1、 本科毕业论文 （ 20 届） 船舶水下清洗设备的设计 所在学院 专业班级 机械设计制造及自动化 学生姓名 学号 指导教师 职称 完成日期 年 月 本科生毕业论文 I 摘 要 海洋生物比如贝壳和海藻具有较强的粘附力，吸附在船上导致船体表面粗糙度增加 ,从而降低了船舶的航行速度，给船舶航运带来了巨大的损失。 所以我考虑要设计一种设备，能在船舶不进坞的情况下，有效地清除附在其外表面上的海生物，有利于延长船舶坞修时间和提高船舶使用寿命。船体表面清洗设备是针对船体表面的附着物需要定期进行清洗为背景和以提高清洗自动化水平为目的而开发的一种水下清洗作业装置。 船舶水下液压清洗设备由回转机构、清洗机构、磁路
2、机构等关键部件组成，通过臂杆往复运动和叶片旋转来清除海生物，通过控制定位系统使叶片始终与船体保持一定距离以保护油漆，后续有高频超声波震荡来清除残余海生物。所研制的设备具有体积小、调节方便、效率高、清洗简单可靠等特点， 具有一定的应用推广价值。 本文介绍了有关船舶壁面移动清洗设备的分类和特点，总结壁面移动清洗设备的国内外发展现状和应用情况， 根据工作环境和特点，提出方案，经过分析对比选择了轮式、永磁体吸附方式的总体结构， 提出了基于液压传动、轮式驱动，永磁吸附式的船体表面水下清刷清洗设备结构方案。 本文建立了船舶水下清洗设备沿船体表面上下运动时的力学模型，推导了清洗设备抗倾覆、下滑和数值计算表明
3、，该方案能减少最小吸附力和驱动力矩，达到抗倾的目的。下滚时的条件，计算了清洗设备正常沿船体上下工作时所需要的最小吸附力和驱动力矩 。 关键词： 船舶；水下清洗设备； 往复机构；弹性机构 本科生毕业论文 II Abstract Halobios with strong adhesive force result in the increase of hull surface roughness because of the attachment of seashell and seaweed , reducing the speed of the ship,and it has brought
4、huge losses to the shipping.So I consider to design a device The marine growth is removed, when the ship is out of the dock in order to prolong docking repair time and life of ship.In allusion to the period brushing on the ship hull and aim at enhancing the level of the automatization,The ship hull
5、machine is reashered as a special type underwater working tool. A kind of ship underwater cleaning device developed in the present paper, and the key technologies of swing, cleaning and magnetic circuit mechanism were introduced. The device embody is small, easy to condition, high efficiency, easy t
6、o clean and high reliable. The marine growth is removed through the rotating blades, and the fixed distance between the leaves and the hull is kept by controlling the positioning system to protect the hull coat. At the same time, the following high-frequency ultrasonic vibration would remove residua
7、l marine growth. The device is helpful for application and promotion. The dissertation introdueed the development situation and the applieation instanee of The Underwater Ship Hull Cleaning Robot in the domestic and in the word firstly， Bring forward several project,through analyzing and contrast,we
8、 select double crawler movement and permanent magnetic absorption for the machine.then puts forward the structure seheme which adopt liquid drive， moving on wheels or wheels and the magnetic circuit structure.The motion mechanics model of ship cleaning equipment underwater along hull surface was set
9、 in the present paper, the condition of overturning, decling and rolling resistance was derived, the minimum adsorption force and driving torque was calculated when the cleaning equipment was operating along the ship surface. At the same time, two rear spring supported wheels were installed in the e
10、quipment. The calculation results showed that this project can reduce the minimum adsorption force and driving torque in order to resist overturning. Keyword： shipping; underwater cleaning device;reciprocating bodies;elastic bodies; 本科生毕业论文 III 目录 第 1 章 绪论 . 1 1.1 课题的来源、目的和意义 . 1 1.2 水下清刷技术的国内外发展概况
11、. 1 1.3 壁面移动机器人的国内外发展概况 . 3 1.3.1 国外壁面移动机器人的发展概况 . 3 1.3.2 国内壁面移动机器人的发展概况 . 3 1.4 本文的研究内容及主要工作 . 4 第 2 章 清洗设备主要机构的优化选择 . 5 2.1 吸附机构的选择 . 5 2.2 磁材料的选择 . 5 2.3 驱动方式的选择 . 6 2.3.1 液压驱动传动的特点 . 6 2.3.2 液压系统的的原理 . 7 2.4 移动方式的选择 . 8 2.4.1 轮式移动方式 . 9 2.5 高频震荡的选择 . 9 2.5.1 超声波清洗原理 . 9 2.5.2 空化泡的扩大以及爆裂 . 10 2.
