旋轉(zhuǎn)式柔性船體表面水下自動清掃機(jī)

1、旋轉(zhuǎn)式柔性船體表面水下自動清掃機(jī)第一部分產(chǎn)品研制的背景、目的和意義1.1 產(chǎn)品研制的背景：伴隨著海洋經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，我國也加大了對海洋的重視程度，因此各種輪船也隨之生產(chǎn)出來，不過由于輪船是在水里航行，因此海洋上的各種小型水生物會吸附在船體, 尤其是藤壺等。藤壺吸附在船體表面會導(dǎo)致輪船在行駛過程中阻力增大，增加輪船在行駛時(shí)的油耗， 也污染了環(huán)境。 因此必須對藤壺等小型水生物進(jìn)行處理。當(dāng)前隨著海洋的開發(fā)和能源的開采，各種用于海洋開發(fā)和運(yùn)輸?shù)拇氨恢圃斐鰜恚?2013 年世界造船完工量一共為 10757 萬載重噸而在 2013 年，我國造船完工量 4534 萬載重噸，而一旦一艘船舶粘附上藻類或藤壺， 其

2、速度會減少 10%，而耗油量會上升 40%。全球船舶業(yè)每年為此需耗資近一百億美元。因此船體表面清掃事業(yè)前景廣闊，大有作為。目前為了清掃船體表面分為化學(xué)方法和物理方法， 而化學(xué)方法一般為通過研制一些特殊的材料或者物質(zhì)來驅(qū)趕藤壺， 不過由于材料的磨損和溶解導(dǎo)致海水被污染， 并且當(dāng)材料溶解完全時(shí)， 藤壺等水生物又會吸附在船體表面。 而物理方法則為通過一些清掃機(jī)構(gòu)在船體表面進(jìn)行船體表面的清掃， 以達(dá)到船體表面的清掃作用。而通過清掃機(jī)構(gòu)清掃有兩種，一種為人工方式，通過手持清掃器在船體表面進(jìn)行清掃， 另一種則是通過自動清掃機(jī)構(gòu)進(jìn)行清掃，人工進(jìn)行船體表面清掃效率不高，而且成本比較高，而自動清掃機(jī)構(gòu)則可以提高

3、工作效率，并且清掃的成本會非常低。因此自動清掃機(jī)構(gòu)更符合要求。1.2 市場需求分析：對市場需求進(jìn)行細(xì)化分析，包括市場定位，需求量，基本技術(shù)要求，競爭環(huán)境情況。隨著未來我國的海洋戰(zhàn)略的深入， 各種船舶的數(shù)量必將越來越多，據(jù)估計(jì) 2015年新船成交量可能為 8000 萬載重噸的水平，。新船完工量將在 1.1 億載重噸左右，手持訂單量將為 2.82 億載重噸水平。成交金額將達(dá)到 400 億美元，雖然與去年水平相比略低，但是船舶總量還是相當(dāng)樂觀的。 因此我國的船舶制造空間依然很大，對船舶的清掃需求也在增大。1.3 產(chǎn)品研制的目的和意義：履帶清掃機(jī)構(gòu)是物理清掃方式中的重要方式，在清掃過程中， 由工作人員

4、將清掃機(jī)構(gòu)放在船體表面，并通過電纜來控制清掃機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，并通過其清掃盤進(jìn)行船體表面的清掃工作。該清掃機(jī)構(gòu)的制造和技術(shù)要求都不高， 對船體表面的清掃設(shè)備的開發(fā)有很大的作用，對我國海洋戰(zhàn)略有很大的意義。1. 促進(jìn)我過船體表面清掃的技術(shù)，促進(jìn)我過海洋資源的開發(fā)。保護(hù)海洋環(huán)境。我國船舶的制造已經(jīng)上升為全球第一， 而我國的港口吞吐量也達(dá)到了世界第一，為了在船舶的航運(yùn)和制造中繼續(xù)前進(jìn)，必須掌握船舶的相關(guān)產(chǎn)業(yè)的核心技術(shù)。否則我過將受制于人。2. 提升我國船舶相關(guān)產(chǎn)業(yè)的水平。通過對船體表面的清掃的研究可以減少船舶的能耗，并且保護(hù)了環(huán)境，對于我國船舶的相關(guān)產(chǎn)業(yè)有著巨大的推動作用。3. 提高我省船舶相關(guān)產(chǎn)業(yè)的行業(yè)

5、競爭力：江蘇省已經(jīng)成為我國重要的海工裝備產(chǎn)業(yè)基地之一， 其 2010年的造船總量占全國的14%，產(chǎn)值突破 1000 億元，成為僅次于上海的全國第二大造船基地，海工裝備佔(zhàn)國內(nèi)市場份額的1/3 ，產(chǎn)品覆蓋從近海到深海的所有種類，在品種及數(shù)量上居國內(nèi)領(lǐng)先地位。雖然江蘇省已確立了裝備研制和產(chǎn)業(yè)化大省的地位，但其海工服務(wù)產(chǎn)業(yè)的從事企業(yè)數(shù)量和規(guī)模相比天津、上海等地還較小，本項(xiàng)目通過減少船舶的能耗，提高能源利用率來增加市場競爭力。4. 推動我省傳統(tǒng)產(chǎn)業(yè)結(jié)構(gòu)調(diào)整， 通過產(chǎn)學(xué)研增強(qiáng)企業(yè)自主創(chuàng)新能力江蘇省是我國的經(jīng)濟(jì)大省，也是船舶海工裝備制造業(yè)大省。面臨全球性經(jīng)濟(jì)復(fù)雜多變，行業(yè)一直處于轉(zhuǎn)型的周期性調(diào)整。華西村作為

