機(jī)械設(shè)計畢業(yè)論文船舶水下清洗設(shè)備的設(shè)計

1、<p><b>　　本科畢業(yè)論文</b></p><p><b>　?。?0 屆）</b></p><p>　　船舶水下清洗設(shè)備的設(shè)計</p><p>　　所在學(xué)院 </p><p>　　專業(yè)班級 機(jī)械設(shè)計制造及自動化

2、 </p><p>　　學(xué)生姓名 學(xué)號 </p><p>　　指導(dǎo)教師 職稱 </p><p>　　完成日期 年 月 </p><p><b>　　摘 要</b></p>

3、<p>　　海洋生物比如貝殼和海藻具有較強(qiáng)的粘附力，吸附在船上導(dǎo)致船體表面粗糙度增加,從而降低了船舶的航行速度，給船舶航運帶來了巨大的損失。所以我考慮要設(shè)計一種設(shè)備，能在船舶不進(jìn)塢的情況下，有效地清除附在其外表面上的海生物，有利于延長船舶塢修時間和提高船舶使用壽命。船體表面清洗設(shè)備是針對船體表面的附著物需要定期進(jìn)行清洗為背景和以提高清洗自動化水平為目的而開發(fā)的一種水下清洗作業(yè)裝置。</p><p>　　

4、船舶水下液壓清洗設(shè)備由回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、清洗機(jī)構(gòu)、磁路機(jī)構(gòu)等關(guān)鍵部件組成，通過臂桿往復(fù)運動和葉片旋轉(zhuǎn)來清除海生物，通過控制定位系統(tǒng)使葉片始終與船體保持一定距離以保護(hù)油漆，后續(xù)有高頻超聲波震蕩來清除殘余海生物。所研制的設(shè)備具有體積小、調(diào)節(jié)方便、效率高、清洗簡單可靠等特點，具有一定的應(yīng)用推廣價值。 本文介紹了有關(guān)船舶壁面移動清洗設(shè)備的分類和特點，總結(jié)壁面移動清洗設(shè)備的國內(nèi)外發(fā)展現(xiàn)狀和應(yīng)用情況，根據(jù)工作環(huán)境和特點，提出方案，經(jīng)過分析對比選擇了

5、輪式、永磁體吸附方式的總體結(jié)構(gòu)，提出了基于液壓傳動、輪式驅(qū)動，永磁吸附式的船體表面水下清刷清洗設(shè)備結(jié)構(gòu)方案。本文建立了船舶水下清洗設(shè)備沿船體表面上下運動時的力學(xué)模型，推導(dǎo)了清洗設(shè)備抗傾覆、下滑和數(shù)值計算表明，該方案能減少最小吸附力和驅(qū)動力矩，達(dá)到抗傾的目的。下滾時的條件，計算了清洗設(shè)備正常沿船體上下工作時所需要的最小吸附力和驅(qū)動力矩。</p><p>　　關(guān)鍵詞：船舶；水下清洗設(shè)備；往復(fù)機(jī)構(gòu)；彈性機(jī)構(gòu)</p

6、><p><b>　　Abstract</b></p><p>　　Halobios with strong adhesive force result in the increase of hull surface roughness because of the attachment of seashell and seaweed , reducing the spe

7、ed of the ship,and it has brought huge losses to the shipping.So I consider to design a device</p><p>　　The marine growth is removed, when the ship is out of the dock in order to prolong docking repair time

8、and life of ship.In allusion to the period brushing on the ship hull and aim at enhancing the level of the automatization,The ship hull machine is reashered as a special type underwater working tool.</p><p>

9、　　A kind of ship underwater cleaning device developed in the present paper, and the key technologies of swing, cleaning and magnetic circuit mechanism were introduced. The device embody is small, easy to condition, high

10、efficiency, easy to clean and high reliable. The marine growth is removed through the rotating blades, and the fixed distance between the leaves and the hull is kept by controlling the positioning system to protect the h

11、ull coat. At the same time, the following high-frequency ultra</p><p>　　Keyword：shipping; underwater cleaning device;reciprocating bodies;elastic bodies; </p><p><b>　　目錄</b></p>

12、;<p><b>　　第1章 緒論1</b></p><p>　　1.1課題的來源、目的和意義1</p><p>　　1.2水下清刷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況1</p><p>　　1.3壁面移動機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展概況3</p><p>　　1.3.1國外壁面移動機(jī)器人的發(fā)展概況3</p>

13、<p>　　1.3.2國內(nèi)壁面移動機(jī)器人的發(fā)展概況3</p><p>　　1.4本文的研究內(nèi)容及主要工作4</p><p>　　第2章 清洗設(shè)備主要機(jī)構(gòu)的優(yōu)化選擇5</p><p>　　2.1吸附機(jī)構(gòu)的選擇5</p><p>　　2.2 磁材料的選擇5</p><p>　　2.3驅(qū)動方式的選擇6

14、</p><p>　　2.3.1液壓驅(qū)動傳動的特點6</p><p>　　2.3.2液壓系統(tǒng)的的原理7</p><p>　　2.4移動方式的選擇8</p><p>　　2.4.1輪式移動方式9</p><p>　　2.5高頻震蕩的選擇9</p><p>　　2.5.1超聲波清洗原理9

15、</p><p>　　2.5.2 空化泡的擴(kuò)大以及爆裂10</p><p>　　2.5.3 換能器和發(fā)生器10</p><p>　　2.5.4 聲波的壓縮和膨脹10</p><p>　　2.5.5 頻率的重要性10</p><p>　　2.5.6 清洗液的選擇11</p><p>　　

16、2.5.7超聲清洗的優(yōu)越性11</p><p>　　第3章 清刷設(shè)備各主要機(jī)構(gòu)的確定13</p><p>　　3.1清洗設(shè)備工作原理13</p><p>　　3.2水下船體表面清洗設(shè)備本體結(jié)構(gòu)14</p><p>　　3.2.1 往復(fù)機(jī)構(gòu)14</p><p>　　3.2.2 清洗機(jī)構(gòu)16</p>

17、<p>　　3.2.3彈性機(jī)構(gòu)17</p><p>　　3.2.4吸附機(jī)構(gòu)18</p><p>　　3.2.5驅(qū)動機(jī)構(gòu)18</p><p>　　3.2.6可視機(jī)構(gòu)19</p><p>　　3.3選定設(shè)備清洗效率的驗證19</p><p>　　第4章 清刷設(shè)備的力學(xué)分析20</p>

18、<p>　　4.1清刷裝置相對船舶靜止時系統(tǒng)力學(xué)分析20</p><p>　　4.2清刷裝置相對船舶運動時系統(tǒng)力學(xué)分析22</p><p>　　第5章 清洗設(shè)備控制系統(tǒng)框架圖27</p><p><b>　　5. 1引言27</b></p><p>　　5. 2清刷裝置控制系統(tǒng)27</p>

19、;<p><b>　　結(jié)論28</b></p><p><b>　　【參考文獻(xiàn)】29</b></p><p><b>　　小 結(jié)30</b></p><p>　　致 謝錯誤!未定義書簽。</p><p>　　附：水下清洗設(shè)備整體效果圖31</p&g

20、t;<p><b>　　第1章 緒論</b></p><p>　　1.1課題的來源、目的和意義</p><p>　　隨著世界經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，帶來了遠(yuǎn)洋運輸事業(yè)的飛速發(fā)展，船舶作為海上交通運輸?shù)闹饕ぞ哒l(fā)揮著越來越大的作用。但海水的強(qiáng)腐蝕性和海洋生物的強(qiáng)附著力，使得船體表面附著難以清除的貝類、銹皮和銹斑等，為了延長船舶的使用壽命，保證船舶的安全運行，船舶必須