12、5.3 换能器和发生器 . 10 2.5.4 声波的压缩和膨胀 . 10 2.5.5 频率的重要性 . 10 2.5.6 清洗液的选择 . 11 2.5.7 超声清洗的优越性 . 11 第 3 章 清刷设备各主要机构的确定 . 13 3.1 清洗设备工作原理 . 13 3.2 水下船体表面清洗设备本体结构 . 14 3.2.1 往复机构 . 14 本科生毕业论文 IV 3.2.2 清洗机构 . 16 3.2.3 弹性机构 . 17 3.2.4 吸附机构 . 18 3.2.5 驱动机构 . 18 3.2.6 可视机构 . 19 3.3 选定设备清洗效率的验证 . 19 第 4 章 清刷设备的力学
13、分析 . 20 4.1 清刷装置相对船舶静止时系统力学分析 . 20 4.2 清刷装置相对船舶运动时系统力学分析 . 22 第 5 章 清洗设备控制系统框架图 . 27 5. 1 引言 . 27 5. 2 清刷装置控制系统 . 27 结论 . 28 【参考文献】 . 29 小 结 . 30 致 谢 . 错误 !未定义书签。 附：水下清洗设备整体效果图 . 31 本科生毕业论文 1 第 1 章 绪论 1.1 课题的来源、目的和意义 随着世界经济的发展，带来了远洋运输事业的飞速发展，船舶作为海上交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。但海水的强腐蚀性和海洋生物的强附着力，使得船体表面附着难以清除
14、的贝类、锈皮和锈斑等，为了延长船舶的使用寿命，保证船舶的安全运行，船舶必须定期进坞进行检验。这就存在着修船期长，船坞不足的问题，同时也增加了船舶的非营运时间和燃 油的消耗。所以开展船舶水下清刷作业，提高水下清刷作业的自动化水平，是目前急需解决的问题。 船舶水下清刷技术是从六十年代开始的，在进坞前对船舶实行水下清洗、除锈、水下检查等，使得进坞后可以迅速地对查出的故障进行处理，对船体进行涂装等维修工作，从而可缩短坞修时间，也可以对水下检查后没有必要进坞维修的船舶进行完全的坞外清刷、喷涂。这样可在拥有同样多船坞的条件下修更多的船，并可在某些项目上，开展大型船舶的服务业务，而不必局限在大坞的吨位上。据
15、统计，世界上 5 万吨以上的船占船舶总数的 49.4%，这是一部分相当大 的业务对象。而我国虽有大连造船新厂等几家拥有 20 万吨级以上的船坞，但还是与国外存在很大的差距，我国只有在修船效率上下工夫。 水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油消耗大大地降低。这样可以解决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。其长远意义在于海洋工程结构的维修及军事方面应用的巨大前景。 1.2 水下清刷技术的国内外发展概况 水下清刷作业由于可以在舰船锚泊或停靠码头时直接进行，一方面减少了船舶的停航损失，另一方面也使得船舶的燃油消耗大大地降低。这 样可以解
16、决船坞不足，特别是大坞严重不足的问题。其长远意义在于海洋工程结构的维修及军事方面应用的巨大前景。水下清刷作业具有减小船舶阻力、减少航速损失和节约燃料等优点，特别是在全球石油危机的影响下，船舶的水下清刷作业更是得到了广泛的应用和发展。 水下清刷技术的发展分为三个阶段。第一阶段为手工操作阶段，由潜水员下水进行清刷工作。第二阶段为机械操作阶段，由专用的清洗器、涂装机等机械完成大型船舶的清刷任务，并具有较高的工作效率。第三阶段为遥控机械或机器人作业阶段，为在恶劣的海洋环境下开展工作提供了保障。在国外，机器人 作业装置已经日趋成熟并走向实用化。法国的 BK 型、瑞典的曲雷耳和澳大利亚的 Anstrali
