油浸式变压器内部巡检式UUV设计与运动性能分析

2022-03-03汪旭海杜向党陈宏博王硕阳房文轩马婧婧邱瑞林

机械与电子 2022年2期

汪旭海，杜向党，陈宏博，王硕阳，房文轩，马婧婧，邱瑞林

(西北工业大学，陕西西安 710072)

0 引言

大型油浸式电力变压器是电网的核心装备，容量大、价值高且结构复杂，是变电运行中关注的重点[1-2]。由于变压器油箱是封闭的，无法直接观察到内部的情况，传统检修方式需要令变压器停机，排空内部的绝缘油后让工作人员进入检修，检修作业复杂、耗时、费力且有一定的危险性。本文将水下航行器(unmanned underwater vehicle，UUV)技术应用于变压器箱体内部检测工作，设计了一种高机动性巡检式UUV，可搭载摄像装置，在不排空绝缘油的情况下对变压器内部进行图像检测，提高了检测的经济性、效率和安全性。该UUV也可作为一个智能型传感器节点，以无线通信的方式接入电力系统泛在物联网，远程实时监测变压器的健康状态。

1 巡检式UUV总体设计

1.1 需求分析与功能特性

现需要一款UUV，可在变压器不排出内部绝缘油、人员不进入变压器内部的情况下对变压器内部设备目视检查。

油浸式变压器内部结构主要由铁芯柱、铁轭和绝缘套管等不规则附件组成[3]，内部通道狭小，结构复杂，对UUV外形尺寸和运动性能要求很高。巡检式UUV应当具备以下功能特性。

a.结构精巧：外形尺寸小，无外露器件，能够通过狭小空间。

b.机动性高：具备前进、后退、上浮、下潜、侧移、原地旋转和定深悬浮等运动模式及多种运动模式组合功能，可以实现无死角摄影摄像。

c.工作载荷：多组摄像和照相装置。

d.操控方式：人工无线遥控操作、UUV本体具备自稳定辅助控制功能。

1.2 总体设计

1.2.1 总体布局

UUV总体布局如图1所示，采用了圆柱体外形，直径为224 mm,高为300 mm。UUV壳体外形分为上中下3段，上壳体内安装较轻的控制系统和摄像模块，中环安装推进系统，下壳体内安装较重的电源模块和驱动器。其中，上下壳体形状尺寸相同、中环上下对称，使水平运动时所受的阻力分布均匀。水平推进系统位于航行器上下对称轴上，垂直推进系统位于航行器圆柱轴线上。

图1 UUV实物布局

1.2.2 工作模式

典型油浸式变压器箱体侧边开设有入孔，便于检测人员或仪器进入内部进行检测。当变压器停止运行检测时，待油温降至一定温度后，可从入孔将巡检式UUV放入变压器箱体内部，人工遥控或者UUV自主运动，进行摄影摄像，检测人员可以进行实时在线检测与评估。

2 机械结构与动力系统设计

2.1 外形设计

常见的水下航行器的外形按结构特点[4]可分为框架式结构和封闭式结构。根据油浸式变压器内部特定的工作环境，UUV外形采全封闭式结构，无外露器件，以避免与变压器内部附件结构发生刮碰，增强其机动性与通过性。为了减小外形尺寸，增加空间利用率，UUV采用了圆柱体外形。

2.2 推进系统设计

2.2.1 水平推进系统设计

变压器内部空间狭小，设备较多，UUV巡航时要有很高的机动性。因此，UUV水平推进系统采用矢量推进模式，如图2所示。4个水平推进器在同一水平面上圆周分布，相对的2个推进器采用偏心布置，偏心距根据转动要求设计，4个推进器可独立控制产生推力，由于单个推进器推力较小，所以通过相邻2个推进器的组合控制实现前进、后退及侧移等直线运动，通过间隔的2个推进器组合控制实现旋转运动[5]。

图2 水平推进系统原理

2.2.2 竖直推进系统设计

UUV在巡检时，为了对某些位置进行详细检测，要进行悬停检测，需要较高的深度控制精度。如图3所示，UUV垂直推进系统采用活塞式浮力调节装置，通过改变活塞的位置，从而改变重力与浮力的关系，实现UUV的下潜和上浮运动，通过高精度伺服电机控制系统和精密滚珠丝杆，可以实现垂直方向的高精度动态定位。

图3 浮力调节装置三维模型

2.2.3 关键部件布局及材料

巡检式UUV圆柱外形确定后，其内部设备总体布局与结构如图4所示。将垂直推进系统的浮力调节装置布置在UUV的中心轴线上；水平推进装置布置在UUV的中环对称面上，水平推力矢量作用于浮心。将测控系统、无线通信系统和摄像装置等模块布置在上壳体内，锂电池布置在下壳体内。为了实现摄像功能，上壳体和下壳体材料选用透明材料，原理样机采用亚克力，其材料特性[6-7]适合制作外壳；由于壳体中环结构复杂，因此采用光敏树脂3D打印进行制作[8]。当水平推进器转动时周边水压会产生变化，因此将深度传感器布置在UUV的下壳体底面，可减小水压变化的影响，提高测量精度。