21、定期進(jìn)塢進(jìn)行檢驗。這就存在著修船期長，船塢不足的問題，同時也增加了船舶的非營運時間和燃油的消耗。所以開展船舶水下清刷作業(yè)，提高水下清刷作業(yè)的自動化水平，是目前急需解決的問題。</p><p>　　船舶水下清刷技術(shù)是從六十年代開始的，在進(jìn)塢前對船舶實行水下清洗、除銹、水下檢查等，使得進(jìn)塢后可以迅速地對查出的故障進(jìn)行處理，對船體進(jìn)行涂裝等維修工作，從而可縮短塢修時間，也可以對水下檢查后沒有必要進(jìn)塢維修的船舶進(jìn)行完全的

22、塢外清刷、噴涂。這樣可在擁有同樣多船塢的條件下修更多的船，并可在某些項目上，開展大型船舶的服務(wù)業(yè)務(wù)，而不必局限在大塢的噸位上。據(jù)統(tǒng)計，世界上5萬噸以上的船占船舶總數(shù)的49.4%，這是一部分相當(dāng)大的業(yè)務(wù)對象。而我國雖有大連造船新廠等幾家擁有20萬噸級以上的船塢，但還是與國外存在很大的差距，我國只有在修船效率上下工夫。</p><p>　　水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或停靠碼頭時直接進(jìn)行，一方面減少了船舶的停航損失

23、，另一方面也使得船舶的燃油消耗大大地降低。這樣可以解決船塢不足，特別是大塢嚴(yán)重不足的問題。其長遠(yuǎn)意義在于海洋工程結(jié)構(gòu)的維修及軍事方面應(yīng)用的巨大前景。</p><p>　　1.2水下清刷技術(shù)的國內(nèi)外發(fā)展概況</p><p>　　水下清刷作業(yè)由于可以在艦船錨泊或停靠碼頭時直接進(jìn)行，一方面減少了船舶的停航損失，另一方面也使得船舶的燃油消耗大大地降低。這樣可以解決船塢不足，特別是大塢嚴(yán)重不足的問題

24、。其長遠(yuǎn)意義在于海洋工程結(jié)構(gòu)的維修及軍事方面應(yīng)用的巨大前景。水下清刷作業(yè)具有減小船舶阻力、減少航速損失和節(jié)約燃料等優(yōu)點，特別是在全球石油危機(jī)的影響下，船舶的水下清刷作業(yè)更是得到了廣泛的應(yīng)用和發(fā)展。</p><p>　　水下清刷技術(shù)的發(fā)展分為三個階段。第一階段為手工操作階段，由潛水員下水進(jìn)行清刷工作。第二階段為機(jī)械操作階段，由專用的清洗器、涂裝機(jī)等機(jī)械完成大型船舶的清刷任務(wù)，并具有較高的工作效率。第三階段為遙控機(jī)械

25、或機(jī)器人作業(yè)階段，為在惡劣的海洋環(huán)境下開展工作提供了保障。在國外，機(jī)器人作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?。法國的BK型、瑞典的曲雷耳和澳大利亞的Anstralian型的結(jié)構(gòu)均采用了水下運載工具的設(shè)計原理，使裝置緊貼于船舷殼板做垂直或水平爬行，控制箱在工作艇上，遙控操作。它的工作部分由3個轉(zhuǎn)刷，3個行走輪和1個中心推進(jìn)器構(gòu)成。動力源是液壓或氣動的。</p><p>　　在國內(nèi)，水下清刷作業(yè)自1983年在湛江、廈門、

26、天津、秦皇島、煙臺、大連等地建立了業(yè)務(wù)以來，主要方式是潛水員水下手工作業(yè)，與國外的無潛水員遙控操作形成了鮮明的對比。上海救撈局有關(guān)廠曾對進(jìn)口設(shè)備進(jìn)行過研究，并仿制了單刷式清掃器，但效果不好，對于更高層次的產(chǎn)品研究則更少。目前我國船體表面的清理工作主要是在船塢里進(jìn)行噴砂，如圖1.1所示，高壓水沖洗如圖1.2所示。在船塢里對船體表面進(jìn)行噴砂處理，作業(yè)環(huán)境污染相當(dāng)嚴(yán)重。</p><p>　　圖1.1 噴砂處理<

27、/p><p>　　圖1.2 高壓水沖洗</p><p>　　1.3壁面移動機(jī)器人的國內(nèi)外發(fā)展概況</p><p>　　壁而移動機(jī)器人是集機(jī)構(gòu)學(xué)、傳感技術(shù)、控制和信息技術(shù)為一體的高技術(shù)產(chǎn)品，國外從80年代以來取得了迅猛的發(fā)展，有的已開始進(jìn)入實用試驗階段。其中尤以日木發(fā)展最快。國內(nèi)起步較早的是哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)器人研究所。下面我們將介紹國內(nèi)外的一些具有代表性的壁面移動機(jī)器人

28、。</p><p>　　1.3.1國外壁面移動機(jī)器人的發(fā)展概況</p><p>　　1978年，日本化工機(jī)械技術(shù)服務(wù)佳氏會社研制開發(fā)了兩種用于核電站壁面除污的爬壁機(jī)器人PC型和PD型。這兩種機(jī)器人均為單吸盤結(jié)構(gòu)，利用抽氣泵產(chǎn)生負(fù)壓，無自身行走能力，靠絞車拖動。此后又開發(fā)出了一種“Walker”的機(jī)器人。該機(jī)器人有上下兩個滾子，左右有兩個行走帶輪，滾子和帶輪圍成真空室，由電機(jī)驅(qū)動帶輪帶動滾子

29、移動，通過帶輪的轉(zhuǎn)速差實現(xiàn)轉(zhuǎn)向。</p><p>　　日本三菱重工業(yè)公司推出了一種輪式磁吸附噴涂爬壁機(jī)器人示。該機(jī)器人可吸附在20mm以上厚度的磁性結(jié)構(gòu)物上，磁吸附力可2000N，其結(jié)構(gòu)尺寸為800mmX500mmX200mm，重400N，裝在一個重200N的噴涂架上。機(jī)器人通過三個伺服馬達(dá)分別驅(qū)動三個輪子進(jìn)行移動，由前輪實現(xiàn)轉(zhuǎn)向，移動速度為10m/min，噴涂速度為lm/min。</p><

30、p>　　1987年，日本日立制作所的內(nèi)藤鐘司等人開發(fā)了履帶式磁吸附檢查機(jī)器人。將永磁體鑲在鏈條上形成磁性履帶，履帶吸附于壁面并移動。為了避免出現(xiàn)載荷集中現(xiàn)象，又開發(fā)了一種適用于平面的負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)，即在履帶上加了一根剛性導(dǎo)桿，使履帶由鉸鏈聯(lián)接變?yōu)閯傂月?lián)接，從而使載荷均勻分布在各永磁體上。該機(jī)器人的結(jié)構(gòu)尺寸為390mmX310mmX200mm，自重76N，可跨越13mm的突起焊縫，最大移動速度可達(dá)10m/min。之后又將剛性導(dǎo)桿分割成

31、多段，用連桿多級聯(lián)接，研制了適用于曲面的負(fù)荷分散機(jī)構(gòu)。為了使結(jié)構(gòu)對稱，機(jī)構(gòu)的重心始終處于中心位置，導(dǎo)桿分割的個數(shù)必須為2的冪次方。其外形尺寸為650mmX450mmXl50mm，自重為270N，可跨越平面上的13mm的突起和半徑2m的曲面外側(cè)的10mm的突起部分。</p><p>　　1.3.2國內(nèi)壁面移動機(jī)器人的發(fā)展概況</p><p>　　從國內(nèi)的發(fā)展來看，哈爾濱理工大學(xué)研制了測量金屬

32、大罐漆膜厚度的輪和履帶復(fù)合式永磁吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)構(gòu)由履帶式驅(qū)動輪和磁性導(dǎo)向輪兩部分組成，驅(qū)動電機(jī)經(jīng)一級齒形帶傳動，將運動傳至驅(qū)動輪，四個磁性支重輪安裝在兩套臺車架上，臺車架采用彈性懸架。由于采用了彈性懸架和前輪的減震彈簧，使得車體在行進(jìn)中能有效的吸收能量，在遇到障礙時能柔順的仿形。這種機(jī)構(gòu)為導(dǎo)磁性壁面如石油化工的大型儲罐、核廢液儲存罐及造船行業(yè)實施多種作業(yè)提供了方便的運載工具。結(jié)構(gòu)尺寸為48OmmX345mmX225mm，自重122

