基于高壓磨料水射流船舶除銹機(jī)器人的設(shè)計(jì)研究*

王翔宇 ，余 江，2 ，周雨婷 ，楊 磊

（1.廣東海洋大學(xué)機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院，廣東 湛江 524088；2.廣東省海洋裝備及制造工程技術(shù)研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

作為全球造船大國(guó)，我國(guó)的船舶工業(yè)發(fā)展迅速，給國(guó)家?guī)?lái)了極大的經(jīng)濟(jì)效益，是國(guó)家的支柱產(chǎn)業(yè)之一。其中，船舶除銹是船舶日常養(yǎng)護(hù)工作中的一個(gè)重要環(huán)節(jié)，因?yàn)榇w長(zhǎng)期處于水流、煙霧狀態(tài)下，且藤壺等海洋生物會(huì)附著在船體的表面，加快船體表面結(jié)構(gòu)產(chǎn)生銹蝕。如果不能及時(shí)除銹，那么船體表面的鋼結(jié)構(gòu)會(huì)變得更大，導(dǎo)致船體的腐蝕能力和附著力增大，從而引起船體結(jié)構(gòu)銹穿，承載能力和強(qiáng)度降低，縮短船體的使用壽命。所以，定期對(duì)船只進(jìn)行除銹清洗是必不可少的。

目前，我國(guó)的船體表面除銹的主要方式還停留在人工干氣噴砂除銹階段。該方法不僅需要消耗大量的時(shí)間，還存在人員跌落、環(huán)境污染等風(fēng)險(xiǎn)。近年來(lái)，隨著自動(dòng)化技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的快速發(fā)展，船舶除銹機(jī)器人相關(guān)研究及應(yīng)用越來(lái)越廣泛，除銹機(jī)器人采用真空、磁吸等技術(shù)吸附在船舶外壁進(jìn)行除銹，與地面碼頭相關(guān)裝置聯(lián)動(dòng)，完成船舶除銹工作。

現(xiàn)有船舶除銹機(jī)器人多采用高壓磨料水射流除銹方式，國(guó)內(nèi)外學(xué)者針對(duì)磨料射流結(jié)構(gòu)、功率及受力情況進(jìn)行分析，提出非淹沒(méi)性射流的結(jié)構(gòu)，給出射流功率影響參數(shù)，模擬磨料射流流場(chǎng)。船舶除銹機(jī)器人廢水回收功能主要通過(guò)真空回收裝置實(shí)現(xiàn)，國(guó)內(nèi)相關(guān)研究緊跟國(guó)外真空回收方式發(fā)展成果，設(shè)計(jì)了真空負(fù)壓廢水回收裝置。

課題組結(jié)合現(xiàn)有研究成果，針對(duì)高壓磨料水射流船舶除銹機(jī)器人除銹系統(tǒng)中噴嘴結(jié)構(gòu)及廢水回收系統(tǒng)進(jìn)行研究。通過(guò)分析高壓磨料水射流除銹原理、影響參數(shù)，研究噴嘴性能指標(biāo)，得出最適合船舶除銹的高壓磨料水射流噴嘴參數(shù)結(jié)構(gòu)；分析現(xiàn)有真空廢水回收方式存在的問(wèn)題，提出真空盤(pán)改善方案。

1 高壓磨料水射流除銹噴嘴及回收系統(tǒng)的研究分析

1.1 高壓磨料水射流除銹噴嘴分析

1.1.1 磨料射流功能分析

高壓水射流除銹原理是水射流對(duì)銹層表面進(jìn)行打擊，同時(shí)借助高速切向水流產(chǎn)生水楔作用，使銹層裂紋增大。若再均勻地將磨料加入水射流中，可使該正向打擊和切向楔擊的作用更加明顯，加之水射流具有連續(xù)性及集束性的特性，實(shí)現(xiàn)了傳統(tǒng)除銹方式難以達(dá)到的船體表面粗糙度均勻和光澤一致的效果，在針對(duì)坑蝕層斑方面能達(dá)到噴砂除銹效果。一定數(shù)目的磨料與高壓水相混合形成的液固兩相射流稱為磨料射流，其中磨料主要為金剛砂、石英砂、碳化硅以及石榴子石等砂類(lèi)。而噴嘴是形成高壓磨料射流工況的直接元件，對(duì)高壓磨料水射流的工作效果有著重要影響。同時(shí)，由于高速磨材與噴嘴之間存在不可避免的相互刮擦，刮擦引起的巨大磨損會(huì)對(duì)噴頭內(nèi)部結(jié)構(gòu)產(chǎn)生重大破壞，所以在設(shè)計(jì)噴頭時(shí)，一般選用人造寶石、陶瓷、碳化鎢等高耐磨材料。