6、我國新農(nóng)村的代表，被贊譽(yù)為 " 天下第一村" ，集團(tuán)公司也正積極尋求產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)型。海洋工程項(xiàng)目涉及專業(yè)學(xué)科多，需要集中相關(guān)優(yōu)秀人才和先進(jìn)技術(shù)設(shè)備，形成政府、科研機(jī)構(gòu)和產(chǎn)業(yè)部門三位一體的形成聯(lián)合開發(fā)機(jī)制，利用各自的技術(shù)優(yōu)勢。本項(xiàng)目的實(shí)施將發(fā)揮華西村的骨干帶頭和示范效應(yīng)，實(shí)現(xiàn)我國船舶清掃方式的自主創(chuàng)新和重點(diǎn)跨越，在發(fā)展上獲得主動權(quán)5. 培養(yǎng)企業(yè)科技創(chuàng)新型人才項(xiàng)目的研制開發(fā)將充分發(fā)揮高校和企業(yè)海工人才的學(xué)術(shù)帶頭人作用，企業(yè)通過與江蘇科技大學(xué)在技術(shù)、人才上的合作與交流，在攻克技術(shù)的同時(shí)， 可培養(yǎng)一批科技創(chuàng)新型人才，創(chuàng)造更好的海工科研環(huán)境和條件，為企業(yè)持續(xù)發(fā)展提供人才保障。第二部分產(chǎn)品研

7、制的技術(shù)路線通過對船體表面清掃機(jī)產(chǎn)品開發(fā)技術(shù)路線的全面探討， 深入研究分析了清掃機(jī)產(chǎn)品的研制難點(diǎn)。 圍繞著清掃機(jī)產(chǎn)品設(shè)計(jì)及水下船體表面作業(yè)的實(shí)施難點(diǎn)進(jìn)行了大量研究，運(yùn)用一一對應(yīng)、系統(tǒng)組合、技術(shù)借鑒、技術(shù)整合和技術(shù)創(chuàng)新等手段， 基本完成了產(chǎn)品開發(fā)的技術(shù)路線設(shè)計(jì)，解決了項(xiàng)目研制的關(guān)鍵技術(shù)難點(diǎn)問題， 為產(chǎn)品的生產(chǎn)奠定了堅(jiān)實(shí)的基礎(chǔ)。針對產(chǎn)品研發(fā)的關(guān)鍵技術(shù)主要采取以下技術(shù)方案進(jìn)行解決。（1）船體表面清掃機(jī)總體方案設(shè)計(jì)在針對船體附著物及基本清掃方式的分析基礎(chǔ)上，分析了國內(nèi)外現(xiàn)有的研究狀況，研究了水下船體表面清掃機(jī)的工作原理，討論了清掃機(jī)的功能要求，提出了合理的工作過程及總體方案，根據(jù)水下船體表面工作狀況的

8、要求設(shè)計(jì)了合理的結(jié)構(gòu)。（2）清掃機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)清掃機(jī)要承當(dāng)檢測和清掃所用的工具，加上其本身的重量，行走機(jī)構(gòu)的負(fù)重會很大， 同時(shí)清掃機(jī)的工作環(huán)境是水下船體表面，隨著清掃機(jī)的行走，其吸附在船體表面與水平線的夾角會在0°至 90°內(nèi)變化，受力狀況也會隨角度不斷變化；另外，清掃機(jī)工作時(shí)始終受到海流運(yùn)動產(chǎn)生的作用力，因此行走機(jī)構(gòu)必須精心設(shè)計(jì)。這里詳細(xì)分析了：在清掃機(jī)行走方向與重力方向共面的特殊情況下，清掃機(jī)在船體表面角度為 0°到 90°時(shí)靜態(tài)和動態(tài)時(shí)的受力狀況，靜態(tài)受力和動態(tài)受力又分別分析了清掃機(jī)沿一點(diǎn)翻轉(zhuǎn)、沿壁下滑和沿壁下滾三種整體受力失去平衡的狀況；以及清

9、掃機(jī)在一般工作狀態(tài)下的受力狀況，并進(jìn)一步根據(jù)整體能夠穩(wěn)定工作的條件來分析清掃機(jī)行走機(jī)構(gòu)所需要的動力。（3）清掃機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析清掃機(jī)在實(shí)施清掃作業(yè)時(shí)，受到包括海流運(yùn)動產(chǎn)生的作用力，船體表面對永磁鐵吸附模塊產(chǎn)生的反作用力，清掃盤高速旋轉(zhuǎn)受到附著物對其的反作用力， 清掃模塊在不同角度或工作狀態(tài)下對行走機(jī)構(gòu)的作用力等復(fù)雜的環(huán)境載荷、工作載荷及內(nèi)力的作用， 因此結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)完成后需要進(jìn)行力學(xué)分析和強(qiáng)度校核，從而驗(yàn)證結(jié)構(gòu)詳細(xì)設(shè)計(jì)的正確性。并利用機(jī)械優(yōu)化理論及有限元分析方法對清掃機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)進(jìn)行了強(qiáng)度校核及優(yōu)化分析，證明清機(jī)機(jī)械結(jié)構(gòu)具有較高的可靠性。（4）清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)電機(jī)與清掃轉(zhuǎn)盤模塊通過聯(lián)軸器進(jìn)行固定連接

