機器人自動清洗與超聲波相控陣無損檢測在風力發電領域的應用研究

張國輝，付善喜，李若輝，竇 才，李添匯

（遼寧大唐國際新能源有限公司，遼寧沈陽 110116）

1 設備概況

自動清洗機器人和超聲波相控陣無損檢測裝置首先通過高分辨率攝像頭或無人機捕獲當前風機葉片的圖像信息。在獲取實時圖像的同時，可訪問數據庫，獲取風機葉片的歷史圖像處理信息，為了更加準確地判斷清洗需求。結合實時圖像與歷史數據，機器人會確定最適合的清洗流程，并進一步分析葉片上的污染物種類和分布。這些準備工作完成后，機器人會制訂一個預設的清洗路徑。為確保清洗效果，機器人會基于預設判斷規則對清洗路徑進行效能評估，根據評估結果進行微調，從而確定最終的清洗路徑。該技術不僅提高了風機葉片的清洗效率，而且確保了清洗質量，為風電行業帶來了實質性的進步。在實現清洗功能的同時，該機器人還具備高度精確的檢測功能。其中，超聲波相控陣檢測儀的應用尤為突出。在工作過程中，該檢測儀會向風機葉片發射超聲波信號。當這些信號遇到葉片表面或內部的不規則結構，如污染、裂紋或其他缺陷時，信號會被反射回來。清洗機器人會捕獲這些被反射的超聲波信號，并進行高度精密的數據處理，從而得到超聲波檢測信息。通過對這些信息進行進一步的分析，結合預設的信息分析規則，可以清晰、快速地呈現出風機葉片的損傷情況。這不僅提供了對風機葉片健康狀況的實時監控，也為及時維護和維修提供了準確的依據，可確保風機的高效穩定運行。其結構如圖1所示。

圖1 自動清洗機器人各部件結構示意

2 檢測原理介紹

超聲相控陣成像技術已經成為現代無損檢測領域的重要手段。其核心優勢在于能夠實現聲束的動態調控和聚焦，這主要得益于其獨特的激勵脈沖控制技術。在傳統的超聲檢測方法中，聲束的方向和焦點通常是固定的，這在某些情況下會導致檢測盲區或效果不佳。而超聲相控陣技術打破了這一限制，使得聲束可以在不更換物理探頭的情況下，動態地調整其方向和焦距，其原理如圖2所示。

圖2 超聲波相控陣檢測探頭

相控陣探頭中包含了多個小的超聲換能器陣列，這些陣列可以單獨或組合地進行激勵。通過控制這些陣列的激勵時間和序列，可以動態地改變聲束的方向和焦點。以下是一些與相控陣探頭相關的公式：

式中，θ為聲束偏轉角度，v為聲速，f為工作頻率，d為相鄰陣列元件間的間距。

式中，N為陣元數量。

相控陣探頭技術在實際應用中有著廣泛的價值。例如，在風機葉片的檢測中，由于葉片形態的復雜性，傳統的超聲檢測通常難以覆蓋全部的檢測區域。而相控陣技術則可以通過動態調整聲束，確保對葉片的每一部分都進行詳盡的檢查。此外，其動態聚焦的能力也極大提高了對細小缺陷的檢測敏感度。

總之，超聲相控陣成像技術不僅提供了更高的檢測準確性和靈活性，也為各種復雜結構和材料的無損檢測帶來了新的可能性。

3 清洗實驗對比分析

本研究圍繞風機葉片的清洗與檢測，提出了一套智能處理流程，確保了葉片的清潔效率與工作狀態的準確監測。

（1）基于風機葉片的實時圖像與歷史數據，系統能自動確定清洗流程。結合這些信息，系統進一步確定剩余清潔物品信息。清洗機器人會自動制訂出預設的清洗路徑，再根據實時信息進行微調。這不僅提高了清洗效率，還確保了全面性與準確性。

（2）在清洗機器人中集成了超聲相控陣檢測系統。當系統工作時，超聲相控陣檢測儀會向風機葉片發出超聲波信號。風機葉片會反射這些超聲波信號，機器人接收并處理這些返回的超聲波信息，進而得到葉片的超聲波檢測數據。結合預設的信息分析規則，準確地了解到風機葉片的損傷狀況，確保其安全穩定運行。

為了解決葉片清洗中存在的挑戰，本研究提出并實施了一種基于機器人技術的清洗方法。首先，通過采用電磁盤吸附或真空吸盤貼合技術，清洗機器人被穩定地安裝在風塔的塔筒上。在機器人的位置和噴嘴角度調試階段引入了“試射流”技術，確保噴射的清水水流能精確地達到待清洗的葉片區域。此外，機器人還配備了清洗劑儲存裝置，與地面的水箱相互配合，以滿足風機葉片不同的清洗需求。該方法不僅提高了清洗效率，還確保了清洗過程的安全性和可靠性。