據(jù)研究，磨料水射流除銹能力遠(yuǎn)遠(yuǎn)大于純水射流，其根本原因在于磨料的使用。射流對(duì)物體的作用方式發(fā)生了改變，從水射流的滯止動(dòng)壓沖蝕變?yōu)槟チ５臎_擊動(dòng)壓沖蝕，將二者在同樣射流功率下進(jìn)行對(duì)比，發(fā)現(xiàn)磨料的沖擊作用對(duì)銹蝕部位產(chǎn)生了更有效的作用效能[1]。

1.1.2 非淹沒(méi)性射流結(jié)構(gòu)分析

Leu等探討提出了高壓下非淹沒(méi)性射流結(jié)構(gòu)，如圖1所示[2]。從圖1中可以看到，射流結(jié)構(gòu)可分為三個(gè)部分，即初始段、基本段和消散段。其中基本段也被稱為射流破裂段，指的是轉(zhuǎn)折面至消散段之間的部分。射流基本段較長(zhǎng)，從圖1中可以看到，射流呈錐形擴(kuò)散，擴(kuò)散過(guò)程伴隨著與環(huán)境介質(zhì)的動(dòng)量與質(zhì)量交換。射流擴(kuò)散是由射流的表面逐步發(fā)展到軸心，這一段仍為有緊密內(nèi)部結(jié)構(gòu)的完整射流。射流基本段的應(yīng)用十分廣泛，可用于拋光加工、清洗、除銹、除鱗及清砂等[3]。

圖1 高壓下非淹沒(méi)性水射流結(jié)構(gòu)圖

1.1.3 影響射流功率的參數(shù)

高壓水射流做功情況主要受兩個(gè)工況參數(shù)影響，即壓力和流量。確定二者后，可通過(guò)關(guān)系式計(jì)算出射流功率[4]：

式中，N為射流功率，W；p為射流壓力，MPa；q為射流流量，L/min。

又有：

式中，d為噴嘴直徑，mm；因此：

根據(jù)公式可以得出，射流的功率與噴嘴直徑的平方以及射流壓力的二分之三次方成正比，因此噴嘴直徑變化對(duì)射流功率的影響相比于射流壓力會(huì)稍大一些。這些參數(shù)有助于提高射流在不同應(yīng)用范圍內(nèi)的功效，以及針對(duì)不同功效下噴嘴結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)工作。

1.1.4 其他高壓磨料水射流研究分析

針對(duì)磨料水射流中液相水體與固體磨料粒子在高速運(yùn)動(dòng)中的關(guān)系，眾多學(xué)者進(jìn)行了數(shù)值模擬研究。向文英等[5]、王明波等[6-7]對(duì)前混式磨料射流進(jìn)行了模擬研究，利用液固兩相雙流體模型，發(fā)現(xiàn)磨料粒子與液相水之間存在速度滑移，使磨料粒子在二者相間作用力下始終接近水的速度。此外，楊新樂(lè)等[8]通過(guò)對(duì)前混式射流于噴嘴外沖擊流場(chǎng)和應(yīng)力場(chǎng)的變化進(jìn)行模擬，得到射流在噴嘴出口處速度變化與接近壁面時(shí)速度變化差異較大，前者變化較小，后者速度梯度變換劇烈，動(dòng)能轉(zhuǎn)化為壓能的程度達(dá)到最大值。在基于大渦模擬對(duì)淹沒(méi)磨料射流流場(chǎng)模擬分析下，張欣瑋等[9]發(fā)現(xiàn)磨料射流渦運(yùn)動(dòng)較純水射流減弱，等速核心增長(zhǎng)約30%，說(shuō)明磨料的混入能夠減少能量的耗散。

1.2 高壓磨料水射流除銹回收結(jié)構(gòu)分析

1.2.1 國(guó)內(nèi)外船舶除銹機(jī)器人回收系統(tǒng)現(xiàn)狀分析

HYDROCAT是美國(guó)福祿（FLOW）公司研制的一款高壓水自動(dòng)清洗設(shè)備。其中回收廢水功能主要由真空回收裝置實(shí)現(xiàn)。該裝置可將除銹產(chǎn)生的廢水和廢料送走并回收，一方面通過(guò)負(fù)壓吸附將除銹機(jī)器附在豎直壁面上工作，另一方面形成真空環(huán)境，將除銹產(chǎn)物進(jìn)行回收。真空泵的壓力為-0.08 MPa～0.06 MPa，流量為2 265 L/min。HYDROCAT主要用于大型鋼鐵立除銹清洗工作，但對(duì)具有弧線型船體除銹不能百分之百適用。

國(guó)內(nèi)對(duì)于這部分的研究起步較晚，合肥通用機(jī)械研究所薛勝雄教授研制了一套船舶除銹設(shè)備。其真空吸附回收系統(tǒng)中包含羅茨真空泵、真空回收罐和管路等部分，真空罐體積為1 500 L。國(guó)內(nèi)船舶除銹研究緊跟國(guó)外發(fā)展成果，設(shè)計(jì)了真空負(fù)壓廢水回收裝置[10]。