10、，清掃盤轉(zhuǎn)盤主體與中心柱經(jīng)槳葉輻條通過螺栓進(jìn)行固定連接，槳葉輻條在轉(zhuǎn)盤主體與中心柱間程均勻分布。一組多個組合轉(zhuǎn)子通過螺栓分別旋轉(zhuǎn)連接于槳葉輻條下方，一根槳葉輻條均勻分布2 個組合轉(zhuǎn)子。組合刀具亦通過螺栓固定連接在轉(zhuǎn)盤主體下方且呈內(nèi)外倆圈分布，內(nèi)外圈皆為5 個組合刀具呈均勻分布；刷盤（可更換）通過螺栓固定連接于轉(zhuǎn)盤主體下方。當(dāng)為電機(jī)為清掃轉(zhuǎn)盤模塊提供動力時(shí)，清掃轉(zhuǎn)盤模塊旋轉(zhuǎn)開始清掃，刷盤先接觸船體表面，開始清除柔性如青苔海藻類生物；組合刀具與刷盤有6mm高度差后接觸船體表面，隨轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)來去除硬質(zhì)附著物如貝類等；組合轉(zhuǎn)子亦與組合刀具有6mm高度差最后接觸船體表面，開始對刷盤與組合刀具未能除去的附

11、著開始清除尤其是藤壺類難以去除的硬質(zhì)附著物，組合轉(zhuǎn)子利用轉(zhuǎn)盤的轉(zhuǎn)動從而利用自身慣性來對硬質(zhì)附著物進(jìn)行柔性反復(fù)式敲擊，從而達(dá)到清除而不傷船體的目的。同時(shí)槳葉輻條在為組合轉(zhuǎn)子提供工作平臺之時(shí)還以因其槳葉性質(zhì)，將轉(zhuǎn)盤與船體之間的污水排出之余更為模塊整體提供了副壓力，使模塊吸附更穩(wěn)定。第四部分技術(shù)關(guān)鍵及解決途徑由于旋轉(zhuǎn)式柔性船體表面水下自動清掃機(jī)的應(yīng)用條件復(fù)雜，對產(chǎn)品的整體性能要求很高。 在產(chǎn)品的研制過程中遇到諸多技術(shù)難點(diǎn)，如清掃機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)、 關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析、清掃機(jī)構(gòu)的結(jié)構(gòu)優(yōu)化等。針對各項(xiàng)關(guān)鍵技術(shù)采取了科學(xué)的設(shè)計(jì)理念和手段逐一解決。4.1.清掃機(jī)總體方案設(shè)計(jì)工作原理旋轉(zhuǎn)式柔性船體表面水下自動清

12、掃機(jī)是一種采用磁吸附爬壁機(jī)器人作為運(yùn)載體， 配備清掃、探測機(jī)構(gòu)或儀器用于水下船體表面清掃的機(jī)械設(shè)備。目前市場上船體清掃一般都是人工清掃或是機(jī)器人清掃，但依靠人工清掃依然是主要途徑，但人工清掃效率低， 塢內(nèi)清掃則嚴(yán)重影響了船舶的經(jīng)濟(jì)效益， 而人工水下清掃則更是有安全風(fēng)險(xiǎn)。相比之下，機(jī)器人水下清掃更加便捷，可以提高清掃效率，不影響船舶的正常航行，大大降低了清掃成本， 所以使用機(jī)器人清掃船舶是目前發(fā)展的一個主流方向。旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的基本工作原理是利用高速旋轉(zhuǎn)的清掃盤將船體表面藤壺類的附著物清理掉。 在施工過程中， 首先清掃機(jī)通過磁吸附履帶行走機(jī)構(gòu)移動到船體表面的水下待清理區(qū)， 通過履帶承載臺上

13、的攝像頭和探照燈拍攝清掃機(jī)前方的狀況， 并將畫面實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)供人觀察， 與此同時(shí)清掃電機(jī)開始不斷運(yùn)轉(zhuǎn)， 帶動清掃盤轉(zhuǎn)動并清掃，清掃盤邊緣部分由清掃刷和橡膠鏟構(gòu)成， 可清掃掉各種疏松的附著物；清掃盤內(nèi)部由若干個柔性轉(zhuǎn)子組成，可通過轉(zhuǎn)動撞擊并清掃掉藤壺等堅(jiān)硬的石灰質(zhì)附著物。陸地上的人可以通過觀察到的畫面控制清掃機(jī)往需要清掃的區(qū)域移動，從而實(shí)現(xiàn)清掃。工作過程因?yàn)樾D(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)是在水下的船體表面作業(yè)， 所以清掃機(jī)在整個工作過程中， 在海下現(xiàn)場是不可能有人為的干預(yù)和調(diào)整， 所以只能靠水下遠(yuǎn)程監(jiān)測以及通過控制系統(tǒng)進(jìn)行遠(yuǎn)程控制來調(diào)整清掃機(jī)的工作形態(tài)來完成作業(yè)任務(wù)。其工作過程大致如下：第一步：將清掃

