浮船塢內(nèi)船底超高壓水除銹技術(shù)研究與應(yīng)用

崔 軍，徐衛(wèi)華，任中正

（中船澄西船舶修造有限公司，江蘇 江陰 214433）

經(jīng)過長時(shí)間的應(yīng)用，水霧噴砂在浮船塢船底外殼除銹作業(yè)時(shí)存在不足及局限性，主要表現(xiàn)在以下幾個(gè)方面：①船舶底部外板至浮船塢塢底內(nèi)底板空間低矮狹小，塢墩木密集，施工空間限制明顯，作業(yè)難度大；②該除銹作業(yè)部位為船舶底部外板，需長時(shí)間仰面負(fù)重作業(yè)，噴砂反作用力較大，是對施工人員體力的極大考驗(yàn)。作業(yè)時(shí)固廢水霧噴濺至護(hù)目裝備上，直接干擾了施工人員的視線，影響除銹施工效率；③塢內(nèi)船底人工噴砂除銹作業(yè)產(chǎn)生的固廢散落至塢底，受收集空間限制，往往出現(xiàn)廢砂及船殼脫落物收集不徹底的現(xiàn)象，沉塢時(shí)未收集到的廢砂及船殼脫落物流入長江水體，對長江生態(tài)環(huán)境造成了一定程度的破壞。

因此，研究開發(fā)滿足除銹質(zhì)量要求且適用于浮船塢內(nèi)船底環(huán)保除銹的新技術(shù)、新裝備，能夠彌補(bǔ)船舶外殼噴砂除銹存在的不足，打破浮船塢內(nèi)船底除銹施工的局限。

1 三塢塢墩排布狀況

我公司修船共有3 個(gè)浮船塢，衡山塢橫塢之間最小距離0.6 m，最低高度1.5 m；金山塢橫塢之間最小距離0.6 m，最低高度1.5 m；江山塢橫塢之間最小距離0.55 m，最低高度1.75 m。三塢因所進(jìn)修理船舶不同，外形尺寸有很大差異，主要體現(xiàn)在：塢底塢墩排布差異性較大，塢墩之間的通道間距大小不一，塢首、塢尾距船舶底板的高度差較大。浮船塢內(nèi)船底環(huán)保除銹的新技術(shù)、新裝備技術(shù)方案設(shè)計(jì)時(shí)，以三塢塢墩排布狀況為參考，充分考慮各塢的差異性因素，實(shí)現(xiàn)新技術(shù)、新裝備在三塢的通用性能。三塢塢墩參數(shù)表如表1所示。

表1 三塢塢墩參數(shù)表 m

2 超高壓水除銹系統(tǒng)技術(shù)原理設(shè)計(jì)

平臺承載支架間安裝有液壓泵，升降油缸在雙作用電磁閥的作用下，能在不同環(huán)境工況下控制升降油缸，通過液壓泵和液壓油缸為裝置提供升降動力，系統(tǒng)壓力通過液壓控制模塊調(diào)節(jié)，保證升降裝置有效穩(wěn)定工作。

超高壓噴盤單個(gè)直徑320 mm，噴盤集成模塊由2 個(gè)單元噴盤組成，2 噴盤集成模塊在專用滑道板基座上，滑道板基座與共用支架連接，共用支架與頂升油缸相連，噴盤集成模塊橫向由滑道板進(jìn)行調(diào)節(jié)，縱向由電力驅(qū)動平臺遙控進(jìn)行調(diào)整，升降由液壓泵提供動力經(jīng)雙作用電磁閥實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)。為滿足裝置使用過程中，在可預(yù)見的環(huán)境工況條件下，有效規(guī)避船底放水塞加強(qiáng)板與噴盤間相互碰擦，避免噴盤集成模塊的旋轉(zhuǎn)體和高壓噴嘴損壞，設(shè)計(jì)研發(fā)噴盤專用基座導(dǎo)向/防撞滾輪，使其在運(yùn)行中更加順暢，導(dǎo)向/防撞滾輪安裝在噴盤專用底座四周，可實(shí)現(xiàn)作業(yè)運(yùn)行期間平面導(dǎo)向順暢和遇障規(guī)避的防撞功能。