33、.5N。</p><p>　　上海交通大學(xué)從1992年開始研制測量油罐容積的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人。該機(jī)器人用永磁鐵作為磁吸盤元件，磁吸盤連接在鏈條上，具有磁性定向轉(zhuǎn)位機(jī)構(gòu)和力分散機(jī)構(gòu)。機(jī)器人不含電纜重146N，可負(fù)重200N，行走速度2m/min。</p><p>　　哈爾濱工業(yè)大學(xué)從1991年開始研制用于石化企業(yè)金屬罐的噴砂除銹、檢測涂層厚度和噴漆防腐的履帶式永磁吸附爬壁機(jī)器人。爬行

34、速度為2一8m/min，有線遙控，負(fù)重能力達(dá)到300N以上。在機(jī)器人的加了一個萬向輪，可防止機(jī)器人發(fā)生傾覆現(xiàn)象。</p><p>　　1997年，開發(fā)了適用于電站鍋爐水冷壁排管清掃、敲渣和測厚的永磁吸附爬壁機(jī)器人試驗樣機(jī)。永磁吸附塊形狀呈管壁形狀相吻合，減少了磁路中的氣隙提高了磁吸附力。履帶用密封罩進(jìn)行密封并設(shè)計了氣壓回路，進(jìn)一步防止磁吸附塊對鐵削的吸引。爬行速度2—8m/min，有線遙控，遙控距離大于60m，負(fù)

35、重不小于400N。</p><p>　　1.4本文的研究內(nèi)容及主要工作</p><p>　　船舶表面清刷機(jī)器人的研究目的是研制成一種能在船舶錨泊或?？看a頭時在水下對船舶表面的水生物進(jìn)行清理的壁面移動式機(jī)器人。該機(jī)器人的具體技術(shù)指標(biāo)為: </p><p>　　吸附方式: 強(qiáng)磁輪磁力吸附；</p><p>　　移動方式: 輪式液壓馬達(dá)驅(qū)動；<

36、;/p><p>　　移動速度: 1～5m /min；</p><p>　　控制方式：有線遙控；</p><p>　　負(fù)重能力：不小于400N；</p><p>　　工作深度：水下20m以內(nèi)；</p><p>　　清洗茂盛海生物的能力：不小于120平方米/小時，總體尺寸約為1000×800×500毫米。需

37、要解決以下問題。</p><p>　　1.清洗設(shè)備本體結(jié)構(gòu)的研究和設(shè)計</p><p>　　根據(jù)船體清洗設(shè)備的使用環(huán)境、技術(shù)指標(biāo)的要求和系統(tǒng)組成，設(shè)計設(shè)備的本體結(jié)構(gòu)；</p><p>　　2.穩(wěn)定和可靠的吸附能力研究</p><p>　　機(jī)器人能否穩(wěn)定的吸附在船壁上是課題的一個關(guān)鍵性問題，因此需要將原理樣機(jī)轉(zhuǎn)化為工程樣機(jī)過程中在結(jié)構(gòu)上簡化，選

38、材上減輕質(zhì)量，并且從其他方面上增大吸附力，提高吸附力的富裕量。</p><p>　　3.清洗設(shè)備控制系統(tǒng)的研究和設(shè)計</p><p>　　清洗設(shè)備的控制系統(tǒng)采用上位機(jī)和下位機(jī)串行通訊方式，主要完成控制系統(tǒng)的軟件編制和硬件設(shè)計，實現(xiàn)驅(qū)動馬達(dá)的速度控制、設(shè)備位姿的控制和震蕩清洗的控制，保證設(shè)備在船體表面按預(yù)定的軌跡移動和完成清洗作業(yè)。</p><p>　　4.震蕩清洗機(jī)

39、構(gòu)的研究和設(shè)計</p><p>　　確定驅(qū)動震蕩板所需的液壓泵，液壓馬達(dá)。通過改變馬達(dá)輸出轉(zhuǎn)速，震蕩板的震蕩效果的試驗對比，并考慮震蕩清洗時設(shè)備本體的受力情況，合理地設(shè)計震蕩清洗機(jī)構(gòu)和設(shè)備本體的聯(lián)接機(jī)構(gòu)。</p><p>　　第2章 清洗設(shè)備主要機(jī)構(gòu)的優(yōu)化選擇</p><p>　　2.1吸附機(jī)構(gòu)的選擇</p><p>　　船體結(jié)構(gòu)焊縫超聲自動

40、檢測裝置的吸附方式有三種，真空吸附，磁吸附和推力吸附。三種吸附方式的比較如表2.1；從表中可以清楚地看出三種吸附方式的特點。由于船體表面是導(dǎo)磁性材料，且船體表面凹凸不平，為了提高吸附力，選用磁吸附法。采用永磁體吸附比較安全可靠，即使突然斷電，船體結(jié)構(gòu)焊縫超聲自動檢測裝置也不會發(fā)生墜落現(xiàn)象，而電磁鐵要實現(xiàn)吸附功能就要受到電源通斷電的限制，故選用永磁鐵吸附方式。</p><p>　　表2.1壁面移動機(jī)器人吸附方式的比

41、較</p><p>　　2.2 磁材料的選擇</p><p>　　磁性材料包括產(chǎn)生磁通量的永磁材料和引導(dǎo)磁通量的軟磁材料，即軛鐵。選擇永磁材料需要考慮以下幾點要求。</p><p>　　1.永磁材料的最大磁能積要大，即單位體積的磁塊能產(chǎn)生盡可能大的磁力；</p><p>　　2.永磁材料要有比較好的穩(wěn)定性；</p><p&

42、gt;　　3.永磁材料要具有高的韌性，這樣不易破損和開裂，也方便加工和裝配；</p><p>　　4.永磁材料要具有高的性能價格比。</p><p>　　永磁材料主要有合金系永磁材料，鐵氧體永磁材料和稀土系永磁材料等。自二十世紀(jì)六十年代稀土永磁材料問世以來，一改永磁材料的硬而脆的缺點，實現(xiàn)了永磁材料性能上的重大改進(jìn)。</p><p>　　第三代稀土永磁材料釹鐵硼(N

43、d－Fe－B)是目前磁性能極佳的永磁材料，它資源豐富，價格便宜，退磁曲線基本上是直線，并且回復(fù)曲線近似的與退磁曲線重合，而且內(nèi)稟矯頑力極高，在磁路中可減少漏磁。適合在開路狀態(tài)、壓力場合、反磁場或動態(tài)情況下應(yīng)用，并由于便于加工，適合制造成短或薄的元件。磁塊選用稀土釹鐵硼材料，通常以最大磁能積(BH)max、剩磁Br、內(nèi)稟矯頑力Hcj等來衡量永磁材料的質(zhì)量，這些量的數(shù)值越大，材料的性能越好，質(zhì)量也越高。選用釹鐵硼材料的型號為N35，其性能參

44、數(shù)見表2.2。</p><p>　　表2.2釹鐵硼N35的性能參數(shù)</p><p>　　在永磁回路中，用軟磁材料做成適當(dāng)形狀和尺寸的軛鐵，以便減少磁阻，增大關(guān)鍵部位的磁通密度。由軛鐵引導(dǎo)永磁體發(fā)出的磁通量至工作氣隙，使永磁體工作在最佳狀態(tài)。對軟磁材料的要求是具有較高的磁導(dǎo)率和較小的磁滯，以減少渦流損耗和磁滯損耗。這里選用硅鋼作為軛鐵材料，硅鋼的性能參數(shù)見表2.3所示。</p>