14、機(jī)在關(guān)機(jī)狀態(tài)下緩慢地貼合在船體表面，因永磁鐵吸力較大，需要以此減輕永磁鐵和船壁吸附時(shí)的碰撞及對二者帶來的損傷。第二步：打開清掃機(jī)構(gòu)和行走機(jī)構(gòu)的動力， 使清掃盤開始不停地勻速轉(zhuǎn)動，并通過控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程控制磁吸附履帶開始低速平穩(wěn)地行走，進(jìn)入水下待清掃區(qū)。第三步：履帶承載臺上裝有探測系統(tǒng)， 通過探照燈照明清掃機(jī)前方船壁狀況，由攝像頭進(jìn)行拍攝并實(shí)時(shí)傳輸?shù)接?jì)算機(jī)， 陸地上的人以此實(shí)現(xiàn)對待清掃區(qū)域的遠(yuǎn)程監(jiān)測， 進(jìn)而控制清掃機(jī)往需要清掃的方向移動并清掃。功能要求及總體方案根據(jù)上述旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的工作原理和工作過程， 結(jié)合相應(yīng)的技術(shù)要求和指標(biāo)， 得出了旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的功能要求及方案：1、結(jié)構(gòu)：由于旋

15、轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的負(fù)重較大，在水下船壁工作時(shí)又有各種苛刻的受力狀況，為了能使清掃機(jī)始終穩(wěn)定地吸附在船壁工作，防止傾覆，應(yīng)盡量減輕行走機(jī)構(gòu)的重量，同時(shí)又具備良好的穩(wěn)定性，所以行走機(jī)構(gòu)的框架采用鋁合金板材拼接而成，使結(jié)構(gòu)部件內(nèi)部留空，并采用螺栓聯(lián)接的方式，易于拆裝，加工易于實(shí)現(xiàn)。在滿足清掃模塊安裝和工作質(zhì)量要求的同時(shí)，又能夠保證整體結(jié)構(gòu)的穩(wěn)定，并且便于加工制造和改裝升級；另外，船壁上有許多凸起的焊縫，為了使清掃機(jī)更好的適應(yīng)焊縫，防止經(jīng)過焊縫時(shí)發(fā)生傾覆，行走機(jī)構(gòu)上加裝了抗傾覆機(jī)構(gòu)。2、磁吸附方式：磁吸附爬壁機(jī)器人的吸附方式可分為車輪式、吸盤式、履帶式和步行式。旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)負(fù)重較大，需要在倒

16、置在不同的傾角的情況下工作，同時(shí)又要有越過焊縫的能力，綜合各種要求，選用履帶式是較好的方案。吸附功能通過雙履帶來實(shí)現(xiàn)，在每條履帶上各用螺釘聯(lián)接上兩列永磁鐵，每條履帶有近一半的永磁鐵與壁面處于良好的接觸狀態(tài)，從而使清掃機(jī)貼附在壁面上。對于磁性材料的選擇，經(jīng)綜合分析和比較，選擇磁性很強(qiáng)的釹鐵硼材料，由于在履帶運(yùn)動時(shí)釹鐵硼材料需要與船壁直接接觸并且是浸泡在海水中，而釹鐵硼材料較脆易碎且易被腐蝕，所以需要對釹鐵硼進(jìn)行鍍鎳防銹，另外為了磁鐵放裂，還需要對釹鐵硼做一些防護(hù)處理，可以加裝碳纖維套或是纏繞上一層凱夫拉線并涂膠水高溫固化。3、驅(qū)動方式：驅(qū)動方式包含行走機(jī)構(gòu)的驅(qū)動和清掃機(jī)構(gòu)的驅(qū)動。行走機(jī)構(gòu)采用步進(jìn)

17、式電機(jī)驅(qū)動， 在履帶的左右兩個驅(qū)動鏈輪內(nèi)側(cè)分別分布一個步進(jìn)式電機(jī)，實(shí)行單獨(dú)控制，步進(jìn)式電機(jī)體積小、功率大，可以在為行走機(jī)構(gòu)提供足夠的轉(zhuǎn)矩的同時(shí)節(jié)省空間； 通過驅(qū)動器控制步進(jìn)式電機(jī)的轉(zhuǎn)動， 可以在不同的工作狀況下提供所需要的轉(zhuǎn)速和轉(zhuǎn)矩，大大提高清掃機(jī)的實(shí)用性；左右電機(jī)由于是單獨(dú)控制，因此可以實(shí)現(xiàn)左右驅(qū)動鏈輪的差速轉(zhuǎn)向。 清掃機(jī)構(gòu)只需給清掃盤提供一個恒定的轉(zhuǎn)速，所以采用一個滿足轉(zhuǎn)速要求的三相異步電動機(jī)。5、控制系統(tǒng)：為了滿足旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的一系列作業(yè)功能，一是控制系統(tǒng)能控制各個電機(jī)使其能完成清掃工作；二是對各種緊急情況應(yīng)有及時(shí)的應(yīng)對方案和措施。1.清掃機(jī)本體； 2.水下探測攝像頭及探照燈；3