風機葉片的定期清潔對于確保風機效率至關重要。為了準確評估本研究所設計的清洗機器人的性能，在一天中的不同時刻對風機葉片進行了清洗，并通過圖像處理技術對清洗前后的葉片進行了異物面積的對比，如圖3所示。

圖3 清洗前后異物對比

盡管由于光線差異在圖片處理過程中部分陰影被誤判為異物，但整體的結果表明機器人對風機葉片的清潔效果顯著。盡管存在光線差異帶來的誤判，但平均結果仍然證明了該機器人在清洗風機葉片方面的卓越性能。這為風電領域提供了一種有效且自動化的維護方法，有望進一步提高風電場的運行效率和風機的使用壽命。

4 機器人超聲波相控陣無損檢測

在風電領域，除了葉片的清潔工作，風機葉片的結構完整性檢測也是維護工作中的重要環節。為了實現這一功能，將清洗機器人上的清洗裝置替換為超聲相控陣檢測系統，從而實現對風機葉片的探傷檢測功能。該系統由超聲波相控陣檢測儀和專門的探頭組成。在機器人進行探傷檢測時，工作人員可以利用搭載在機器人上的超聲波相控陣檢測儀和探頭對風機葉片，特別是其主梁內部進行細致的探傷檢測。檢測數據不僅可以實時反饋，還可以保存在機器人的存儲系統中，為后續的數據分析和葉片的維護決策提供重要依據。這種機器人的多功能性不僅可以提高風電場的運營效率，還可以為風機葉片的維護提供更為精確和高效的方法。

4.1 超聲波相控陣檢測技術優勢

超聲波相控陣技術是近年來較為先進的無損檢測技術，其檢測速度顯著快于傳統方法。這是因為相控陣技術利用電子方法激勵探頭中的陣列晶片，使其在執行線性掃查時的速度極大提升。這種技術不僅使用靈活，能夠輕松控制聚焦深度、偏轉角度和波束寬度，還允許一個探頭實施縱傷、橫傷和斜傷的檢測。這意味著在實際檢測中，可以根據需要靈活設置檢測掃查方式，以實現對焊縫中不同方向缺陷的檢測。而多晶片的快速順序激勵顯著提高了檢測的可靠性。超聲波束的聚焦增強了檢測的信噪比，許多以前難以識別的缺陷現在都可以被準確檢測出。此外，豐富的數據提高了各個角度缺陷的分辨率。

4.2 葉片相控陣檢測的優勢

當涉及風電葉片的檢測時，相控陣檢測技術表現出顯著的優勢。與傳統的超聲檢測相比，相控陣可以精確地檢測缺陷的位置、大小、形狀和類型，從而極大提高檢測的可靠性。傳統超聲檢測依賴于操作人員的技能和經驗，而相控陣檢測則簡化了這個過程，只需設定好設備并按部就班地進行掃查。此外，相控陣檢測主要使用水作為耦合劑，這意味著檢測后不會有殘留和污染。檢測結果也更為直觀，除了掃描波形，還有其他多角度的視圖，使得缺陷更容易被識別和理解。同時，使用聚焦功能確保了聲波在穿透被檢測工件時既有足夠的能量又具有高分辨率，能夠真實地呈現缺陷的實際情況。

4.3 解決的問題

在風電葉片檢測中，面臨的主要問題是內部分層和脫粘等缺陷。這些缺陷對葉片的壽命產生重要影響。傳統的PT 等表面檢測手段在這里使用有限，而像RT這樣的檢測方法對這類缺陷的反應也不敏感。此外，由于玻璃纖維結構的穿透性較差，傳統的UT 檢測需要使用極低頻率的探頭才能穿透。加上地面的不平整性和支撐梁信號的干擾，使得傳統超聲檢測效果不佳。超聲波相控陣檢測技術很好地解決了以上問題，適用于各種復雜的工作環境。

5 結束語

本研究提出了一種結合圖像識別與歷史數據的風機葉片清洗方法及其系統和存儲介質，從而實現了對風機葉片的高效清洗。該方法不僅考慮了圖像信息，還結合了歷史風機葉片的圖像處理信息來確定清洗流程，極大提高了清洗效率。當清洗機器人的清洗裝置被替換為超聲相控陣檢測系統時，機器人不僅可以進行高效的清洗操作，還能實現對風機葉片的精確探傷檢測，為風機葉片的維護提供了一個全面的解決方案，確保風電領域設備的安全與持續運行。