隨著世界經(jīng)濟的飛速發(fā)展，以船舶為主要工具的遠洋運輸業(yè)正發(fā)揮著越來越重要的作用，船舶工業(yè)也隨之在國民經(jīng)濟中的地位得到顯著提高。其中船舶除銹清洗是船舶工業(yè)中一項重要的業(yè)務(wù)，除銹是涂裝施工的第一步驟，只有對鋼材進行良好的表面前處理，才能使涂層達到預(yù)期的保護效果。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，國內(nèi)各大修船廠普遍采用的除銹方法大都是氣動磨料噴射除銹，即噴砂除銹。噴砂除銹法最大的缺陷在于操作過程中產(chǎn)生的灰塵會造成大氣和水體污染，同時對作業(yè)者身體也會有較大的損害。另外，噴砂除銹每除銹清洗一條船，需要耗費近千噸專用的銅礦砂，而每噸銅礦砂的價格為300-400元，成本巨大。西方許多發(fā)達國家已出臺法律，禁止在露天環(huán)境下采用噴砂除銹法進行除銹作業(yè)。而我國也正積極構(gòu)建以人為本的和諧社會，對嚴(yán)重污染環(huán)境型企業(yè)加大了整治力度。2016年11月15日國務(wù)院常務(wù)會議通過了《“十三五”生態(tài)環(huán)境保護規(guī)劃》，李克強總理指出重點要強化污染源頭管控，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，又不危害工人的健康，污染環(huán)境，這是需要迫切解決的問題。

    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器人執(zhí)行除銹作業(yè)三者成套設(shè)計于一體。利用高壓水射流除銹，采用真空抽干水分并回收銹渣來防止返銹，應(yīng)用大型爬壁機器人來搭載除銹清洗器進行遙控作業(yè)，操作安全可靠，實現(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器人除銹工藝

    為實現(xiàn)對船舶表面的高效、安全、無污染除銹清洗，研發(fā)的除銹爬壁機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)的除銹爬壁機器人成套裝備構(gòu)成

    高壓水射流系統(tǒng)其作用主要是對除銹介質(zhì)（自來水）加壓，通過清洗器等執(zhí)行機構(gòu)作用于船舶銹蝕表面，實現(xiàn)除銹清洗。根據(jù)大量實驗驗證表明，為與機器人移速匹配高效除銹，除銹等級達到涂裝要求的Sa2.5且不破壞船舶母材表面，高壓水射流的壓力需220-250Mpa。

    爬壁機器人作為這一成套設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)，核心技術(shù)所在，其主要作用是搭載除銹清洗器，通過在船舶壁面的靈活移動來實現(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、過濾器和電氣控制柜。通過真空泵對機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行后續(xù)的廢水處理。同時，清洗器內(nèi)由于高壓水的作用，具有約80攝氏度的溫度場，可使作用面被及時干燥，避免發(fā)生“返銹”現(xiàn)象。

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

圖2 除銹爬壁機器人控制系統(tǒng)總體架構(gòu)

爬壁機器人結(jié)構(gòu)設(shè)計

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

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

    永磁吸附機構(gòu)主要包括汝鐵硼磁鐵、軛鐵、鋁框和橡膠保護套等等，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，來實現(xiàn)機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行工作。

    高壓水旋轉(zhuǎn)射流清洗機構(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。自旋清洗裝置通過多個高壓水噴嘴一定角度的安裝，利用射流反作用力而進行旋轉(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，在密封的同時也不影響機器人越過一定高度的障礙物和一定弧度的表面。

圖3爬壁機器人整體結(jié)構(gòu)

圖4爬壁機器人樣機

高壓水射流除銹有限元仿真

    利用有限元仿真技術(shù)，通過FLUENT軟件，系統(tǒng)對不同壓力的水射流進行了仿真模擬，重點研究了射流靶距和射流角度對除銹效果的影響，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為正壓力和剪切力的綜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，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，靶面綜合應(yīng)力較大，考慮到當(dāng)射流角度為30°時，可以實現(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最佳靶距角度時靶面應(yīng)力

爬壁機器人除銹實驗研究

    為驗證機器人除銹能否滿足實際要求，同時為了進一步優(yōu)化機器人行走速度、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）有限公司開展了大量對比實驗，包括平板、立板和船體除銹實驗，如圖9所示。

圖9 平板、立板和船體除銹實驗

    為優(yōu)化清洗盤內(nèi)噴嘴的旋轉(zhuǎn)速度，我們在平板上進行了對比試驗，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，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)速度達到一定值時，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

    為研究射流壓力對除銹效果的影響，開展系列的不同壓力下除銹實驗，效果如圖11所示?？梢钥闯?，隨著射流壓力的增大，其除銹效果越好。一般來說，射流壓力在220Mpa以上的除銹效果就能達到生產(chǎn)需求。

圖11 不同射流壓力下（180/200/220Mpa）除銹效果

    為更直觀表達除銹效果，對機器人除銹前后進行對比，如圖12所示。

圖12 除銹前后對比圖

    現(xiàn)場試驗結(jié)果顯示，機器人除銹等級已達到Sa2.5，可直接進行下一步的涂裝。實驗證明基于高壓水射流的船舶除銹機器人技術(shù)完全可以替代傳統(tǒng)的噴射除銹，滿足船廠實際除銹生產(chǎn)要求。

除銹爬壁機器人應(yīng)用展望

    爬壁機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300萬平方米，項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300萬m2。若采用基于超高壓水射流爬壁機器人除銹技術(shù)的除銹，直接節(jié)省成本超過7500萬；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，更進一步地增加企業(yè)盈利。

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