18、.圖像接收器； 4.清掃電機(jī)外接電源； 5.右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器； 6.左步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器圖 4-1-1 旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)系統(tǒng)示意圖圖 4-1 所示為旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的系統(tǒng)示意圖。 旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)系統(tǒng)包含水下探測攝像頭、探照燈、圖像接收器、清掃電機(jī)外接電源、左右步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器。其中探照燈和攝像頭一體，位于行走機(jī)構(gòu)的負(fù)載平臺上， 呈左右分布，通過探照燈找亮清掃機(jī)前方待清掃區(qū)域，由水下探測攝像頭拍攝并實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程傳輸給圖像接收器， 以供人觀察水下船壁狀況； 清掃電機(jī)外接電源通過電線與水下清掃機(jī)連通，為清掃機(jī)構(gòu)提供電力， 兩個步進(jìn)電機(jī)驅(qū)動器分別與左右步進(jìn)電機(jī)連接，人通過遠(yuǎn)程控制兩個驅(qū)動器來分別控

19、制兩個步進(jìn)電機(jī)的功率和轉(zhuǎn)速，從而實(shí)現(xiàn)履帶的前進(jìn)和轉(zhuǎn)彎。6. 清掃機(jī)本體結(jié)構(gòu)：考慮到旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的設(shè)計(jì)要求、工作原理、總體方案和加工的復(fù)雜度， 旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)的本體結(jié)構(gòu)如圖 4-1-2 所示。（a）正視圖（b）側(cè)視圖1.履帶； 2.釹鐵硼永磁塊； 3.水下探測攝像頭及探照燈； 4.清掃機(jī)構(gòu)電機(jī);5.行走機(jī)構(gòu)負(fù)載板； 6.抗傾覆杠桿；7.縱梁；8.橫梁；9.步進(jìn)式電機(jī)；10.清掃盤圖 4-1-2 旋轉(zhuǎn)式柔性船體清掃機(jī)本體結(jié)構(gòu)清掃機(jī)本體包含有左右兩個履帶， 履帶結(jié)構(gòu)為一個驅(qū)動鏈輪、 一個從動輪和兩個承重輪四輪一字排開的形式， 使履帶與船壁有更大的接觸面積，獲得更大的磁吸附力； 每個鏈節(jié)

20、外表面用螺釘固聯(lián)了左右兩塊永磁體矩形塊， 永磁鐵都經(jīng)過鍍鎳和加裝碳纖維套的處理， 起到防裂防腐蝕的作用； 履帶上除驅(qū)動輪外的三個輪子都通過輪軸固聯(lián)在橫梁上，驅(qū)動輪通過聯(lián)軸器與固定在橫梁上的步進(jìn)電機(jī)聯(lián)接； 左右橫梁上從前至后分別對稱分布三個縱梁， 縱梁通過螺栓聯(lián)接的方式與橫梁固聯(lián)，分布在中間和后方的四個縱梁上通過螺栓固聯(lián)一塊承載板；在承載板上固定放置清掃機(jī)構(gòu)的電機(jī)和探測模塊的水下攝像頭及探照燈，清掃盤通過花鍵聯(lián)接固聯(lián)在電機(jī)軸上；另外，為了保證清掃機(jī)的穩(wěn)定行走，在左右兩邊縱梁上還分別架置了一個抗傾覆杠桿， 抗傾覆杠桿又兩根相同的桿鉸接而成， 支點(diǎn)為焊接在后方縱梁上的一個鉸接支座，杠桿后端通過鉸接接

21、頭聯(lián)接了一個由鋼性彈簧和柱狀磁輪組成的彈性磁輪， 杠桿前端鉸接了一個橡膠推桿， 并且推桿工作時(shí)的力作用在前方的縱梁上， 當(dāng)焊縫位于履帶前端時(shí)， 受鋼性彈簧壓縮作用船壁會對杠桿后端產(chǎn)生一個支持力， 利用杠桿原理清掃機(jī)前端會受到一個較大的壓力； 而當(dāng)焊縫位于履帶后方時(shí)， 清掃機(jī)后端雖被焊縫頂起，但受柱狀磁輪的磁吸附力作用依然會對清掃機(jī)后方產(chǎn)生一個壓力，進(jìn)而使清掃機(jī)能安全通過焊縫。4.2 清掃機(jī)行走機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)清掃機(jī)在實(shí)施水下清掃作業(yè)時(shí)，受到復(fù)雜的環(huán)境荷載、工作荷載及內(nèi)力的作用。在這些荷載的聯(lián)合作用下， 必須保證其穩(wěn)定性。因此，有必要在設(shè)計(jì)階段對其受力進(jìn)行分析，以確定其正常工作所需的牽引力和磁吸附力。

22、特殊狀態(tài)靜力學(xué)分析清掃機(jī)在特殊狀態(tài)工作時(shí)，即其前進(jìn)方向與清掃機(jī)重力方向共面時(shí)，其吸附在船壁上與水平方向的夾角在0°至 90°內(nèi)變化， 工作狀態(tài)可分為靜止吸附和動態(tài)行走兩種，由于清掃機(jī)整體結(jié)構(gòu)左右對稱，因此簡化分析履帶的一側(cè)。 清掃機(jī)特殊狀態(tài)下靜止在船壁上的受力狀況如圖 4-2-1 所示。圖 4-2-1清掃機(jī)特殊狀態(tài)靜態(tài)受力圖a.船壁示意圖；H.清掃機(jī)重心高度；h.重心與履帶中心線的垂直距離； A. 清掃機(jī)傾覆支點(diǎn)；L.A 點(diǎn)與重心線的垂直距離；.清掃機(jī)傾斜角度；G.清掃機(jī)總重力（包括抗傾覆機(jī)構(gòu)）的一半與浮力之和 ;F.該側(cè)與船壁吸附的磁體產(chǎn)生的總磁力；Fr.履帶與壁面的最大