17、an 型的结构均采用了水下运载工具的设计原理，使装置紧贴于船舷壳板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遥控操作。它的工作部分由 3 个转刷， 3 个行走轮和 1 个中心推进器构成。动力源是液压或气动的。 在国内，水下清刷作业自 1983 年在湛江、厦门、天津、秦皇岛、烟台、大连等地建立本科生毕业论文 2 了业务以来，主要方式是潜水员水下手工作业，与国外的无潜水员遥控操作形成了鲜明的对比。上海救捞局有关厂曾对进口设备进行过研究，并仿制了单刷式清扫器，但效果不好 ，对于更高层次的产品研究则更少。目前我国船体表面的清理工作主要是在船坞里进行喷砂，如图 1.1 所示，高压水冲洗如图 1.2 所示。在船
18、坞里对船体表面进行喷砂处理，作业环境污染相当严重。 图 1.1 喷砂处理 图 1.2 高压水冲洗 本科生毕业论文 3 1.3 壁面移动机器人的国内外发展概况 壁而移动机器人是集机构学、传感技术、控制和信息技术为一体的高技术产品，国外从80 年代以来取得了迅猛的发展，有的已开始进入实用试验阶段。其中尤以日木发展最快。国内起步较早的是哈尔滨工业大学机器人研究所。下面我们 将介绍国内外的一些具有代表性的壁面移动机器人。 1.3.1 国外壁面移动机器人的发展概况 1978 年，日本化工机械技术服务佳氏会社研制开发了两种用于核电站壁面除污的爬壁机器人 PC 型和 PD 型。这两种机器人均为单吸盘结构，利
19、用抽气泵产生负压，无自身行走能力，靠绞车拖动。此后又开发出了一种“ Walker”的机器人。该机器人有上下两个滚子，左右有两个行走带轮，滚子和带轮围成真空室，由电机驱动带轮带动滚子移动，通过带轮的转速差实现转向。 日本三菱重工业公司推出了一种轮式磁吸附喷涂爬壁机器人示。该机器人可吸附在20mm 以 上厚度的磁性结构物上，磁吸附力可 2000N，其结构尺寸为 800mmX500mmX200mm，重400N，装在一个重 200N 的喷涂架上。机器人通过三个伺服马达分别驱动三个轮子进行移动，由前轮实现转向，移动速度为 10m/min，喷涂速度为 lm2 /min。 1987 年，日本日立制作所的内藤
20、钟司等人开发了履带式磁吸附检查机器人。将永磁体镶在链条上形成磁性履带，履带吸附于壁面并移动。为了避免出现载荷集中现象，又开发了一种适用于平面的负荷分散机构，即在履带上加了一根刚性导杆，使 履带由铰链联接变为刚性联接，从而使载荷均匀分布在各永磁体上。该机器人的结构尺寸为 390mmX310mmX200mm，自重 76N，可跨越 13mm 的突起焊缝，最大移动速度可达 10m/min。之后又将刚性导杆分割成多段，用连杆多级联接，研制了适用于曲面的负荷分散机构。为了使结构对称，机构的重心始终处于中心位置，导杆分割的个数必须为 2 的幂次方。其外形尺寸为 650mmX450mmXl50mm，自重为 2
21、70N，可跨越平面上的 13mm 的突起和半径 2m 的曲面外侧的 10mm 的突起部分。 1.3.2 国内壁面移动机器人的发展概况 从国内的发展来看，哈尔滨理工大学研制了测量金属大罐漆膜厚度的轮和履带复合式永磁吸附爬壁机器人。该机构由履带式驱动轮和磁性导向轮两部分组成，驱动电机经一级齿形带传动，将运动传至驱动轮，四个磁性支重轮安装在两套台车架上，台车架采用弹性悬架。由于采用了弹性悬架和前轮的减震弹簧，使得车体在行进中能有效的吸收能量，在遇到障碍时能柔顺的仿形。这种机构为导磁性壁面如石油化工的大型储罐、核废液储存罐及造船行业实施多种作业提供了方便的运载工具。结构尺寸为 48OmmX345mmX
22、225mm，自重 122.5N。 上海交通大学从 1992 年开始研制测量油罐容积的履带式永磁吸附爬壁机器人。该机器人用永磁铁作为磁吸盘元件，磁吸盘连接在链条上，具有磁性定向转位机构和力分散机构。机器人不含电缆重 146N，可负重 200N，行走速度 2m/min。 本科生毕业论文 4 哈尔滨工业大学从 1991 年开始研制用于石化企业金属罐的喷砂除锈、检测涂层厚度和喷漆防腐的履带式永磁吸附爬壁机器人。爬行速度为 2 一 8m/min，有线遥控，负重能力达到 300N 以上。在机器人的加了一个万向轮，可防止机器人发生倾覆现象。 1997 年，开发了适用于电站锅炉水冷壁排管清扫、敲渣和测厚的永磁