1.2.2 現(xiàn)有廢水回收方式分析

真空廢水回收裝置可提高機(jī)器人整體附壁能力。船舶除銹機(jī)器人需吸附在船舶外表面，船舶外表面傾斜程度較大，對(duì)機(jī)器人質(zhì)量、附壁方式存在較高要求。真空廢水回收需機(jī)器人與工作面之間存在真空空間，使機(jī)器人與工作面之間的真空空間同外界產(chǎn)生壓強(qiáng)差，更好地讓機(jī)器人吸附在船舶表面。

真空廢水回收裝置受船舶表面平整度影響較大。由于船舶外表面為大型表面，其加工方式導(dǎo)致船體表面存在較多焊縫。而真空廢水回收系統(tǒng)依賴于真空回收盤(pán)與工作壁面之間的真空空間實(shí)現(xiàn)，工作真空空間密封由密封毛刷保證，因此該回收裝置受船舶表面平整度影響較大。當(dāng)機(jī)器人于較不平整的船舶表面工作時(shí)，密封毛刷與壁面之間形成細(xì)小縫隙，造成真空泄露，會(huì)直接影響回收除銹的效率及除銹后表面的干燥度與潔凈度。

2 高壓磨料水射流除銹噴嘴及回收系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1 高壓磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

2.1.1 高壓磨料水射流噴嘴結(jié)構(gòu)最優(yōu)參數(shù)

現(xiàn)有磨料水射流除銹清洗方式主要分為前混合式和后混合式兩種。經(jīng)過(guò)學(xué)者們研究分析，在處理金屬表面除銹時(shí)，與后混合式磨料射流處理技術(shù)相比，前混合式磨料射流技術(shù)具有較大優(yōu)勢(shì)。所以通常采用前混合式磨料射流技術(shù)對(duì)金屬表面進(jìn)行除銹。

曹寒冰[11]通過(guò)FLUENT進(jìn)行數(shù)值模擬，發(fā)現(xiàn)圓錐短直線型噴嘴及流線型噴嘴性能較好，更有利于前混合磨料水射流切割?？紤]到現(xiàn)實(shí)的工作要求，流線型噴嘴結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，不利于加工，且價(jià)格比較昂貴，所以選用圓錐短直線型噴嘴。其具有較高切割性能的射流有利于船舶除銹。船舶除銹利用射流產(chǎn)生較大的剪切力除去船體表面硬脆的銹層。結(jié)合上文討論，圓錐短直線型噴嘴使用更為廣泛，且具有較好的切割性能。其結(jié)構(gòu)組成主要有入口段、收斂段及圓柱段三部分，如圖2所示。

圖2 圓錐短直線型噴嘴二維結(jié)構(gòu)平面圖

相關(guān)實(shí)驗(yàn)研究表明，圓錐短直線型噴嘴性能最佳參數(shù)如下：收縮角為13°，噴嘴最佳長(zhǎng)徑比為7.5。當(dāng)其噴嘴結(jié)構(gòu)收縮角為13°時(shí)，有利于提高射流沖擊速度，此時(shí)射流聚集性最好，有效靶距最大[12]。李強(qiáng)[1]通過(guò)對(duì)前混合式圓錐短直線型噴嘴內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真分析，得出噴嘴直線段最佳長(zhǎng)徑比l/d為7.5。

2.1.2 高壓磨料水射流噴嘴使用最優(yōu)參數(shù)

基于“水+砂”型磨料射流技術(shù)的表面處理系統(tǒng)主要由高壓泵、磨料輸送系統(tǒng)、高壓管和噴槍組成，其主要原理是利用高壓水射流的沖擊作用、磨料的磨削作用和水橇作用破壞銹蝕和涂層對(duì)鋼板的附著力，以此實(shí)現(xiàn)船體分段的表面處理。通常情況下噴槍的噴嘴至鋼板的距離保持在5 cm～20 cm，噴嘴與鋼板的角度在15°～60°之間。由于該技術(shù)在高壓水中加入了磨料，因此高壓泵的壓力只需要達(dá)到50 MPa～60 MPa即可[13]。

經(jīng)過(guò)閱讀相關(guān)文獻(xiàn)，課題組參考王倪梅[14]的研究成果，在噴嘴出口到最佳靶距位置的過(guò)程中，磨料粒子運(yùn)動(dòng)速度始終低于液相水體速度，一直處于加速狀態(tài)，從而得到最佳靶距范圍為噴嘴出口5～8倍直徑附近處。

2.2 對(duì)廢水回收裝置的優(yōu)化改進(jìn)