23、靜摩擦力；N.船壁的支持力；M. 步進(jìn)電機(jī)保持轉(zhuǎn)矩； r.驅(qū)動輪半徑； Fa.水流對清掃機(jī)的負(fù)壓力（a）防滑落靜力分析由于存在 F 與 M兩個變量，所以分析時(shí)需對其進(jìn)行控制。 分析防滑落時(shí)，令 M足夠大的，即步進(jìn)電機(jī)能夠提供足夠大的保持轉(zhuǎn)矩保證驅(qū)動輪在受外力矩作用下不發(fā)生轉(zhuǎn)動；同時(shí)簡化力學(xué)模型， 將與船壁接觸的磁鐵總的吸力等效為作用在履帶中心的集中作用力F；將履帶與船壁的摩擦力Fr 定義為最大靜摩擦力， 只要 Fr 不小于沿船壁方向的分力，通過該臨界值即得出磁鐵所需要的吸附力F。根據(jù)清掃機(jī)在沿船壁方向上的受力平衡，得出避免清掃機(jī)滑落失效的條件是：Fr-Gsin 0F-Gcos2/8*2-Fa

24、0 Fa= DVCFr= （F-Gcos） Gsin2/8*2且 F（ Gsin / ） + Gcos FGcos+DVC（b）防傾覆力矩分析清掃機(jī)發(fā)生傾覆失效時(shí)的臨界狀態(tài)為清掃機(jī)大部分脫離船壁，僅以最下方從動輪與船壁的接觸點(diǎn)為支點(diǎn)的狀態(tài)，定義這一支點(diǎn)為A, 并對 A 取矩，同樣令 M足夠大，對圖 4-2-1 所示受力分析，臨界條件為：F（L+h）- （hG sin +L Gcos） -Fa*L 022（L+h）F（ hG sin +L Gcos+LD /8*VC）/（c）防滾動分析分析清掃機(jī)靜態(tài)下滾動失效時(shí)， 應(yīng)排除其他兩種失效情況的影響，即 F 足夠大，磁鐵能提供足夠的吸力和沿船壁的摩擦力

25、使清掃機(jī)不會發(fā)生滑動和傾覆。 履帶發(fā)生滾動時(shí)是以驅(qū)動輪的軸心為支點(diǎn)， 因此對驅(qū)動輪的軸心取矩，對圖 4-2-1 所示受力分析，臨界條件為：M G sin （ H-r ）-Gcos（ L+2h）綜合三種靜態(tài)條件下防止失效的臨界條件， 可以得出靜態(tài)條件下F 和 M的大小。特殊狀態(tài)運(yùn)動的受力分析清掃機(jī)構(gòu)在船體表面處于靜止?fàn)顟B(tài)時(shí)，受重力G,船體表面與履帶之間的磁吸附力Fmi, 船體表面對履帶的支持力Ni, 船體表面與履帶之間的靜摩擦力Ff 以及清掃機(jī)構(gòu)與船舶一起做升沉運(yùn)動過程中在Z 方向的受力 Fzz，清掃機(jī)構(gòu)在水中受到的浮力Fb, 令 Fz=G+Fzz-Fb。清掃機(jī)構(gòu)的運(yùn)動狀態(tài)主要是沿船體表面從上往

26、下運(yùn)動，再從下往上運(yùn)動。清掃機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)除了受到靜止時(shí)所受的力以外，還要受到和運(yùn)動方向相反的海水阻力的作用以及每條履帶行動裝置產(chǎn)生的阻力的作用。下面分兩種情況來分析清掃機(jī)構(gòu)運(yùn)動時(shí)的受力狀況。1. 清掃機(jī)構(gòu)沿船體表面從上往下運(yùn)動，其受力情況如圖4-2-2所示圖 4-2-2要使清掃機(jī)構(gòu)沿船體表面勻速向下移動, 步進(jìn)電機(jī)和減速器必須產(chǎn)生制動力矩 Mt 和阻力矩 Mr 的作用 , 對 A 點(diǎn)取矩有：式中 :Fk-每條履帶的行動裝置阻力(N);Fr-海水阻力 (N) 。Fk 的大小取決于清掃機(jī)構(gòu)的自重、履帶的內(nèi)部張力和移動速度 , 其值約為清掃機(jī)構(gòu)自重的 3-8%。海水阻力 Fr 的大小：式中 :s-機(jī)器

27、人表面積 ();v-機(jī)器人移動速度（ m/s);c-阻力系數(shù) ,c=0.25 。令 , 則2. 清掃機(jī)構(gòu)沿船體表面從下往上運(yùn)動， 其受力圖如圖 4-2-3 所示圖 4-2-3要想使清掃機(jī)構(gòu)勻速向上移動, 步進(jìn)電機(jī)和減速器提供的驅(qū)動力矩 Mq應(yīng)克服履帶最上邊一個磁塊的 Fm1和形成的阻力矩及其它外力形成的阻力矩的作用 , 對 B 點(diǎn)取矩有令，則一般狀態(tài)的受力分析清掃機(jī)的一般工作狀態(tài)為沿著船舶表面同一高度的直線方向進(jìn)行清掃，其前進(jìn)方向與清掃機(jī)重力方向垂直， 清掃機(jī)與船壁所成夾角在 0°到 90°內(nèi)變化， 工作狀態(tài)分為靜態(tài)和動態(tài)， 但由于驅(qū)動輪力矩所在平面與該處受力分析所在平面垂