為實(shí)現(xiàn)噴盤與船底平面間有效貼合，提高噴嘴和旋轉(zhuǎn)體使用壽命，避免噴盤集成模塊內(nèi)超高壓水向四處噴濺形成團(tuán)狀水霧，影響操作人員實(shí)時(shí)觀察除銹質(zhì)量，在噴盤基座平面設(shè)計(jì)凹槽鑲嵌密封裝置來阻滯團(tuán)狀水霧形成。消除團(tuán)狀水霧還需采取其它措施組成第二道防護(hù)，在此基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)開發(fā)了具有實(shí)時(shí)彈性伸縮、補(bǔ)償和遇障微調(diào)能力的多功能伸縮裝置，該裝置與噴盤模塊連接，工作期間與平臺隨動實(shí)時(shí)調(diào)節(jié)。

高壓噴盤內(nèi)設(shè)置8 個(gè)高壓噴嘴，噴盤集成模塊內(nèi)共計(jì)16 個(gè)噴嘴，單個(gè)噴嘴流量為3 L/min，噴嘴基座設(shè)計(jì)有一定的傾斜角度（約3°～5°）。除銹工作時(shí)，高壓水射流從噴嘴中噴出，推動旋轉(zhuǎn)體自旋轉(zhuǎn)，此時(shí)旋轉(zhuǎn)速度在大于等于2 200 r/min和小于等于2 500 r/min的范圍內(nèi)，滿足船底板除銹的技術(shù)質(zhì)量要求，噴盤留有除銹廢棄物回收接口，方便后續(xù)廢棄物回收處理。電力驅(qū)動平臺車與液壓油缸連接處平臺中心位置，裝置豎直部分帶有一定的縱向傾斜角度，以保證除銹行走過程流暢，同時(shí)，也能很好地保護(hù)裝置端部噴盤集成模塊。系統(tǒng)配套有快捷充電站，快速更換電池的集成單元，能很好地實(shí)現(xiàn)電力驅(qū)動平臺車能量枯竭電池的快速更換，有力保證超高壓水除銹系統(tǒng)的長時(shí)間連續(xù)化作業(yè)。

系統(tǒng)由2 部超高壓水泵單元提供介質(zhì)，每部超高壓水泵供1個(gè)單元噴盤的超高壓水，超高壓水軟管輸送至清洗除銹裝置噴盤單元。隨著清洗除銹裝置平臺向前移動，其與超高壓泵的輸送距離逐漸變大，存在一定的壓力損失；在200～280 MPa超高壓水的沖刷下，高壓噴嘴孔徑變大。二者疊加，超高壓水管越長，壓力損失越大，且將導(dǎo)致輸出壓力水調(diào)節(jié)失效。正常情況下超高壓水壓力可在220～280 MPa范圍內(nèi)進(jìn)行調(diào)節(jié)，可滿足不同質(zhì)量狀況的船底板除銹技術(shù)要求，壓力越高，除銹效率越高，除銹質(zhì)量亦越好。

3 超高壓水除銹系統(tǒng)組成

浮船塢內(nèi)船底超高壓水除銹系統(tǒng)由電力驅(qū)動平臺車、液壓升降系統(tǒng)、電控系統(tǒng)、超高壓水噴盤集成模塊、端部連接部件、超高壓連接軟管、廢棄物回收系統(tǒng)等部分組成。

1）電力驅(qū)動平臺車。由承載平臺、平臺構(gòu)件、懸臂支架、減震鋼板、驅(qū)動輪、轉(zhuǎn)向輪、轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)、方向機(jī)、轉(zhuǎn)向減速箱、轉(zhuǎn)向電機(jī)、鉛酸蓄電池組等組成。

沉箱上駁→半潛駁拖運(yùn)→半潛駁、方駁拋錨定位→半潛駁下潛前準(zhǔn)備工作→半潛駁下潛→沉箱壓載浮游穩(wěn)定海水→沉箱懸浮→沉箱出駁→沉箱系纜固定→方駁定位到基床→沉箱浮游粗定位→沉箱安裝精定位→沉箱灌水下沉→沉箱位置校核

