船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究.doc

船体空化水射流清刷机器人设计与清洗效率研究目前,国内大型船舶清刷方式仍然采用传统干船坞清刷,其方式为船舶表面生长大量海洋生物后,通过机械拖拽至陆地利用大量人力进行清刷,清刷成本高、周期长。船舶无法长期保持船体流线形,增加了燃油消耗、降低了航行速度。而国际发达国家已较多的采用清刷机器人进行清刷作业,但其售价高昂、购买困难、售后不便,因此并不适用于国内船舶清刷行业。空化水射流技术利用流体在压力变化中产生的空化泡破裂时所释放的能量,能够高效、环保、低成本的进行清刷作业,因此非常适用于船舶表面清刷。设计一款应用空化水射流技术的清刷机器人,能够减少国内船舶运输成本、降低温室气体排放与减轻船舶清刷劳动强度,因此非常具有实用价值。本文首先对国内外清刷机器人研究现状与空化水射流发展过程进行了介绍与分析,并根据其作业环境设计了主要结构,包括运动结构、清刷结构、吸附结构与其他辅助结构。合理设计布置了结构之间的位置关系降低了清刷机器人本体的质量与体积。其次,应用ANSYSWorkbench的StaticStructural与FluidFlow(Fluent)功能对所设计水密盒与清刷机器人整体外壳分别进行了静力学强度分析与外流场分析,通过总结分析数据减少了水密盒的集中应力与外壳的流体阻力。之后,介绍了控制系统总体框架与软、硬件设计。说明了控制系统的通讯协议设计、运动控制设计、信息采集设计与控制系统软件实现流程图。最后,研究了空化水射流的船舶表面清洗效率。借鉴前人研究结果,以空化产生机理、空化清刷机理、与空化喷头设计经验为基础,应用FluidFlow(CFX)分析软件,设计了清刷机器人空化喷头,并通过对主要参数的优化使其清刷效率达到最优。设计了清刷靶距试验,确定了清洗盘底部与船舶表面的最优间隙。通过对螺旋线清刷轨迹与单次清刷宽度的分析得出了清刷装置的最高清刷速率。为验证船体空化水射流清刷机器人的清刷能力与稳定性,设计了实船清刷实验。通过对比清刷前后船舶表面情况,得到了清刷机器人清刷能力达到HPW2级的结论。