45、<p>　　表2.3硅鋼的性能參數(shù)</p><p>　　本機(jī)構(gòu)選用直徑為80mm，厚度為20mm的磁輪，后輪直徑為100mm，厚度為20mm的磁輪，在實際驗證中，能完全保證水下清洗機(jī)構(gòu)的吸附和靈活運動。</p><p>　　2.3驅(qū)動方式的選擇</p><p>　　機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有流體傳動(液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動)、電氣驅(qū)動和機(jī)械式驅(qū)動三種基本方式。電

46、氣驅(qū)動主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。選用液壓驅(qū)動方式，結(jié)構(gòu)簡單結(jié)緊湊，比機(jī)械傳動和電氣傳動所使用的運動部件要少。在相同的體積條件下，傳遞的功率要遠(yuǎn)遠(yuǎn)的高于電動機(jī)傳遞的功率，同時便于操作和維護(hù)。 液壓系統(tǒng)本身壓力高于外界的壓力，使得外部介質(zhì)不可能滲漏到液壓系統(tǒng)內(nèi)部來，液壓傳動在水下密封的要求較為容易實現(xiàn)。由于清刷機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境為海水介質(zhì)中，常用的水密電機(jī)的軸向尺寸很大，而且一旦密封失敗，產(chǎn)生的后果是非常嚴(yán)重的，同時考慮機(jī)器

47、人的整體結(jié)構(gòu)一致性，驅(qū)動機(jī)構(gòu)選用液壓馬達(dá)驅(qū)動。</p><p>　　2.3.1液壓驅(qū)動傳動的特點</p><p>　　根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的需要，綜合考慮傳動性能、成本等方面的原因，這里選用液壓傳動。液壓傳動具有通用性、多功能和可控性的優(yōu)點。液壓傳動外形設(shè)計靈活，多樣，不會受到外形尺寸方面的制約，在傳遞功率上不受材料的物理特性的限制，只是受到材料的力學(xué)性能如強(qiáng)度等方面的制約。同時由于液壓傳動具有如

48、下特點使得液壓傳動在現(xiàn)代工業(yè)產(chǎn)品、生產(chǎn)過程和工業(yè)自動化顯示越來越重要的地位。</p><p>　　1.液壓傳動的優(yōu)點：</p><p>　　(1)易于控制且控制精確。液壓傳動可以在任何時候任何位置實現(xiàn)控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)的啟、停、加速、減速和反向運動，本上不受到控制執(zhí)行機(jī)構(gòu)和機(jī)械系統(tǒng)的運動慣性的影響。</p><p>　　(2)液壓系統(tǒng)具有轉(zhuǎn)向靈活反應(yīng)靈敏，易于實現(xiàn)無級調(diào)速

49、功能，容易實現(xiàn)過載保護(hù)的功能。</p><p>　　(3)理想的增力機(jī)構(gòu)。液壓系統(tǒng)是一個非常簡單和高效的增力系統(tǒng)，可以輕易的實現(xiàn)增力和增大力矩。</p><p>　　(4)可以輸出恒定的力和扭矩。不管負(fù)載的速度如何變化都可以為負(fù)載提供連續(xù)不斷的力和扭矩。</p><p>　　(5)具有敏感的負(fù)載敏感性。液壓系統(tǒng)的工作壓力和液壓泵輸出壓力隨著負(fù)載的變化而變化，在流量不

50、變化的情況下，消耗的動力隨著負(fù)載的輸出而變化，減少了能量的無效消耗，增加了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性。</p><p>　　(6)可以實現(xiàn)復(fù)合傳動和控制。在液壓傳動中，使用一個液壓源可以實現(xiàn)各種復(fù)雜的、不同的運動，如直線運動、回轉(zhuǎn)運動。同時，可以通過串聯(lián)和并聯(lián)的方式驅(qū)動多個負(fù)載，控制各種不同的運動。</p><p>　　(7)液壓傳動裝置的重量輕、結(jié)構(gòu)緊湊、慣性小。例如，相同功率液壓馬達(dá)的體積為電動機(jī)的

51、12%～13%。液壓泵和液壓馬達(dá)單位功率的重量指標(biāo)，目前是發(fā)電機(jī)和電動機(jī)的十分之一，液壓泵和液壓馬達(dá)可小至0.0025N/W(牛/瓦),發(fā)電機(jī)和電動機(jī)則約為0.03N/W。</p><p>　　(8)液壓傳動容易實現(xiàn)自動化——借助于各種控制閥，特別是采用液壓控制和電氣控制結(jié)合使用時，能很容易地實現(xiàn)復(fù)雜的自動工作循環(huán)，而且可以實現(xiàn)遙控。</p><p>　　(9)液壓系統(tǒng)工作平穩(wěn)、沖擊小。由

52、于液壓油本身具有緩沖、阻尼的特性，可以減緩或者消除機(jī)械碰撞產(chǎn)生的沖擊、振動和噪聲。較機(jī)械傳動而言，工作平穩(wěn)、沖擊和振動都相對較小。</p><p>　　(10)液壓系統(tǒng)具有簡單、安全、經(jīng)濟(jì)的特點。一般而言，液壓傳動比機(jī)械傳動和電氣傳動所用的部件要少，因此系統(tǒng)簡單，緊湊且便于操作和維護(hù)，同時，增加了系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。</p><p>　　2.3.2液壓系統(tǒng)的的原理</p>

53、<p>　　后輪爬行機(jī)構(gòu)的液壓馬達(dá)由液壓系統(tǒng)提供，如圖2.1，系統(tǒng)圖相同。為了減少高壓軟管長度，液壓系統(tǒng)除了液壓馬達(dá)9在水下外，其余部分都在船舶的甲板上。</p><p>　　圖2.1 液壓系統(tǒng)圖</p><p>　　1-油泵 2-溢流閥 3-換向閥 4、5、6、7-單向閥 8-安全閥 9-變量馬達(dá)</p><p>　　液壓系統(tǒng)的工作原理：整個液

54、壓系統(tǒng)除了馬達(dá)在水下外，其余部分都在水上，當(dāng)泵由電機(jī)帶動旋轉(zhuǎn)時，當(dāng)三位四通換向閥左位工作時，液壓油從油箱到泵1再到三位四通換向閥3（左）再到馬達(dá)9（左），回油由馬達(dá)（右）到三位四通換向閥3（左）到油箱，形成一個循環(huán)，這是單向閥7和5有可能工作，4和6不工作，7是當(dāng)系統(tǒng)馬達(dá)進(jìn)油管壓力高于8的調(diào)定壓力時，高壓油從7到8再到油箱，5是補(bǔ)充馬達(dá)高低回路所需要的漏油，漏油從油箱到5再到馬達(dá)低壓腔（油箱在上，是特殊的重力油箱），馬達(dá)正轉(zhuǎn)。三位四通換

55、向閥3（右）工作時，過程相反，馬達(dá)反轉(zhuǎn)。</p><p>　　此液壓系統(tǒng)設(shè)備，電機(jī)功率為3kW,系統(tǒng)壓力MAX=7MPa,流量為17L/min,速度可調(diào)，管道尺寸為長10m，寬20mm，壁厚3mm，材料為高壓軟管?？偣残枰?條。此設(shè)備由制造公司按原理圖制造，并保證密封要求。此設(shè)備已在在樣機(jī)上可以很好的應(yīng)用。</p><p>　　2.4移動方式的選擇</p><p>

56、　　移動方式有三種，即車輪式、履帶式、步行式。三種方式的對比如表2.4：</p><p>　　表2.4壁面移動機(jī)器人移動方式的比較</p><p>　　2.4.1輪式移動方式</p><p>　　與雙履帶、步行式相比，結(jié)構(gòu)上比較簡單，左右兩邊各2個，一共4個磁輪，由1個液壓馬達(dá)驅(qū)動后面的兩個磁輪，通過兩個馬達(dá)不同的轉(zhuǎn)速，來改變運動的方向。可以適應(yīng)附著有不同程度的海洋

