隨著世界經(jīng)濟(jì)的飛速發(fā)展，以船舶為主要工具的遠(yuǎn)洋運(yùn)輸業(yè)正發(fā)揮著越來(lái)越重要的作用，船舶工業(yè)也隨之在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中的地位得到顯著提高。其中船舶除銹清洗是船舶工業(yè)中一項(xiàng)重要的業(yè)務(wù)，除銹是涂裝施工的第一步驟，只有對(duì)鋼材進(jìn)行良好的表面前處理，才能使涂層達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果。另外，除銹也是減少船舶表面阻力，提高船舶使用壽命和增加安全性的重要措施。

目前，國(guó)內(nèi)各大修船廠普遍采用的除銹方法大都是氣動(dòng)磨料噴射除銹，即噴砂除銹。噴砂除銹法最大的缺陷在于操作過(guò)程中產(chǎn)生的灰塵會(huì)造成大氣和水體污染，同時(shí)對(duì)作業(yè)者身體也會(huì)有較大的損害。另外，噴砂除銹每除銹清洗一條船，需要耗費(fèi)近千噸專用的銅礦砂，而每噸銅礦砂的價(jià)格為300-400元，成本巨大。西方許多發(fā)達(dá)國(guó)家已出臺(tái)法律，禁止在露天環(huán)境下采用噴砂除銹法進(jìn)行除銹作業(yè)。而我國(guó)也正積極構(gòu)建以人為本的和諧社會(huì)，對(duì)嚴(yán)重污染環(huán)境型企業(yè)加大了整治力度。2016年11月15日國(guó)務(wù)院常務(wù)會(huì)議通過(guò)了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護(hù)規(guī)劃》，李克強(qiáng)總理指出重點(diǎn)要強(qiáng)化污染源頭管控，完善環(huán)境標(biāo)準(zhǔn)和技術(shù)政策體系，淘汰高污染、高環(huán)境風(fēng)險(xiǎn)工藝、設(shè)備和產(chǎn)品，發(fā)展資源節(jié)約循環(huán)利用關(guān)鍵技術(shù)和生態(tài)治理修復(fù)成套技術(shù)，加快節(jié)能環(huán)保產(chǎn)業(yè)發(fā)展。因此，如何在高效完成船舶除銹的同時(shí)，又不危害工人的健康，污染環(huán)境，這是需要迫切解決的問(wèn)題。

本文提出基于高壓水射流技術(shù)的船舶除銹清洗爬壁機(jī)器人技術(shù)，將高壓水射流除銹、真空系統(tǒng)抽干并排渣和爬壁機(jī)器人執(zhí)行除銹作業(yè)三者成套設(shè)計(jì)于一體。利用高壓水射流除銹，采用真空抽干水分并回收銹渣來(lái)防止返銹，應(yīng)用大型爬壁機(jī)器人來(lái)搭載除銹清洗器進(jìn)行遙控作業(yè)，操作安全可靠，實(shí)現(xiàn)船舶的綠色、高效、高質(zhì)量除銹。

基于高壓水射流的船舶除銹爬壁機(jī)器人除銹工藝

為實(shí)現(xiàn)對(duì)船舶表面的高效、安全、無(wú)污染除銹清洗，研發(fā)的除銹爬壁機(jī)器人成套裝備由高壓水射流系統(tǒng)、真空抽吸排渣系統(tǒng)、爬壁除銹機(jī)器人以及控制系統(tǒng)構(gòu)成，如圖1所示。

圖1 基于高壓水射流技術(shù)的除銹爬壁機(jī)器人成套裝備構(gòu)成

高壓水射流系統(tǒng)其作用主要是對(duì)除銹介質(zhì)（自來(lái)水）加壓，通過(guò)清洗器等執(zhí)行機(jī)構(gòu)作用于船舶銹蝕表面，實(shí)現(xiàn)除銹清洗。根據(jù)大量實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證表明，為與機(jī)器人移速匹配高效除銹，除銹等級(jí)達(dá)到涂裝要求的Sa2.5且不破壞船舶母材表面，高壓水射流的壓力需220-250Mpa。

爬壁機(jī)器人作為這一成套設(shè)備的執(zhí)行機(jī)構(gòu)，核心技術(shù)所在，其主要作用是搭載除銹清洗器，通過(guò)在船舶壁面的靈活移動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)高效安全的除銹除漆工作。