2）液壓升降系統(tǒng)。由液壓泵、頂升油缸等組成。

3）電控系統(tǒng)。由電控箱、鉛酸蓄電池組、電位器、主接觸器、信號接收器、無線遙控器、直流串勵(lì)電機(jī)、串勵(lì)電機(jī)調(diào)速器、指示燈等組成。

4）超高壓水噴盤集成模塊。由超高壓噴盤、噴盤支架座、雙作用滾輪(導(dǎo)向/防撞)、支桿式伸縮裝置等組成。

5）端部連接部件。由超高壓連接端口、廢棄物回收端口等組成。

6）超高壓連接軟管。承載壓力280 MPa，壁厚8 mm。

7）廢棄物回收系統(tǒng)。由羅茲風(fēng)機(jī)、直流電機(jī)、連接軟管組成。

4 超高壓水噴盤集成模塊設(shè)計(jì)

4.1 超高壓水噴盤集成模塊整體設(shè)計(jì)

超高壓噴盤采用8 個(gè)噴射槍嘴自旋轉(zhuǎn)噴盤，底部與船體外殼貼合部分采用聚氧亞甲基（POM）材料制成密封結(jié)構(gòu)，噴盤殼體留有廢棄物回收端口，并與軟管連接回收廢棄物。噴盤罩殼采用調(diào)心軸承、軸端與外側(cè)基座連接，基座四周安裝有導(dǎo)向、防撞滾輪，并在結(jié)構(gòu)間設(shè)置伸縮裝置，使其在作業(yè)過程中自行微調(diào)、矯正噴盤位置。超高壓水噴盤集成模塊示意圖如圖1所示。

圖1 超高壓水噴盤集成模塊示意圖

4.2 噴盤左右滑動執(zhí)行機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

噴盤公共底座平臺采用方管結(jié)構(gòu)，方管結(jié)構(gòu)作為滑道公共底座支承滑道，采用方管與頂升油缸相連接的方式進(jìn)行安裝，噴盤模塊可左右滑動，兩噴盤間距可根據(jù)實(shí)際需求進(jìn)行調(diào)節(jié)。兩維動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型圖如圖2所示。

圖2 兩維動作執(zhí)行機(jī)構(gòu)模型圖

4.3 噴盤集成模塊測距安全保險(xiǎn)裝置設(shè)計(jì)

噴盤集成模塊是環(huán)保動力驅(qū)動塢底超高壓水清洗除銹裝置的核心部件，為有效保護(hù)噴盤集成模塊，實(shí)現(xiàn)裝置工作時(shí)良好的安全性能，加裝噴盤集成模塊測距安全保險(xiǎn)裝置，該裝置由機(jī)械高度限位安全保險(xiǎn)裝置及非接觸式交互雷達(dá)測距安全保險(xiǎn)裝置2部分組成。

1）機(jī)械高度限位安全保險(xiǎn)裝置。該裝置設(shè)定為噴盤集成模塊的第一重安全保險(xiǎn)裝置，其分為三級安全控制，第一級為一般安全風(fēng)險(xiǎn)保護(hù)高度，即當(dāng)機(jī)械限位壓縮量為10 mm時(shí)，限位接觸信號通過電氣控制元器件反饋至液壓油缸，微調(diào)油缸頂升高度；當(dāng)機(jī)械限位壓縮量為20 mm時(shí)，限位接觸信號通過電氣控制元器件反饋至液壓油缸，深度調(diào)整油缸頂升高度；當(dāng)機(jī)械限位壓縮量為30 mm時(shí)，限位接觸信號通過電氣控制元器件反饋至液壓油缸急停裝置，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保動力驅(qū)動塢底超高壓水清洗除銹裝置應(yīng)急停止的功能。