57、污損海生物的船舶表面;也能適應(yīng)船體表面的曲率變化，并具有越過焊縫等存在于船體表面的障礙的能力:另外還有移動迅速的優(yōu)點。采用液壓馬達(dá)驅(qū)動，可以很容易的實現(xiàn)液壓差速，因而轉(zhuǎn)向靈活，并可以實現(xiàn)較小回轉(zhuǎn)半徑轉(zhuǎn)向。采用液壓馬達(dá)的另外一個優(yōu)勢是，將機(jī)器人的全部的動密封轉(zhuǎn)換為液壓馬達(dá)的輸出軸的動密封。而馬達(dá)的動密封問題，也就是整個機(jī)器人的動密封問題，就全部轉(zhuǎn)交給了專業(yè)的馬達(dá)生產(chǎn)商，系統(tǒng)的動密封可靠性能到了極大的保障。</p><p

58、>　　2.5高頻震蕩的選擇</p><p>　　2.5.1超聲波清洗原理</p><p>　　超聲波清洗機(jī)是通過超聲波發(fā)生器將高于20KHz頻率的有震蕩信號進(jìn)行電功率放大后經(jīng)超聲波換能器（震頭）的逆壓電效應(yīng)轉(zhuǎn)換成高頻機(jī)械振動能量通過清洗介質(zhì)中的聲輻射，使清洗液分子振動并產(chǎn)生無數(shù)微小氣泡。氣泡沿超聲傳播方向在負(fù)壓區(qū)形成、生長，并在正壓區(qū)迅速閉合而產(chǎn)生上千個大氣壓的瞬間高壓而爆破，形成無

59、數(shù)微觀高壓沖擊波作用于被清洗工件表面。此即超聲波清洗中的“空化效應(yīng)”。超聲波清洗機(jī)就是基于“空化效應(yīng)”的基本原理工作的，也因此，超聲清洗對具有內(nèi)外結(jié)構(gòu)復(fù)雜、微觀不平表面、狹縫、小孔、拐角、死角、元件密集等特點的工件均具有卓越的洗凈能力，是其他清洗方法無可比擬的。隨著超聲頻率的提高，氣泡數(shù)量增加而爆破沖擊力減弱，設(shè)備因此，高頻超聲特別適用於小顆粒污垢的清洗而不破環(huán)其工件表面。 </p><p>　　圖2.6 超聲波

60、效果圖</p><p>　　2.5.2 空化泡的擴(kuò)大以及爆裂</p><p>　　氣泡是在液體中施加高頻（超聲頻率）、高強(qiáng)度的聲波而產(chǎn)生的。因此，任何超聲清洗系統(tǒng)都必須具備三個基本元件：盛放清洗液的槽、將電能轉(zhuǎn)化為機(jī)械能的換能器以及產(chǎn)生高頻電信號的超聲波發(fā)生器。</p><p>　　2.5.3 換能器和發(fā)生器</p><p>　　超聲清洗系統(tǒng)

61、最重要的部分是換能器?，F(xiàn)存兩種換能器，一種是磁力換能器，由鎳或鎳合金制成；一種壓電換能器，由鋯鈦酸鉛或其他陶瓷制成。將壓電材料放入電壓變化的電場中時，它會發(fā)生變形，這就是所謂的'壓電效應(yīng)'。相對來說，磁力換能器是用會在變化的磁場中發(fā)生變形的材料制成的。 無論使用何種換能器，通常最基本的因素為其產(chǎn)生的空化效應(yīng)的強(qiáng)度。超聲波和其它聲波一樣，是一系列的壓力點，即一種壓縮和膨脹交替的波。如果聲能足夠強(qiáng)，液體在波的膨脹階段被推開，

62、由此產(chǎn)生氣泡；而在波的壓縮階段，這些氣泡就在液體中瞬間爆裂或內(nèi)爆，產(chǎn)生一種非常有效的沖擊力，特別適用於清洗。這個過程被稱做空化作用。</p><p>　　2.5.4 聲波的壓縮和膨脹</p><p>　　從理論上分析，爆裂的空化泡會產(chǎn)生超過10,000 psi的壓力和20,000 °F (11,000 °C) 的高溫，并在其爆裂的瞬間沖擊波會迅速向外輻射。單個空化泡所釋

63、放的能量很小，但每秒鐘內(nèi)有幾百萬的空化泡同時爆裂，累計起來的效果將是非常強(qiáng)烈的，產(chǎn)生的強(qiáng)大的沖擊力將工件表面的污物剝落，這就是所有超聲清洗的特點。如果超聲能量足夠大，空化現(xiàn)象會在清洗液各處產(chǎn)生，所以超聲波能夠有效清洗微小的裂縫和孔?？栈饔靡泊龠M(jìn)了化學(xué)反應(yīng)并加速了表面膜的溶解。 然而只有在某區(qū)域的液體壓力低于該氣泡內(nèi)氣體壓力時才會在該區(qū)域產(chǎn)生空化現(xiàn)象，故由換能器產(chǎn)生的超聲波振幅足夠大時才能滿足這一條件。產(chǎn)生空化所需的最小功率被稱做空化臨

64、界點。不同的液體存在不同的空化臨界點，故超聲波能量必須超過該臨界點才能達(dá)到清洗效果。也就是說，只有能量超過臨界點才能產(chǎn)生空化泡，以便進(jìn)行超聲清洗。 </p><p>　　2.5.5 頻率的重要性</p><p>　　當(dāng)工作頻率很低（在人的聽覺范圍內(nèi)）就會產(chǎn)生噪音。當(dāng)頻率低於20kHz時，工作噪音不僅變得很大，而且可能超出職業(yè)安全與保健法或其他條例所規(guī)定的安全噪音的限度。在需要高功率去除污垢

65、而不用考慮工件表面損傷的應(yīng)用中，通常選擇從20kHz到30kHz范圍內(nèi)的較低清洗頻率該頻率范圍內(nèi)的清洗頻率常常被用于清洗大型、重型零件或高密度材料的工件。高頻通常被用于清洗較小、較精密的零件，或清除微小顆粒。高頻還被用于被工件表面不允許損傷的應(yīng)用。使用高頻可從幾個方面改善清洗性能。隨著頻率的增加，空化泡的數(shù)量呈線形增加，從而產(chǎn)生更多更密集的沖擊波使其能進(jìn)入到更小的縫隙中。如果功率保持不變，空化泡變小，其釋放的能量相應(yīng)減少，這樣有效地減小

66、了對工件表面的損傷。高頻的另一個優(yōu)勢在于減小了粘滯邊界層（泊努里效應(yīng)），使得超聲波能夠'發(fā)現(xiàn)'極細(xì)小的微粒。</p><p>　　圖2.7 頻率發(fā)生器</p><p>　　2.5.6 清洗液的選擇 </p><p>　　考慮到清洗液的物理特性對超聲清洗的影響，其中蒸汽壓、表面張力、黏度以及密度應(yīng)為最顯著的影響因素。溫度能影響這些因素，所以它也會影響空

67、化作用的效率。 任何清洗系統(tǒng)必須使用清洗液。</p><p>　　選擇清洗液時，應(yīng)考慮以下三個因素：</p><p>　　1．清洗效率：選擇最有效的清洗溶劑時，一定要做實驗。如在現(xiàn)有的清洗工藝中引入超聲，使用的溶劑一般不必變更；</p><p>　　2．操作簡單：所使用的液體應(yīng)安全無毒、操作簡單且使用壽命長；</p><p>　　3．成本：最

68、廉價的清洗溶劑的使用成本并不一定最低。使用中必須考慮到溶劑的清洗效率、安全性、一定量的溶劑可清洗多少工件利用率最高等因素。當(dāng)然，所選擇的清洗溶劑必須達(dá)到清洗效果，并應(yīng)與所清洗的工件材料相容。</p><p>　　水為最普通的清洗液，故使用水基溶液的系統(tǒng)操作簡便、使用成本低、應(yīng)用廣泛。所以此設(shè)備的清洗液選擇海水。</p><p>　　2.5.7超聲清洗的優(yōu)越性 </p><