真空回收系統(tǒng)主要包括羅茨真空泵、真空分離罐、配管閥、分離器、過(guò)濾器和電氣控制柜。通過(guò)真空泵對(duì)機(jī)器人搭載的清洗器抽真空，使剝除銹層的水射流帶著銹渣被真空流卷吸走并被進(jìn)行后續(xù)的廢水處理。同時(shí)，清洗器內(nèi)由于高壓水的作用，具有約80攝氏度的溫度場(chǎng)，可使作用面被及時(shí)干燥，避免發(fā)生“返銹”現(xiàn)象。

控制系統(tǒng)也是機(jī)器人的必不可少的組成部分，其主要采用上下位機(jī)架構(gòu)，如圖2所示。手持式的控制盒作為系統(tǒng)的上位機(jī)，負(fù)責(zé)接收操作人員的操控命令并將命令傳給下位機(jī)控制器系統(tǒng)，并同時(shí)接收顯示下位機(jī)實(shí)時(shí)返回的清洗機(jī)器人作業(yè)狀態(tài)信息以及故障診斷信息；下位機(jī)控制器系統(tǒng)是清洗爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)的核心部分，負(fù)責(zé)整個(gè)清洗機(jī)器人裝備的作業(yè)控制，包括超高壓水射流清洗軌跡控制及參數(shù)配置、爬壁機(jī)器人軌跡運(yùn)動(dòng)控制、真空回收系統(tǒng)作業(yè)控制、設(shè)備故障診斷及安全預(yù)處理、在線操作通信五個(gè)功能模塊。

圖2 除銹爬壁機(jī)器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

爬壁機(jī)器人結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

爬壁機(jī)器人主要由電機(jī)控制履帶爬行機(jī)構(gòu)、永磁吸附機(jī)構(gòu)、高壓水旋轉(zhuǎn)射流清洗機(jī)構(gòu)等幾大機(jī)構(gòu)模塊組成，整體結(jié)構(gòu)如下圖3所示，所研制的爬壁機(jī)器人樣機(jī)如圖4所示。

電機(jī)控制履帶爬行機(jī)構(gòu)又包括電機(jī)驅(qū)動(dòng)模塊、從動(dòng)輪浮動(dòng)模塊和履帶壓緊模塊。其主要用于實(shí)現(xiàn)機(jī)器人在船舶壁面靈活而平穩(wěn)的移動(dòng)。由于船舶表面有一定的弧度和一定的障礙高度，所以電機(jī)控制的履帶爬行機(jī)構(gòu)也具有一定控制履帶松緊的功能，保證履帶既不會(huì)太緊以致于卡死或翹起，也不會(huì)太松而難以爬行。

永磁吸附機(jī)構(gòu)主要包括汝鐵硼磁鐵、軛鐵、鋁框和橡膠保護(hù)套等等，在保證永磁鐵不容易被磨損，撞擊，高溫炙烤而損壞的前提下，來(lái)實(shí)現(xiàn)機(jī)器人有足夠的吸附力克服重力，射流反作用力等綜合產(chǎn)生的傾覆力矩，而平穩(wěn)的吸附在船舶表面上進(jìn)行工作。

高壓水旋轉(zhuǎn)射流清洗機(jī)構(gòu)是船體除銹的直接作用部件，包括自旋轉(zhuǎn)清洗裝置，真空清洗腔和密封皮囊等。自旋清洗裝置通過(guò)多個(gè)高壓水噴嘴一定角度的安裝，利用射流反作用力而進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，從而增大清洗面。真空清洗腔保證射流清洗后能攜帶廢渣被充分回收，防止返銹。密封皮囊具有一定的彈性，在密封的同時(shí)也不影響機(jī)器人越過(guò)一定高度的障礙物和一定弧度的表面。

圖3爬壁機(jī)器人整體結(jié)構(gòu)

圖4爬壁機(jī)器人樣機(jī)