2）非接觸式交互雷達(dá)測距安全保險(xiǎn)裝置。非接觸式交互雷達(dá)測距安全保險(xiǎn)裝置設(shè)定為噴盤集成模塊的第二重安全保險(xiǎn)裝置，該裝置性能較高，適用于塢底超高壓水除銹的作業(yè)環(huán)境。非接觸式交互雷達(dá)測距安全保險(xiǎn)裝置是利用雷達(dá)發(fā)射脈沖與回波脈沖之間的時(shí)間差，換算成噴盤集成模塊距船底板的精確距離，危險(xiǎn)距離的測定信號通過電氣控制元器件反饋至液壓油缸急停裝置，從而實(shí)現(xiàn)環(huán)保動力驅(qū)動塢底超高壓水清洗除銹裝置應(yīng)急停止的功能。

5 懸臂支撐模塊設(shè)計(jì)

1）懸臂升降控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)。操作人員通過無線遙控器發(fā)射升降信號，接收裝置將收到的無線信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸出信號，此信號驅(qū)動外圍的24 V 直流中間繼電器，中間繼電器驅(qū)動油缸控制接觸器和油路控制電磁閥，油缸電機(jī)得電旋轉(zhuǎn)，通過葉輪把缸內(nèi)液壓動力輸送到液壓頂桿，液壓頂桿驅(qū)動升降托盤，實(shí)現(xiàn)托盤的提升。托盤的下降則通過油路上的換向電磁閥來實(shí)現(xiàn)[2]。

液壓升降系統(tǒng)由液壓泵、升降油缸、雙作用換向閥組成。采用48 VDC 電機(jī)驅(qū)動，為支架的升降提供液壓動力。液壓泵實(shí)物圖如圖3所示。

圖3 液壓泵實(shí)物圖

2）懸臂固定防轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)。整體超高壓水除銹裝置在行走過程中，由于帶有一定傾斜角度的噴盤集成模塊要與船底板接觸前進(jìn)，受外力影響，噴盤集成模塊易產(chǎn)生轉(zhuǎn)動。由于油缸柱塞為圓柱形，上下自由移動時(shí)受噴盤模塊轉(zhuǎn)動影響而產(chǎn)生轉(zhuǎn)動現(xiàn)象，為保證噴盤集成模塊沿固定軌跡行走，需設(shè)置噴盤集成模塊與油缸的固定防轉(zhuǎn)裝置，即噴盤集成模塊導(dǎo)向機(jī)構(gòu)。

6 承載平臺設(shè)計(jì)

1）承載平臺整體設(shè)計(jì)。承載平臺設(shè)計(jì)參數(shù)，基于三塢塢墩至船底板的高度均在1.5 m 內(nèi)，該高度決定了載重平臺的高度，通過對輪式與履帶式車輛的對比分析，采用履帶式機(jī)械可最大限度降低底盤高度，可實(shí)現(xiàn)三塢通用。

2）承載平臺防自轉(zhuǎn)裝置設(shè)計(jì)。在除銹作業(yè)過程中，懸臂與噴盤模塊基座架連接，由于塢甲板凹凸不平引起平臺抖動，承載平臺在反作用力的作用下偏轉(zhuǎn)。為防止此類情形發(fā)生，設(shè)計(jì)研發(fā)了懸臂與承重平臺間角度定位器，防止承重平臺偏轉(zhuǎn)定位角度。該裝置設(shè)置在噴盤基座架兩側(cè)，用凸型手柄手動固定鎖死，使懸臂與噴盤基座架在不同工況條件下穩(wěn)定工作。該型鎖緊裝置結(jié)構(gòu)形式最大的優(yōu)點(diǎn)是：結(jié)構(gòu)簡單，能在凹凸不平的條件下穩(wěn)定的工作。

7 超高壓水除銹系統(tǒng)設(shè)計(jì)

7.1 廢棄物回收系統(tǒng)