69、;p>　　高精度： 由于超聲波的能量能夠穿透細(xì)微的縫隙和小孔，故可以應(yīng)用與任何零部件或裝配件清洗。被清洗件為精密部件或裝配件時，超聲清洗往往成為能滿足其特殊技術(shù)要求的唯一的清洗方式；</p><p>　　快速： 超聲清洗相對常規(guī)清洗方法在工件除塵除垢方面要快得多。裝配件無須拆卸即可清洗。超聲清洗可節(jié)省勞動力的優(yōu)點往往使其成為最經(jīng)濟(jì)的清洗方式；</p><p>　　一致：無論被清洗件是

70、大是小，簡單還是復(fù)雜，單件還是批量或在自動流水線上，使用超聲清洗都可以獲得手工清洗無可比擬的均一的清潔度。</p><p>　　第3章 清刷設(shè)備各主要機(jī)構(gòu)的確定</p><p>　　3.1清洗設(shè)備工作原理</p><p>　　液壓震蕩清洗設(shè)備由機(jī)械載體、液壓頻率發(fā)生裝置和無線控制系統(tǒng)三部分組成，其工作原理為：在船的甲板上放置一個可自由移動的運載小車，小車上有液壓泵、

71、控制柜、動力源及卷揚裝置。液壓泵為液壓震蕩清洗設(shè)備提供動力來源，卷揚裝置隨著設(shè)備的上下移動及時地收放保護(hù)纜繩，為清洗設(shè)備提供安全保障條件，同時也為清洗設(shè)備輸送動力和控制電纜。清洗設(shè)備放置船體上后，先按從上至下的路徑移動，當(dāng)?shù)竭_(dá)船的底部時，設(shè)備直接后退，然后再從下至上移動，設(shè)備的轉(zhuǎn)彎運動是靠轉(zhuǎn)向輪來實現(xiàn)的。清洗設(shè)備最后實現(xiàn)清洗功能的是由液壓系統(tǒng)產(chǎn)生一定得頻率震蕩，通過介質(zhì)（海水）的傳遞或直接接觸使海生物及污垢脫離船體。清洗機(jī)構(gòu)通過清洗刀具

72、的不斷旋轉(zhuǎn)，從而清除船體表面的海生物及污垢，萬向輪使得清洗刀具不直接接觸船體表面而刮傷船體表面的油漆。液壓震蕩清洗設(shè)備的總體系統(tǒng)方框圖如圖3.1所示。</p><p>　　圖3.1清洗設(shè)備總體系統(tǒng)方框圖</p><p>　　船舶水下液壓震蕩清洗設(shè)備是一種半自動化、操作簡易的設(shè)備?？筛鶕?jù)工作人員的需要隨時隨地進(jìn)行水下船體表面的清洗，該設(shè)備有水下清洗機(jī)構(gòu)和船上輔助控制機(jī)構(gòu)組成。船上輔助控制機(jī)構(gòu)

73、有液壓供能機(jī)構(gòu)、視屏系統(tǒng)和供電機(jī)構(gòu)組成，為水下清洗機(jī)構(gòu)提供動力。水下機(jī)構(gòu)如圖3.2所示。</p><p>　　圖3.2 船舶水下清洗設(shè)備水下機(jī)構(gòu)主體</p><p>　　1——萬向輪 2——清洗刀具 3——清洗頭 8——絲杠馬達(dá) 9——絲杠 10——彈簧支撐座 13——行程開關(guān) 14——前磁輪 15——監(jiān)控攝像頭 16——高頻系統(tǒng) 17——后磁輪 18——后輪液壓驅(qū)動

74、馬達(dá)</p><p><b>　　工作原理：</b></p><p>　　將水上機(jī)構(gòu)和水下清洗機(jī)構(gòu)連接后，輕輕地將其沿著船的邊緣沉入水中，直到對強(qiáng)磁輪14和17穩(wěn)穩(wěn)地吸在船上。當(dāng)清洗機(jī)構(gòu)進(jìn)入水下后，通過水上控制系統(tǒng)向可視系統(tǒng)15傳輸信號，使可視系統(tǒng)15工作，通過船上的視頻系統(tǒng)，觀看水下機(jī)構(gòu)的行走路線和工作狀態(tài)。強(qiáng)磁輪14和17用來提供強(qiáng)大的吸力，防止水下清洗機(jī)構(gòu)在船體

75、上行走時脫離。給清洗頭3中的馬達(dá)供電，使馬達(dá)轉(zhuǎn)動從而帶動清洗刀具2轉(zhuǎn)動，開始清洗船體表面，絲杠馬達(dá)8轉(zhuǎn)動帶動絲杠9，從而實現(xiàn)清洗刀具2左右方向上的清洗，后輪液壓馬達(dá)18轉(zhuǎn)動帶動后磁輪17轉(zhuǎn)動，使清洗設(shè)備向前移動，同時通過高頻系統(tǒng)16，再次清洗被清洗刀具清洗過的船體表面。</p><p>　　3.2水下船體表面清洗設(shè)備本體結(jié)構(gòu)</p><p>　　下面詳細(xì)介紹水下清洗機(jī)構(gòu)</p>

76、<p>　　3.2.1 往復(fù)機(jī)構(gòu)</p><p>　　方案一：回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)是由曲柄搖桿機(jī)構(gòu)和低速液壓馬達(dá)組成（圖3.3）。液壓馬達(dá)帶動曲柄旋轉(zhuǎn)，曲柄帶動連桿運動，連桿帶動搖桿擺動，搖桿的左端用于固定清洗機(jī)構(gòu)，搖桿右端的支點安裝在機(jī)體的連接孔內(nèi)。機(jī)構(gòu)的設(shè)計尺寸以搖桿掃的角度90°為限，因馬達(dá)的轉(zhuǎn)動速度可調(diào)，從而使搖桿的擺動速度可調(diào)。</p><p><b>　　

77、圖3.3 回轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　1-搖桿 2-連桿 3-曲柄 4-液壓馬達(dá)</p><p>　　此方案在清洗的過程中，由于搖桿掃的角度為90°，進(jìn)而限制了清洗設(shè)備在左右方向上的清洗范圍，導(dǎo)致整個清洗過程清洗效率的降低，另一方面，由于在工作中搖桿會不停的擺動，存在很大的慣性力，從而影響了設(shè)備的穩(wěn)定性。</p><p>　　

78、故在此方案的基礎(chǔ)上，綜合考慮各方面因素我提出了如下方案：往復(fù)機(jī)構(gòu)，由于往復(fù)機(jī)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)左右方向上的直線移動，從而增大了清洗的范圍，另一方面由于是在左右方向上的來回直線運動，也進(jìn)一步保證了設(shè)備的穩(wěn)定性。</p><p>　　往復(fù)機(jī)構(gòu)是能使清洗裝置實現(xiàn)左右往復(fù)運動，來增大船體表面清洗的范圍。</p><p><b>　　圖3.4往復(fù)機(jī)構(gòu)</b></p>&l

79、t;p>　　6-底座 7-前支撐桿 8-絲杠馬達(dá) 9-絲杠 11-后支撐桿 12-觸碰桿 13 行程開關(guān) </p><p>　　如圖，絲杠馬達(dá)8轉(zhuǎn)動，進(jìn)而帶動絲杠9轉(zhuǎn)動，由于絲杠9的轉(zhuǎn)動底座6開始向右（左）移動，當(dāng)?shù)鬃?移動到A(B)位置時，底座6會碰到觸碰端，觸動行程開關(guān)13，這時絲杠馬達(dá)8會反轉(zhuǎn)，從而帶動絲杠9反轉(zhuǎn)，使底座6開始向反方向移動，當(dāng)再次碰觸到B(A)是，行程開關(guān)13復(fù)位，進(jìn)而

80、絲杠馬達(dá)8又開始正向轉(zhuǎn)動，絲杠9亦正向轉(zhuǎn)，底座開始向右（左）移動，這樣就形成清洗機(jī)構(gòu)的來回往復(fù)運動。</p><p>　　由于AB之間的距離L為350mm，而底座6的寬度d為100mm，所以該往復(fù)機(jī)構(gòu)的行程l=L-d=350-100=250mm。</p><p>　　3.2.2 清洗機(jī)構(gòu)</p><p>　　清洗機(jī)構(gòu)是清洗設(shè)備的主要機(jī)構(gòu)，它負(fù)責(zé)對船體表面的清洗。