28、直， 所以驅(qū)動輪力矩對此處受力無影響，因此靜態(tài)與動態(tài)時(shí)此平面的受力相同。 清掃機(jī)一般工作狀態(tài)下在船壁上的受力狀態(tài)如下圖 4-2-4 。圖 4-2-4 清掃機(jī)一般工作狀態(tài)受力圖G.清掃機(jī)總重力（包含抗傾覆機(jī)構(gòu)）與浮力之和；.清掃機(jī)與豎直位置夾角；H.重心高度；F.左右每排履帶磁鐵的磁吸附；Fr.左右每排履帶與船壁的摩擦力；Fa. 水流對清掃機(jī)的反作用力； d.左右履帶中心的距離;N.船壁對清掃機(jī)支持力根據(jù)清掃機(jī)在此工作狀態(tài)下，沿船壁方向防止下滑的受力平衡和防止沿 A 點(diǎn)傾覆的力矩平衡，得出防止受力失效的條件為：受力平衡：2F+FaG*sin 2FrG*cos； 2Fr=2F+Fa- G*sin

29、力矩平衡：F*d+Fr*d/2H*G* cos +（d/2 ）* G*sin 綜合上述條件得：F(G*sin - Fa)/2;F（ G*sin + G*cos -Fa ）/2 ；F （H*G* cos +（d/2 ）* G*sin - Fr*d/2）/d;2/8*2其中： 2Fr=2F+Fa- G*sin ; Fa= DVC由此得出，一般工作狀態(tài)下清掃機(jī)對履帶磁吸附力大小的要求。4.3清掃機(jī)關(guān)鍵結(jié)構(gòu)強(qiáng)度分析由于清掃機(jī)器的電機(jī)承重板和支架部位是主要的受力部位。因此需對該關(guān)鍵部位進(jìn)行有限元分析。履帶承重板的有限元分析從 solidworks 中導(dǎo)入電機(jī)承重板， 如圖 4-1 所示。滑撬所用的材料為

30、不銹鋼，材料彈性模量為 1.93 ×105 MPa，泊松比為 0.31 。采用自由網(wǎng)格劃分， 電機(jī)承重板的網(wǎng)格圖如 4-2 所示。根據(jù)電機(jī)承重板的工作狀態(tài)施加模型的約束和工作載荷： 固定約束電機(jī)承重板四個角的孔，對電機(jī)承重板的上面圓環(huán)施加壓力；根據(jù)電機(jī)重量可知，電機(jī)的重量是 240N，因此在電機(jī)承重板施加 240N的載荷，載荷圖如圖 4-3所示。圖 4-1 電機(jī)承重板的模型圖圖 4-2 電機(jī)承重板的網(wǎng)格圖圖 4-3 電機(jī)承重板的載荷圖由于載荷集中作用在電機(jī)承重板中的圓環(huán)上， 對其進(jìn)行有限元分析。應(yīng)力和變形圖見圖4-4 和圖 4-5圖 4-4 電機(jī)承重板的 Von Mises 應(yīng)力圖

31、4-5 電機(jī)承重板的變形由總位移圖可知，電機(jī)承重板的最大位移為 0.033034 ，并且出現(xiàn)在電機(jī)承重板受力圓孔的外側(cè)，但相對于電機(jī)承重板整體來說數(shù)值很小。由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力值為18.94MPa，與所用材料不銹鋼的屈服極限應(yīng)力235MPa相比較小，滿足強(qiáng)度要求。所以，由分析結(jié)果可得出，電機(jī)承重板結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。履帶支架的有限元分析通過對支架受力分析， 發(fā)現(xiàn)是主要受力部件。 支架材料為鋁合金，彈性模量 7.1 ×104 MPa，泊松比 =0.3 3。通過力學(xué)分析每個支架上部豎直方向載荷大小60N，考慮安全因數(shù)，所以施加100N.支架的網(wǎng)格劃分見圖 4-6 。載荷主要

32、來自電機(jī)承重板和電機(jī)的壓力，載荷施加情況如圖 4-7 ，通過 workbench 處理，可以得到支架的變形情況，見圖 4-8 所示。圖 4-6 支架的網(wǎng)格劃分圖 4-7 支架的約束和載荷圖 4-8 支架的變形圖 4-9 支架的應(yīng)變圖 4-10 支架的應(yīng)力由變形圖可知，最大變形出現(xiàn)在上板的前端，最大是0.13mm，可以忽略不計(jì)。由支架的應(yīng)變和應(yīng)力圖可知，支架的最大應(yīng)變是9.9291e-5Mpa，并且出現(xiàn)在支架固定約束圓孔的上側(cè)，相對太小。由應(yīng)力云圖可知，最大應(yīng)力值為 6.8892MPa，與所用材料鋁合金的屈服極限應(yīng)力 280MPa相比較小，滿足強(qiáng)度要求。所以，由分析結(jié)果可得出，支架結(jié)構(gòu)材料的強(qiáng)度