图4 巡检式UUV总体布局与结构

3 巡检式UUV运动仿真分析

3.1 阻力分析

巡检式UUV在运动时受推力、浮力、重力和流体动力的综合作用，需要估算UUV流体阻力大小，为动力系统设计提供参考。

3.1.1 水平直线运动阻力分析

本文采用ANSYS对阻力进行仿真计算，将Solidworks中的UUV壳体三维模型导入ANSYS中，模拟其在水中的水平直线运动，分别设定了5组航速进行水平直线运动仿真。将航速和阻力数据导入MATLAB中进行二次函数拟合[9]，得到水中的阻力和速度关系式，拟合后可得水中水平直线运动的阻力系数为1.092。

3.1.2 垂直运动流体动力参数估算

为巡检式UUV在水中做垂直运动的仿真，共设定了5组航速对巡检式UUV进行垂直运动仿真。将航速和阻力数据导入MATLAB中进行二次函数拟合，得到水中的阻力和速度关系式，拟合后可得水中垂直运动的阻力系数为1.575.

3.1.3 动力推进系统主要参数设计

根据流体动力分析结果，进行了推进器的选型和布局设计，推进器参数如表1所示。进行了浮力调节系统设计，活塞缸内径为60 mm，行程为50 mm。

表1 推进器主要性能参数

3.2 运动性能仿真

3.2.1 水平直线运动仿真

根据巡检式UUV的运动学和动力学模型，建立水平运动的运动方程为

(1)

基于上述运动方程，采用MATLAB对水平直线运动进行仿真，得到水平直线运动的速度仿真曲线。

水平速度-时间仿真曲线如图5所示。其中，正向推力Tx=6.800 N，初始阶段推力大于阻力，UUV加速运动，一段时间后推力和阻力大小相同，UUV作匀速运动，速度稳定在0.503 m/s；25.00 s时螺旋桨反转，设定反向推力Tx=-0.305 N，反向推力和阻力联合作用下，UUV做减速运动，经过1.48 s速度由0.503 m/s减小为0。

图5 水平直线运动速度-时间仿真曲线

位移-时间仿真模拟表明，随着不同阶段速度的变化，位移曲线的斜率也相应变化，加速阶段位移曲线的斜率逐渐增大，匀速阶段斜率不变，减速阶段斜率逐渐减小为零。在减速过程中UUV的位移为0.300 m，考虑到UUV在运动过程中要悬停检测，为了减小减速运动时的位移，可通过施加反向推力实现。

3.2.2 垂直运动仿真

根据巡检式UUV的运动学和动力学模型，建立垂直运动的运动方程为

(2)

基于上述运动方程，采用MATLAB对垂直运动进行仿真，得到垂直运动的速度仿真曲线。垂直速度-时间仿真曲线如图6所示。其中，UUV以正浮力最大调节量ΔFw(+max)=0.693 N作为垂向驱动力，其垂向速度在1.74 s时达到0.100 m/s，且该驱动力下所能到达的最大垂向速度为0.617 m/s。在40.00 s时,若以负浮力最大调节量ΔFw(-max)=-0.693 N作为驱动力，UUV的垂向速度可在1.98 s内从0.617 m/s减小为0。

图6 水中垂直运动速度-时间仿真曲线

垂直运动位移-时间仿真模拟表明，UUV加速阶段的位移曲线斜率逐渐增大，匀速阶段斜率不变，减速阶段斜率逐渐减小为0。UUV从最大垂向速度0.617 m/s减小为0，这一过程的垂向位移为0.147 m，在伺服控制系统作用下，可以实现高精度深度定位目标。

4 水池试验

4.1 原理样机制作

根据设计和仿真结果，本文研制了巡检式UUV原理样机，如图7所示。外形尺寸为200 mm×246 mm(D×h)，上壳体搭载摄像装置，可进行水下拍摄，水池试验时，通过上浮天线实现无线遥控和视频信号无线传输。查阅相关文献[10]可知在较浅深度的变压器绝缘油中可以实现WIFI等无线信号传输，因此，实际使用的UUV可改为无线通讯的方式。

图7 巡检式UUV原理样机

4.2 运动性能测试

对巡检式UUV原理样机进行了水池试验，重点测试验证了其运动性能和控制性能。

4.2.1 水平直线运动测试

水平直线运动测试包括前进和后退运动。在巡检式UUV原理样机平直线运动的测试中，UUV测控系统记录了航向、姿态和推进电机PWM值等参数，根据记录参数绘制运动曲线，水平直线运动的航向角-时间曲线如图8所示。可看出在水平直线运动过程中，UUV航向角保持在初始航向角附近，实现直线航行。但在运动过程中，由于各推进器性能偏差产生推力偏差，使得航向角逐渐偏离初始航向角。可根据姿态传感器反馈数据，调节推进器转速即调节推进器推力，可以实现UUV直线航行的闭环控制。

图8 水平直线运动航向角-时间曲线

水平直线运动时，各推进器PWM-时间曲线如图9所示。可以看出，UUV水平直线运动时，PWM值在430～440之间动态变化，通过改变推进器转速调节推力大小，使UUV保持直线航行；在减速停止时，通过控制器调节反向2个推进器的转速，可在短时间内使UUV速度减小为0，完成减速运动。根据UUV水平直线运动的位移和时间可计算出其运动速度大致0.034 m/s为，此时推进器的推力约为全功率推力的十分之一，在全功率推力作用下UUV的水平速度可达到0.500 m/s。