81、</p><p>　　清洗機(jī)構(gòu)方案一，如圖：液壓泵提供動力使液壓馬達(dá)4轉(zhuǎn)動，液壓馬達(dá)帶動偏心輪10旋轉(zhuǎn)，使活動桿機(jī)構(gòu)9平動，從而使刀片往復(fù)震動，把海生物切除掉。</p><p>　　圖3.5 清洗部分和彈性定位部分結(jié)構(gòu)圖</p><p>　　4-高速液壓馬達(dá) 6-高頻振蕩清洗刀片 7-定位機(jī)構(gòu) </p><p>　　8-彈性定位塊 9-

82、活動桿機(jī)構(gòu) 10-偏心機(jī)構(gòu) 11-連接桿</p><p>　　此方案在清洗的過程中，由于清洗刀片為長條形的直刀片，而一般船舶外殼的表面都會有一定的傾斜或弧度，而清洗刀片只能在它的清洗水平面內(nèi)清洗，有傾斜或弧度的地方就相對比較難清洗得到，進(jìn)而導(dǎo)致了清洗設(shè)備的清洗不完全。</p><p>　　考慮到這一點，我提出了如下方案：采用由萬向輪，清洗頭，清洗刀具，臂桿所組成的清洗機(jī)構(gòu)。由于有支撐彈簧

83、的作用，使得清洗刀具能夠緊貼清洗表面，即使在有傾斜或弧度的地方，也能保證清洗得到，且同時由于有萬向輪的作用，使得清洗刀具與船體表面有一定的距離，而避免清洗刀具在清洗中破壞船體表面的油漆。從而保證了清洗設(shè)備的清洗完全。</p><p><b>　　圖3.6清洗機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　1-萬向輪 2-清洗刀具 3-清洗頭 4-臂桿</p>&

84、lt;p>　　如圖清洗機(jī)構(gòu)主要由萬向輪、清洗刀具、清洗頭以及臂桿組成，它的驅(qū)動方式為電驅(qū)動。清洗頭3內(nèi)部裝有電動馬達(dá)，馬達(dá)轉(zhuǎn)動后帶動下面的刀具2轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)對船體表面的清潔工作。在清洗頭前端裝有一個萬向輪1，一方面讓刀具2與船體表面保持一定的距離，從而避免刀具直接接觸船體表面而刮傷船體表面的油漆，另一方面使得清洗頭在接觸船體表面時，不會受到摩擦阻力，清洗頭可以自由的在船體表面移動。</p><p>　　該

85、清洗頭清洗刀具的清洗速度為0.015m2/s。</p><p><b>　　3.2.3彈性機(jī)構(gòu)</b></p><p><b>　　圖3.7彈性機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　4-臂桿 5-前支撐座 6-底座 10-彈簧支撐座</p><p>　　如圖為彈性機(jī)構(gòu)。它的主要部件是彈簧支撐座10

86、，由于彈簧的作用，使得清洗頭與船體表面有一定的預(yù)緊力，從而使的清洗頭更好的完成清洗工作，另一方面清洗頭可以自如的改變清洗的高度。</p><p>　　彈簧預(yù)緊力的設(shè)置，當(dāng)小車平放在水平面上，清洗頭與水平面間的預(yù)緊力計算：</p><p>　　清洗頭與船體表面間的預(yù)緊力取為30N較為合適，彈簧的彈性系數(shù)為k= 4.5N/m，</p><p>　　如圖，F(xiàn)1=30N,L

87、1=15cm ，L2=20N,則根據(jù)力矩平衡得：F1L1=F2L2，推出F2=22.5N</p><p>　　又F2=kX,由于k=4.5N/m，得出彈簧的預(yù)壓縮量X=5cm。</p><p><b>　　3.2.4吸附機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　由于船體表面是導(dǎo)磁性材料，且附著海生物的船體表面凹凸不平，為了提高吸附力，選用磁吸附法。采用

88、永磁體吸附比較安全可靠，即使突然斷電，機(jī)器人也不會發(fā)生墜落現(xiàn)象，而電磁鐵要實現(xiàn)吸附功能就要受到電源通斷電的限制。采用前輪直徑80mm，厚度為20mm；后輪直徑100mm，厚度為20mm的永磁輪。該尺寸在現(xiàn)場實際運行中符合要求。</p><p><b>　　3.2.5驅(qū)動機(jī)構(gòu)</b></p><p>　　機(jī)器人常用的驅(qū)動方式有流體傳動(液壓驅(qū)動、氣動驅(qū)動)、電氣驅(qū)動和機(jī)

89、械式驅(qū)動三種基本方式。電氣驅(qū)動主要有步進(jìn)電機(jī)、直流伺服電機(jī)和交流伺服電機(jī)。由于清刷機(jī)器人的作業(yè)環(huán)境為海水介質(zhì)中，常用的水密電機(jī)的軸向尺寸很大，而且一旦密封失敗，產(chǎn)生的后果是非常嚴(yán)重的，同時考慮機(jī)器人的整體結(jié)構(gòu)一致性，驅(qū)動機(jī)構(gòu)選用液壓馬達(dá)驅(qū)動。液壓系統(tǒng)如圖3.4所示。</p><p><b>　　圖3.5液壓系統(tǒng)圖</b></p><p>　　油泵 2-溢流閥 3-

90、換向閥 4、5、6、7-單向閥 8-安全閥 9-變量馬達(dá)</p><p>　　此液壓系統(tǒng)設(shè)備，電機(jī)功率為3MPa,系統(tǒng)壓力MAX=7MPa,l流量為17L/min,速度可調(diào)，管道尺寸為長10m，寬20mm，壁厚3mm，材料為高壓軟管?？偣残枰?條。此設(shè)備已在在樣機(jī)上可以很好的應(yīng)用。</p><p><b>　　3.2.6可視機(jī)構(gòu)</b></p>&

91、lt;p>　　可視系統(tǒng)由控制系統(tǒng)提供12V穩(wěn)壓電源為攝像頭供電，220V供探照燈進(jìn)行照明用，架設(shè)在載體的前端左右兩邊處，使提供給視頻系統(tǒng)的視角范圍更廣，成像器件：1/4 SHARP CCD，像 數(shù)：PAL: 512（H）X 582（V），掃描系統(tǒng)：2:1 Interlace，水平周波數(shù)： 15.625KHz (PAL)，視頻輸出：1.0Vp-p, 75-0HM，紅外燈數(shù)12個，防水深度90米。</p><p&g

92、t;　　3.3選定設(shè)備清洗效率的驗證</p><p>　　清洗茂盛海生物的能力：不小于120平方米/小時。</p><p>　　后輪的爬行速度為：0.25m/s，清洗頭左右往復(fù)的距離為0.25m。在一個小時內(nèi)，設(shè)備的爬行距離為900m，清洗刀具的左右往復(fù)距離為0.25m，則總的清洗面積S=900*0.25=250m2>120m2,故符合對清洗設(shè)備清洗效率的要求。</p>

93、<p>　　第4章 清刷設(shè)備的力學(xué)分析</p><p>　　4.1清刷裝置相對船舶靜止時系統(tǒng)力學(xué)分析</p><p>　　清刷裝置在船體表面處于靜止?fàn)顟B(tài)時，受重力G，浮力F（下面計算中，浮力忽略），船體表面與磁輪之間的磁吸附力Fm，船體表面對磁輪的支持力N。當(dāng)設(shè)備在船體表面 處于靜止?fàn)顟B(tài)時，線型圖設(shè)備最可能發(fā)生的運動有三種：設(shè)備繞A點傾覆、沿船體表面下滑以及沿船體表面下滾。&l