針對(duì)真空廢水回收對(duì)船舶表面平整情況要求較高的問(wèn)題，課題組研究發(fā)現(xiàn)其主要原因?yàn)槊⒃谂c船舶焊縫接觸時(shí)出現(xiàn)形變，產(chǎn)生了細(xì)小縫隙，使內(nèi)部真空環(huán)境遭到破壞。因此，課題組提出了一種真空負(fù)壓回收裝置的優(yōu)化改進(jìn)方式。對(duì)真空盤(pán)加裝漏斗型回收裝置，該裝置由毛刷條、附加板組成，其中附加板上開(kāi)有真空管接口，如圖3所示。

圖3 漏斗型裝置

通過(guò)加裝該裝置為工作階段的內(nèi)部真空環(huán)境提供保護(hù)，在外側(cè)毛刷與真空盤(pán)毛刷間創(chuàng)造保護(hù)性外側(cè)真空環(huán)境，使內(nèi)側(cè)工作真空環(huán)境與外界環(huán)境不具有直接聯(lián)系，從而避免內(nèi)部工作真空環(huán)境因船舶除銹機(jī)器人越障而造成真空泄露問(wèn)題。同時(shí)，外側(cè)真空環(huán)境可起到預(yù)清理的作用，減小內(nèi)側(cè)真空回收廢水裝置工作壓力；利用雙層毛刷對(duì)船舶表面殘余廢水及雜質(zhì)進(jìn)行集中清理，能夠進(jìn)一步提高除銹后船舶表面的干燥度及潔凈度。

該設(shè)計(jì)在不破壞原有真空盤(pán)的基礎(chǔ)上，采用磁鐵吸附至真空盤(pán)的方式加裝外側(cè)毛刷，形成雙層毛刷結(jié)構(gòu)；同時(shí)為保證內(nèi)外毛刷間的真空狀態(tài)，另外增加一個(gè)附加板，并于附加板上設(shè)計(jì)另一真空管接口，通過(guò)安裝真空管等組件實(shí)現(xiàn)保護(hù)性外側(cè)真空環(huán)境。附加板為凹槽設(shè)計(jì)，方便卡入真空盤(pán)形成雙層真空模式，避免對(duì)船舶除銹機(jī)器人原有真空盤(pán)的影響，如圖4所示。

圖4 附加板與真空盤(pán)連接圖示

雙層毛刷的設(shè)計(jì)實(shí)現(xiàn)了雙層真空的工作環(huán)境，在船舶除銹機(jī)器人進(jìn)行越障移動(dòng)時(shí)，外側(cè)毛刷先受到障礙物擠壓，產(chǎn)生變形；此時(shí)，內(nèi)側(cè)毛刷仍與船舶表面緊密接觸，保證內(nèi)部的真空工作環(huán)境；在外側(cè)毛刷跨過(guò)障礙物后，外側(cè)真空環(huán)境立即恢復(fù)，此時(shí)內(nèi)側(cè)毛刷開(kāi)始受障礙物擠壓，但因毛刷外側(cè)存在保護(hù)性真空環(huán)境，機(jī)器人真空負(fù)壓回收廢水方式未受影響，其除銹工作正常進(jìn)行。外側(cè)保護(hù)性真空環(huán)境與內(nèi)部工作真空負(fù)壓相互配合，提高廢水回收率，保證除銹后船體表面的潔凈度。

3 結(jié)論

1）根據(jù)上文分析可以得出，較合適的磨料水射流噴嘴的結(jié)構(gòu)為圓錐短直線型噴嘴，其收縮角為13°，且直線段段長(zhǎng)徑比l/d為7.5。同時(shí)在使用噴嘴除銹時(shí)，將下噴槍的噴嘴至船舶表面的距離保持在5 cm～20 cm，噴嘴與船舶表面的角度在15°～60°之間，可保證磨料射流的除銹效果。

2）上文提出于真空盤(pán)加裝漏斗型輔助回收裝置，實(shí)現(xiàn)外側(cè)真空環(huán)境對(duì)內(nèi)側(cè)真空工作環(huán)境的保護(hù)功能，為解決船舶除銹機(jī)器人真空廢水回收裝置存在的船體貼合度較低、廢水回收效果受船體表面平整度影響等問(wèn)題提供了一定參考。

3）課題組對(duì)高壓磨料水射流機(jī)器人的噴嘴及廢水回收裝置進(jìn)行設(shè)計(jì)研究，結(jié)合相關(guān)參數(shù)及問(wèn)題，得出噴嘴最優(yōu)參數(shù)；并設(shè)計(jì)廢水回收補(bǔ)充裝置，對(duì)目前高壓磨料水射流機(jī)器人進(jìn)行了優(yōu)化，為未來(lái)船舶除銹機(jī)器人的進(jìn)一步發(fā)展提供了優(yōu)化思路，具有一定的參考價(jià)值。