据。     

一种基于复杂永磁体阵列的悬浮式振动能量采集器的精确模型及验证

为提高振动能量采集器的输出性能和工作频带，基于永磁体阵列和多自由度器件受到广泛关注。然而这类器件存在磁场分布复杂，动态特性难以模拟等问题。以一种基于复杂永磁体阵列的可调频磁悬浮振动能量采集器为研究对象，建立器件解析模型和有限元模型的联合分析模型，理论模型显示系统具有非线性振动特性，其动力学模型可简化为Duffing方程形式，并通过有限元模型简化了对非线性系统的分析。利用COMSOL有限元仿真研究器件磁场分布、非线性磁力特性，分析磁力和线圈位置对器件输出特性的影响。搭建测试平台对研制的可调频磁悬浮振动能量采集器进行试验表征，以验证联合分析模型。试验结果表明，在20～35 mm的固定磁铁间距离变化范围内，器件谐振频率变化范围为8.6～13.1 Hz，0.35g加速度下输出电压峰峰值为352.9～658.2 mV，联合分析模型与试验之间具有一致性。