廢棄物回收系統(tǒng)由羅茲風(fēng)機(jī)、直流電機(jī)、連接軟管等構(gòu)成，作業(yè)時(shí)羅茲風(fēng)機(jī)在直流電機(jī)的推動下吸取固體顆粒物。在風(fēng)機(jī)高速旋轉(zhuǎn)（3 000 r/min）作用下，經(jīng)超高壓水射流沖擊剝落的固體顆粒物，經(jīng)文丘里管等設(shè)備被吸入過濾桶內(nèi)部，經(jīng)桶內(nèi)布袋過濾，固體顆粒物收集于布袋內(nèi)，廢水排放至塢底廢水收集系統(tǒng)。高負(fù)壓使空氣迅速通過進(jìn)風(fēng)口流入桶身內(nèi)部，高壓噴盤內(nèi)流動的水及空氣攜帶需要收集和處理的固體顆粒物進(jìn)入桶身，桶內(nèi)過濾袋與進(jìn)風(fēng)口相接，固體被附著于過濾袋內(nèi)表面，濾芯過濾精度一般在1 μm 左右，用于過濾水與空氣，水和空氣通過過濾袋的孔隙排出，達(dá)到綠色施工的環(huán)保要求。

7.2 環(huán)保驅(qū)動電力系統(tǒng)

車輛由24 組DG-250 鉛酸蓄電池串聯(lián)而成，組成48 VDC供電系統(tǒng)。行走主電機(jī)采用3 kW直流串勵(lì)電機(jī)，配合減速箱為車輛提供強(qiáng)大驅(qū)動力。轉(zhuǎn)向裝置采用300 W 直流電機(jī)配合RV040 減速箱，為車輛提供轉(zhuǎn)向動力。

7.3 電氣控制系統(tǒng)

行走主電機(jī)采用CURTIS 1205M-5603 48 VDC500 A 串勵(lì)電機(jī)調(diào)速器，可以實(shí)現(xiàn)多種速度的控制。無線遙控器F23-A++（S）實(shí)現(xiàn)車輛行走、油缸升降的靈活控制，最遠(yuǎn)控制距離可達(dá)100 m。電氣控制圖如圖4所示。

圖4 電氣控制圖

平臺由48 V 蓄電池組提供電能，操作人員通過操作遙控器將行走信號發(fā)射給遙控接收裝置，接收裝置將收到的無線信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸出信號，此信號驅(qū)動外圍的24 V 直流中間繼電器，中間繼電器驅(qū)動CURTIS 串勵(lì)電機(jī)調(diào)速器的速度給定電位器與直流主接觸器，輸出匹配的電壓來驅(qū)動行走主電動機(jī)，電動機(jī)的輸出軸與與齒輪箱連接直接將動力傳遞到驅(qū)動輪上。車輛的速度調(diào)節(jié)目前分為2 檔：工作速度和行走速度，通過2 組中間繼電器切換對應(yīng)速度的電位器給定值來調(diào)節(jié)。

平臺的方向控制同樣是通過無線遙控器發(fā)射轉(zhuǎn)向信號，接收裝置將收到的無線信號轉(zhuǎn)換為開關(guān)量輸出信號，此信號驅(qū)動外圍的24 V 直流中間繼電器，中間繼電器驅(qū)動方向控制接觸器，給轉(zhuǎn)向電動機(jī)提供直流電源，電動機(jī)的輸出軸與與齒輪箱連接，直接將動力傳遞到轉(zhuǎn)向機(jī)構(gòu)，最終驅(qū)動轉(zhuǎn)向輪動作。轉(zhuǎn)向控制在左右極限位置設(shè)有檢測限位開關(guān)，到達(dá)極限位置時(shí)轉(zhuǎn)向電機(jī)控制接觸器失電，斷開轉(zhuǎn)向電機(jī)的電源供給，有效地實(shí)現(xiàn)了轉(zhuǎn)向保護(hù)。

8 結(jié)束語

浮船塢內(nèi)船底超高壓水除銹技術(shù)研究與應(yīng)用，改變了公司當(dāng)前修船落后的平底清洗除銹工藝，開啟了浮船塢內(nèi)船底除銹的新技術(shù)和新模式，實(shí)現(xiàn)了由水霧噴砂向無污染排放、符合環(huán)保要求綠色施工技術(shù)工藝轉(zhuǎn)變。同時(shí)，整體提升了浮船塢內(nèi)船底除銹的生產(chǎn)效率，壓縮了浮船塢內(nèi)船底除銹的成本，為公司修船縮短塢期、提速增效提供了強(qiáng)有力的保障，具有良好的外部市場推廣價(jià)值和廣闊的應(yīng)用前景。