33、和剛度滿足設(shè)計(jì)要求。4.4 清掃機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)刷盤性能對比及優(yōu)選刷盤是水下自動清掃比較重要的一部分， 刷盤也是直接對船體表面進(jìn)行接觸的一部分，水下自動清掃機(jī)最后清掃的成果亦是由刷盤來決定的。 刷盤的種類繁多如：對船體有很好保護(hù)作用的純毛刷刷盤 、對船體上強(qiáng)附著物有很好刮削作用的彈簧刀式刷盤、有對藤壺等貝殼類生物有著很好敲擊作用的固定刀具類刷盤 、以及我們自行設(shè)計(jì)的復(fù)合型柔性刷盤。幾種刷盤的簡要介紹：(1) 純毛刷刷盤，此種刷盤是由工程塑料毛刷組成的刷盤，由于工程塑料本身具有一定的彈性，所以純毛刷刷盤在清洗比其硬度要高出很多的金屬船體表面時(shí)，在能較好地清除海藻類附著物時(shí)，還具有不傷害船體表面的優(yōu)勢。

34、但其對藤壺等貝殼類附著物卻起不到很好的清除作用，因此此刷盤具有一定的局限性。(2) 彈簧刀式刷盤，此種刷盤主體是由彈簧刀組成，并在彈簧刀的空隙間填充以工程塑料毛刷。此刷盤清洗主體彈簧刀在轉(zhuǎn)盤高速旋轉(zhuǎn)時(shí)，貼合船舶表面對附著物進(jìn)行切除，并當(dāng)遇到不可切除物如船體焊縫時(shí)由彈簧進(jìn)行收回，達(dá)到對船體表面以及刀具自身的保護(hù)作用，并在彈簧刀作用的同時(shí)工程塑料毛刷也對剩余附著物進(jìn)行更進(jìn)一步的清除。但由于刷盤自身與船體表面距離難以控制，以及彈簧刀對較硬附著物與焊縫判別不清易導(dǎo)致船體表面刮傷與清除殘留。(3) 固定刀具刷盤，此種刷盤主體由固定刀具組成，并在固定刀具空隙間填充工程塑料毛刷。此種刀具對刀尖做了鈍化處理，

35、并不會船體表面產(chǎn)生損傷，且能利用轉(zhuǎn)盤的高速旋轉(zhuǎn)對藤壺等貝殼類附著物進(jìn)行敲擊以使其脫落，并在固定刀具作用的同時(shí)工程塑料毛刷也對剩余附著物進(jìn)行更進(jìn)一步的清除。但由于刷盤上固定刀具難以識別焊縫，所以會將焊縫作為附著物處理，這會對船體表面造成傷害。(4) 復(fù)合型柔性刷盤，此種刷盤是我們自行設(shè)計(jì)的， 其集中了工程塑料毛刷 、固定刀具 、 以及核心的轉(zhuǎn)子刀具。此種刷盤相對于固定刀具刷盤增加了旋轉(zhuǎn)式清潔刀具 -轉(zhuǎn)子。轉(zhuǎn)子能在遇到較硬附著物時(shí)進(jìn)行回旋式敲擊，若其過硬則會反彈并回旋從另一側(cè)進(jìn)行敲擊，從而當(dāng)遇到焊縫時(shí)只進(jìn)行柔性敲擊，而不損傷焊縫。刷盤性能對比 :(1) 純毛刷刷盤結(jié)構(gòu)簡單，只是由工程塑料毛刷組成，

36、對于海藻類柔軟附著物有著很好的效果， 但因工程塑料自身的柔性不能對藤壺等貝殼類達(dá)到有效的清掃效果。(2) 彈簧刀式刷盤清掃徹底，由彈簧刀組成的主體不論對柔軟藻類，還是貝殼類都有著較好的清潔效果。但因其與船體距離難以控制等因素， 彈簧刀式刷盤易刮傷船體表面。(3) 固定刀具刷盤針對藤壺等貝殼類附著物具有很好清除效果， 其利用轉(zhuǎn)盤的旋轉(zhuǎn)來對貝殼類附著物進(jìn)行敲擊，但其卻不能識別焊縫與附著物， 這可能會對船體表面造成損傷。(4) 復(fù)合型柔性刷盤具有特殊的清掃機(jī)構(gòu) 轉(zhuǎn)子， 由轉(zhuǎn)子對貝類硬質(zhì)附著物進(jìn)行柔性反復(fù)式回旋敲擊，遇到焊縫時(shí)，只會進(jìn)行敲擊，而不刮損船體表面。清掃指標(biāo)：船體表面清掃是有指標(biāo)要求的， 要求完全清除船體表面的海洋生物附著物，要求不刮傷船體表面，要求不損傷焊縫，同時(shí)還要兼顧技術(shù)難度和經(jīng)濟(jì)效益，爭取技術(shù)簡單、實(shí)用，易于維護(hù)。以下為清掃刷盤滿足條件：(1) 清掃刷盤無論對于軟體還是鈣質(zhì)附著物都要有很好的清掃作用。(2) 清掃刷盤要盡可能的不刮傷船體表面。(3) 若在前瞻技術(shù)可以得情況下則需