94、t;/p><p>　　1．清刷裝置繞A點有傾覆趨勢時的受力情況，如圖4.1所示。</p><p>　　由設(shè)備與船體表面垂直方向受力平衡可得</p><p>　　錯誤!未找到引用源。（4-1）； 錯誤!未找到引用源。（4-2）。</p><p>　　錯誤!未找到引用源。 (4－3)</p><p>　　圖4.1傾

95、覆和下滑受力分析</p><p>　　圖4.2下滾受力分析</p><p>　　若繞A點翻轉(zhuǎn)，首先從上邊第一個磁輪掀起，對A點取矩有</p><p><b>　　(4-4)</b></p><p>　　式中: －上邊第一個磁輪與船體表面間的磁吸附力（N）；</p><p>　?。w表面對磁輪最上

96、邊第一個磁輪的支持力（N）；</p><p>　　－最上邊第一個磁輪到A點的距離(m)；</p><p>　?。瑼點到設(shè)備重心所在的和船體表面垂直平面的距離(m)；</p><p>　　H－設(shè)備重心到船體表面的距離(m)。</p><p><b>　　令求得：</b></p><p><b&

97、gt;　　（4－5）</b></p><p>　　若第一個磁輪不掀起，則應(yīng)有</p><p><b>　?。?－6）</b></p><p><b>　　此時磁輪吸附力為</b></p><p><b>　　（4－7）</b></p><p>

98、;　　即磁輪產(chǎn)生的吸附力應(yīng)滿足條件：</p><p><b>　?。?－8）</b></p><p>　　式中：－磁輪到A點的距離(m)。</p><p>　　2.清刷設(shè)備沿船體表面下滑時的受力情況，如圖4.1所示。</p><p>　　由設(shè)備與船體表面垂直方向上的受力平衡，得出</p><p>

99、　　錯誤!未找到引用源。 （4－9）</p><p>　　設(shè)備靜止于船體表面，當(dāng)沿船體表面所受的外力大于設(shè)備與船體表面之間的靜摩擦力時，設(shè)備有沿壁面向下滑動的趨勢，為使設(shè)備不下滑，應(yīng)滿足條件：</p><p><b>　?。?－10）</b></p><p>　　錯誤!未找到引用源。

100、 （4－11）</p><p>　　式中：－設(shè)備與船體表面之間的靜摩擦力(N)；</p><p>　?。判源泡喤c船體表面之間的靜摩擦系數(shù)。</p><p>　　3.清刷設(shè)備沿船體表面下滾時的受力情況，如圖4.2所示。</p><p>　　如果馬達(dá)和減速器沒有制動力矩和阻力矩產(chǎn)生，將會沿船體表面向下滾動。此時上部的第一個

101、磁輪以B點為轉(zhuǎn)動支點，N和Fm形成的力矩來克服重力G產(chǎn)生的力矩的作用，馬達(dá)和減速器也將產(chǎn)生一個制動力矩Mt和阻力矩Mr，以阻止磁輪沿壁面下滾。對B點取矩：</p><p><b>　　（4－12） </b></p><p><b>　　令，可得：</b></p><p><b>　?。?－13）</b>

102、;</p><p>　　式中：－和N1之間的距離(m) 。</p><p>　　4.2清刷裝置相對船舶運動時系統(tǒng)力學(xué)分析</p><p>　　設(shè)備沿船體表面從上向下運動，當(dāng)?shù)竭_(dá)船的底部時旋轉(zhuǎn)180°，再從下向上運動。此時設(shè)備除了受到靜止時所受的力以外，還要受到和運動方向相反的海水阻力的作用以及每磁輪產(chǎn)生的阻力的作用。下面從三種情況來分析設(shè)備運動時的受力情況

103、。</p><p>　　1.設(shè)備沿船體表面從上向下運動，其受力情況如圖4.3所示。</p><p>　　圖4.3下行受力分析</p><p>　　要使設(shè)備沿船體表面勻速向下移動，馬達(dá)和減速器必須產(chǎn)生制動力矩Mt和阻力矩Mr的作用，對B點取矩有</p><p><b>　　（4－14）</b></p><

104、;p><b>　　令，則</b></p><p><b>　?。?－15）</b></p><p>　　2.設(shè)備沿船體表面從下向上運動，其受力情況如圖4.4所示。</p><p>　　圖4.4上行受力分析</p><p>　　要想使設(shè)備勻速向上移動，馬達(dá)和減速器提供的驅(qū)動力矩Mq應(yīng)克服下邊一個

105、磁輪的Fm2和N2形成的阻力矩及其它外力形成的阻力矩的作用，對A點取矩有</p><p><b>　?。?－16）</b></p><p><b>　　令，則：</b></p><p><b>　?。?－17）</b></p><p>　　3．設(shè)備從下向上運動到頂部時，在船體表

106、面實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎運動，對力的分析。</p><p>　　清洗設(shè)備在船體表面轉(zhuǎn)彎，是通過兩個磁輪之間的速度差來實現(xiàn)的。圖4.5中M為轉(zhuǎn)動中心，R為轉(zhuǎn)動半徑，b為兩邊磁輪的中心距離，為磁輪與船體表面的接觸長度。該設(shè)備轉(zhuǎn)動半徑的變化范圍為，是小半徑區(qū)內(nèi)的轉(zhuǎn)彎運動。</p><p>　　這里定義平均磁輪速度</p><p><b>　?。?－18）</b>&

107、lt;/p><p>　　式中：－外側(cè)主動輪速度(m/s)；</p><p>　?。骄泡喫俣?m/s)；</p><p>　?。瓋?nèi)側(cè)主動輪速度(m/s) 。</p><p>　　由相似三角形關(guān)系可得</p><p><b>　?。?－19）</b></p><p><b

108、>　?。?－20）</b></p><p>　　由（4－17）得到外側(cè)主動輪速度</p><p><b>　　（4－21）</b></p><p>　　由（4－18）得到內(nèi)側(cè)主動輪速度</p><p><b>　?。?－22）</b></p><p>　　式

109、中：－轉(zhuǎn)向傳動比。</p><p><b>　　（4－23）</b></p><p><b>　　定義轉(zhuǎn)向比：</b></p><p><b>　?。?－24）</b></p><p>　　轉(zhuǎn)向比的大小可度量磁輪轉(zhuǎn)向的靈活性。由給定結(jié)構(gòu)確定的轉(zhuǎn)向比越小，則轉(zhuǎn)向越靈活。設(shè)計的清刷

110、設(shè)備的轉(zhuǎn)向比為0.65，可容易實現(xiàn)轉(zhuǎn)彎。 </p><p>　　兩個主動輪上的驅(qū)動力F0和Fi大小相等，方向相反，且兩者形成的驅(qū)動力矩，在轉(zhuǎn)向過程中用來克服磁輪橫向運動所引起的摩擦轉(zhuǎn)向阻力矩和滾動阻力矩。 </p><p>　　設(shè)馬達(dá)的額定輸出轉(zhuǎn)矩為T，令，則</p><p><b>　?。?－25）</b></p>

111、<p>　　式中；r－磁輪的半徑(m) ；</p><p>　　i－減速器的減速比；</p><p>　?。瓘鸟R達(dá)到磁輪的傳動效率。 </p><p>　　則轉(zhuǎn)彎時的驅(qū)動力矩：</p><p><b>　　（4－26）</b></p><p><b>　　滾動阻力矩：&

112、lt;/b></p><p><b>　?。?－27）</b></p><p><b>　　（4－28）</b></p><p><b>　　摩擦轉(zhuǎn)向阻力矩：</b></p><p><b>　?。?－29）</b></p><p

113、>　　式中：－每個磁輪受到的船體表面的支持力（N）；</p><p>　　－磁輪與壁面之間的滑動摩擦系數(shù)；</p><p>　?。D(zhuǎn)彎時每個磁輪到中心的距離(m)。</p><p>　　設(shè)備轉(zhuǎn)彎時總阻力矩：</p><p><b>　　（4－30）</b></p><p>　　使設(shè)備轉(zhuǎn)彎的條