高壓水射流除銹有限元仿真

利用有限元仿真技術(shù)，通過(guò)FLUENT軟件，系統(tǒng)對(duì)不同壓力的水射流進(jìn)行了仿真模擬，重點(diǎn)研究了射流靶距和射流角度對(duì)除銹效果的影響，如圖5-8所示。從圖6中可以看出，高壓水射流作用力隨靶距的改變而變化的規(guī)律。圖7則反應(yīng)出不同角度射流沖擊下因?yàn)檎龎毫图羟辛Φ木C合作用而造成的靶面應(yīng)力的不同?？梢缘贸鲆韵陆Y(jié)論：（1）當(dāng)靶面為15mm和20mm時(shí)，靶面應(yīng)力最大，除銹的最佳靶面應(yīng)該控制在15mm-20mm之間。（2）當(dāng)射流角度控制在0°和30°時(shí)，靶面綜合應(yīng)力較大，考慮到當(dāng)射流角度為30°時(shí)，可以實(shí)現(xiàn)清洗器的自旋，故優(yōu)化角度定為30°。把參數(shù)定位最佳后，其靶面受力云圖如圖8所示。

圖5 200Mpa水射流沖擊靶面速度云圖

圖6不同靶距下的靶面應(yīng)力

圖7不同射流角度下的靶面應(yīng)力

圖8 200Mpa最佳靶距角度時(shí)靶面應(yīng)力

爬壁機(jī)器人除銹實(shí)驗(yàn)研究

為驗(yàn)證機(jī)器人除銹能否滿足實(shí)際要求，同時(shí)為了進(jìn)一步優(yōu)化機(jī)器人行走速度、噴嘴旋轉(zhuǎn)速度，以及高壓水射流等工藝參數(shù)以提高工作效率，在友聯(lián)船廠（蛇口）有限公司開(kāi)展了大量對(duì)比實(shí)驗(yàn)，包括平板、立板和船體除銹實(shí)驗(yàn)，如圖9所示。

圖9 平板、立板和船體除銹實(shí)驗(yàn)

為優(yōu)化清洗盤(pán)內(nèi)噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度，我們?cè)谄桨迳线M(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)，幾種不同旋轉(zhuǎn)速度下的除銹效果如圖10所示。當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)速度較低時(shí)，清洗軌跡不連續(xù)，表面粗糙度較高，不能完全將鐵板清洗干凈；當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度達(dá)到一定值時(shí)，除銹效果非常好。

圖10 不同旋轉(zhuǎn)速度下（400/823/1046rad）的除銹效果

為研究射流壓力對(duì)除銹效果的影響，開(kāi)展系列的不同壓力下除銹實(shí)驗(yàn)，效果如圖11所示。可以看出，隨著射流壓力的增大，其除銹效果越好。一般來(lái)說(shuō)，射流壓力在220Mpa以上的除銹效果就能達(dá)到生產(chǎn)需求。

圖11 不同射流壓力下（180/200/220Mpa）除銹效果

為更直觀表達(dá)除銹效果，對(duì)機(jī)器人除銹前后進(jìn)行對(duì)比，如圖12所示。

圖12 除銹前后對(duì)比圖

現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)結(jié)果顯示，機(jī)器人除銹等級(jí)已達(dá)到Sa2.5，可直接進(jìn)行下一步的涂裝。實(shí)驗(yàn)證明基于高壓水射流的船舶除銹機(jī)器人技術(shù)完全可以替代傳統(tǒng)的噴射除銹，滿足船廠實(shí)際除銹生產(chǎn)要求。

除銹爬壁機(jī)器人應(yīng)用展望

爬壁機(jī)器人除銹效率相較原先的人工噴砂除銹平均可以提高6倍以上，而除銹成本卻只有原有的40%左右。僅以本文所述深圳友聯(lián)船廠（蛇口）為例，該單位平均每年修船近300條，總的除銹清洗面積可達(dá)300萬(wàn)平方米，項(xiàng)目合作單位每年修理船只為200-300條，總的除銹清洗面積可達(dá)300萬(wàn)m2。若采用基于超高壓水射流爬壁機(jī)器人除銹技術(shù)的除銹，直接節(jié)省成本超過(guò)7500萬(wàn)；另一方面，由于除銹效率大幅提高，因此，企業(yè)可以承接更多的訂單，更進(jìn)一步地增加企業(yè)盈利。

可見(jiàn)市場(chǎng)潛力巨大。另外，爬壁除銹機(jī)器人技術(shù)不僅可以用來(lái)進(jìn)行船舶除銹，還可以在海上石油平臺(tái)、碼頭、水下管道等設(shè)施中大展身手，具有極大潛力。

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