一種半潛式污損生物清洗系統(tǒng)

秦亞軍， 甘文兵， 戚戰(zhàn)峰， 曹 仲

（宜昌測(cè)試技術(shù)研究所， 湖北 宜昌 443000）

引言

在海洋中使用的艦艇水下表面容易附著生長(zhǎng)海生物污損，嚴(yán)重時(shí)其厚度可達(dá)到5 cm以上，使船只的航行阻力明顯增大，從而損耗更多的燃料，增加額外的航行時(shí)間。另外附著在其表面的污損生物也會(huì)破壞船體的防護(hù)涂層，因此對(duì)于生物污損需要及時(shí)清除。當(dāng)前海生物污損清除主要是在干船塢中人工使用鏟子、液壓刷等工具進(jìn)行清除，這些方法工作效率低，易造成船體材料和防護(hù)涂層損傷?？栈淞髑逑丛O(shè)備，可達(dá)到高效無(wú)損的清洗效果，但是清洗作業(yè)需要潛水員長(zhǎng)時(shí)間下水操作，水中操作難度大，工作效率偏低。因此有必要發(fā)明一種可在水面以上操作的空化清洗系統(tǒng)，在降低工人勞動(dòng)強(qiáng)度的同時(shí)提高清洗工作效率，并能保證操作人員安全。

1 工作原理

該種清洗系統(tǒng)的工作原理是：利用半潛躉船搭載自適應(yīng)的柔性空化清洗噴嘴模塊，在躉船下潛狀態(tài)下，將被清洗艦艇駛?cè)胲O船的中間位置，并使用纜繩固定?？刂迫嵝运虑逑磭娮炷K升起并緊貼船底，高壓水經(jīng)空化噴嘴形成清洗的空化水射流，開(kāi)始污損生物清洗，同時(shí)噴嘴模塊在控制機(jī)構(gòu)的推動(dòng)下自船底首部向船尾運(yùn)動(dòng)，直至完成船底清洗。其特殊設(shè)計(jì)的噴嘴模塊可自動(dòng)適應(yīng)船體表面曲線的變化，從而保障更好地清洗效果和效率。該清洗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖

2 結(jié)構(gòu)組成

該清洗系統(tǒng)的主要組成包括：半潛躉船、空化清洗設(shè)備，柔性空化噴嘴模塊、噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)、輔助監(jiān)控等。

其中半潛躉船為水下搭載平臺(tái)。

空化清洗設(shè)備用于為水下噴嘴模塊組提供一定壓力和流量的高壓水。主要由潛水泵、高壓泵、壓力流量控制部件、高壓水輸出管等組成?？栈逑丛O(shè)備是利用特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴使高壓水射流在噴槍出口處時(shí)產(chǎn)生大量氣化空泡并噴出，空炮潰滅時(shí)，周?chē)w向空泡凹陷的方向加速流動(dòng)，產(chǎn)生微射流，微射流的速度很高，使其與被清洗面接觸時(shí)壓力可達(dá)成百上千兆帕，迅速將污損生物從船體表面剝離，由于微射流的尺度很小，因此適合清洗硬而脆的鈣化質(zhì)污損生物，而對(duì)船體本身傷害很小。

噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動(dòng)和調(diào)節(jié)噴嘴模塊在水下姿態(tài)形狀，并推動(dòng)其沿船底表面運(yùn)動(dòng)，根據(jù)船底形狀進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。主要由減速電機(jī)、傳動(dòng)帶，導(dǎo)軌、伸縮缸、滑架等組成。結(jié)構(gòu)如下頁(yè)圖2所示。

空化噴嘴在工作時(shí)需要調(diào)整好與被清洗表面的距離和角度才能發(fā)揮最好清洗效果。因此為保證清洗效果和效率，需要設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)對(duì)噴嘴的清洗角度和清洗的距離進(jìn)行控制。柔性水下空化噴嘴模塊（簡(jiǎn)稱(chēng)空化噴嘴模塊）是將若干個(gè)空化噴嘴和定距膠輪、驅(qū)動(dòng)扭簧固定于柔性鉸鏈的每個(gè)鏈節(jié)和銷(xiāo)軸上，使用時(shí)柔性鉸鏈可根據(jù)船底輪廓在噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)和扭簧回彈力的作用下自動(dòng)改變鉸鏈彎曲的局部和總體形狀，從而抱緊船體底板，帶動(dòng)各噴嘴定位于距離船底表面預(yù)定位置和角度處。并且當(dāng)被清洗船體移動(dòng)時(shí)這些噴嘴模塊可自動(dòng)適應(yīng)船體輪廓變化?？栈瘒娮炜蓪⒏邏核D(zhuǎn)換為空化水射流用于清洗污損生物。結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。