23、吸附爬 壁机器人试验样机。永磁吸附块形状呈管壁形状相吻合，减少了磁路中的气隙提高了磁吸附力。履带用密封罩进行密封并设计了气压回路，进一步防止磁吸附块对铁削的吸引。爬行速度 28m/min，有线遥控，遥控距离大于 60m，负重不小于 400N。 1.4 本文的研究内容及主要工作 船舶表面清刷机器人的研究目的是研制成一种能在船舶锚泊或停靠码头时在水下对船舶表面的水生物进行清理的壁面移动式机器人。该机器人的具体技术指标为 : 吸附方式 : 强磁轮磁力吸附； 移动方式 : 轮式液压马达驱动； 移动速度 : 1 5m /min； 控制 方式： 有线遥控； 负重能力： 不小于 400N； 工作深度： 水下
24、 20m 以内； 清洗茂盛海生物的能力： 不小于 120 平方米 /小时，总体尺寸约为 1000 800 500 毫米。需要解决以下问题。 1.清洗设备本体结构的研究和设计 根据船体清洗设备的使用环境、技术指标的要求和系统组成，设计设备的本体结构； 2.稳定和可靠的吸附能力研究 机器人能否稳定的吸附在船壁上是课题的一个关键性问题，因此需要将原理样机转化为工程样机过程中在结构上简化，选材上减轻质量，并且从其他方面上增大吸附力，提高吸附力的富裕量。 3.清洗设备控制系 统的研究和设计 清洗设备的控制系统采用上位机和下位机串行通讯方式，主要完成控制系统的软件编制和硬件设计，实现驱动马达的速度控制、设
25、备位姿的控制和震荡清洗的控制，保证设备在船体表面按预定的轨迹移动和完成清洗作业。 4.震荡清洗机构的研究和设计 确定驱动震荡板所需的液压泵，液压马达。通过改变马达输出转速，震荡板的震荡效果的试验对比，并考虑震荡清洗时设备本体的受力情况，合理地设计震荡清洗机构和设备本体的联接机构。 本科生毕业论文 5 第 2 章 清洗设备主要机构的优化选择 2.1 吸附机构的选择 船体结构焊缝超声自动检测装 置的吸附方式有三种，真空吸附，磁吸附和推力吸附。三种吸附方式的比较如表 2.1；从表中可以清楚地看出三种吸附方式的特点。由于船体表面是导磁性材料，且船体表面凹凸不平，为了提高吸附力，选用磁吸附法。采用永磁体
26、吸附比较安全可靠，即使突然断电，船体结构焊缝超声自动检测装置也不会发生坠落现象，而电磁铁要实现吸附功能就要受到电源通断电的限制，故选用永磁铁吸附方式。 表 2.1 壁面移动机器人吸附方式的比较 吸附方式 优点 缺点 真空吸附 单吸附盘 允许有一定程度的泄露面积，允许壁面有凹凸 吸盘无冗长性，一旦泄露超过界限， 本体将失去吸附功能 多吸附盘 吸附尺寸小，易实现轻量化，冗长性好 当壁面有凹凸或裂缝时，将会有泄露 磁吸附 永磁体 维持吸附力不需要外加能量，安全性能好 步行时磁体与壁面分离需要很大的力 电磁体 很容易实现磁体与壁面的离合，易实现快速移动 维持吸附力需要电能，且电磁体本身的重量也很重 推
27、力吸附 不存在泄露问题，对壁面形状、材料适应强 产生推力的装置噪音大、体积大，效率低 2.2 磁材料的选择 磁性材料包括产生磁通量的永磁材料和引导磁通量的软磁材料，即轭铁。选择永磁材料需要考虑以下几点要求。 1.永磁材料的最大磁能积要大，即单位体积的磁块能产生尽可能大的磁力； 2.永磁材料要有比较好的稳定性； 3.永磁材料要具有高的韧性，这样不易破损和开裂，也方便加工和装配； 4.永磁材料要具有高的性能价格比。 永磁材料主要有合金系永磁材料，铁氧体永磁材料和稀土系永磁材料等。自二十世纪六十年代稀土永磁材料问世以来，一改永磁材料的硬而脆的缺点，实现了永磁材料性能上的重大改进。 第三代稀土永磁材料钕铁硼 (Nd Fe B)是目前磁性能极佳的永磁材料，它资源丰富，价格便宜，退磁曲线基本上是直线，并且回复曲线近似的与退磁曲 线重合，而且内禀矫顽力极高，在磁路中可减少漏磁。适合在开路状态、压力场合、反磁场或动态情况下应用，并由