圖2 噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 柔性空化噴嘴模塊結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整示意圖

圖4 柔性噴嘴模塊背面

監(jiān)控設(shè)備包括控制臺(tái)、水下攝像頭、水下光源、主機(jī)等部件，主要用于實(shí)時(shí)觀測(cè)水下污損生物清洗狀態(tài)，控制清洗感端設(shè)備輸出的高壓水壓力和噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)的動(dòng)作速度。

其連接關(guān)系為，空化清洗設(shè)備干端和噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)的減速電機(jī)安裝在多功能半潛躉船的上層甲板上（該甲板在躉船吃水最深時(shí)仍位于水面以上），噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)大部分安裝在躉船底層甲板面上（該甲板層清洗船只污損生物時(shí)將沉入水面以下），空化噴嘴模塊安裝在噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)滑架的可調(diào)節(jié)支架上。其中滑架部分可在甲板上縱向、橫向水平移動(dòng)，配合其上驅(qū)動(dòng)調(diào)節(jié)支架的液壓控制缸，可在工作時(shí)控制噴嘴模塊調(diào)整位置和姿態(tài)，以適應(yīng)不同船型和船體表面形狀變化的需要?？栈逑锤啥嗽O(shè)備依靠潛水泵從躉船水面以下吸水，增壓后通過(guò)高壓管供給安裝在調(diào)節(jié)支架上的空化噴嘴模塊的空化噴嘴進(jìn)行清洗工作。

3 工作過(guò)程

1）工作時(shí)將躉船1底層甲板潛入大于被清洗艦艇吃水線以下，再將被清洗艦艇駛?cè)胲O船1中間，使用纜繩從四角固定被清洗艦艇至躉船四角上。

2）啟動(dòng)減速電機(jī)5，將縱向滑架調(diào)節(jié)至被清洗艦艇船首部位正下方，調(diào)節(jié)中間液壓缸15，使噴嘴模塊4下部接觸到船體底部，調(diào)節(jié)側(cè)液壓缸13，使噴嘴模塊4依靠自身扭簧回彈的驅(qū)動(dòng)和傾斜桿的牽引從而緊貼船體。

3）打開(kāi)空化清洗干端設(shè)備2，高壓水經(jīng)高壓水管16至空化噴嘴模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)榭栈淞?，開(kāi)始清洗。與此同時(shí)減速電機(jī)5動(dòng)作，最終帶動(dòng)縱向滑架9從船頭底部向船尾底部緩慢移動(dòng)，同時(shí)垂直調(diào)節(jié)缸15和側(cè)液壓缸13根據(jù)其端部的傳感器信號(hào)隨時(shí)調(diào)節(jié)其行程，同時(shí)扭簧驅(qū)動(dòng)各鏈節(jié)向船體表面回彈，使噴嘴模塊4可以始終緊貼船體，從而使噴嘴處于最佳清洗距離和角度。直至噴嘴模塊4從船體前部移至船尾，完成清洗。

4 結(jié)論

該水下自動(dòng)清洗系統(tǒng)具有如下4個(gè)突出優(yōu)點(diǎn)：

1）使用該系統(tǒng)進(jìn)行清洗工作，操作人員只需在上層甲板上通過(guò)顯控臺(tái)的實(shí)時(shí)圖像顯示進(jìn)行控制操作即可完成任務(wù)，無(wú)需下水作業(yè)，從而大大降低了清洗作業(yè)的勞動(dòng)強(qiáng)度和保障了人員安全。

2）該清洗系統(tǒng)清洗端采用集成多個(gè)噴頭的噴嘴鏈組進(jìn)行清洗工作，可一次性清洗大面積的污損生物，大大優(yōu)于使用潛水人員水下操作的普通空化清洗設(shè)備，所以工作效率大大提高。

3）空化噴嘴模塊可適應(yīng)不同船體表面自動(dòng)調(diào)節(jié)清洗噴嘴位置和方向，可達(dá)到最佳的清洗效果和最快的清洗效率。

4）無(wú)需艦艇進(jìn)入干船塢，船只在碼頭間歇時(shí)即可進(jìn)行清洗工作。