一種半潛式污損生物清洗系統

秦亞軍， 甘文兵， 戚戰峰， 曹 仲

（宜昌測試技術研究所， 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海生物污損，嚴重時其厚度可達到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，增加額外的航行時間。另外附著在其表面的污損生物也會破壞船體的防護涂層，因此對于生物污損需要及時清除。當前海生物污損清除主要是在干船塢中人工使用鏟子、液壓刷等工具進行清除，這些方法工作效率低，易造成船體材料和防護涂層損傷。空化水射流清洗設備，可達到高效無損的清洗效果，但是清洗作業需要潛水員長時間下水操作，水中操作難度大，工作效率偏低。因此有必要發明一種可在水面以上操作的空化清洗系統，在降低工人勞動強度的同時提高清洗工作效率，并能保證操作人員安全。

1 工作原理

該種清洗系統的工作原理是：利用半潛躉船搭載自適應的柔性空化清洗噴嘴模塊，在躉船下潛狀態下，將被清洗艦艇駛入躉船的中間位置，并使用纜繩固定。控制柔性水下清洗噴嘴模塊升起并緊貼船底，高壓水經空化噴嘴形成清洗的空化水射流，開始污損生物清洗，同時噴嘴模塊在控制機構的推動下自船底首部向船尾運動，直至完成船底清洗。其特殊設計的噴嘴模塊可自動適應船體表面曲線的變化，從而保障更好地清洗效果和效率。該清洗系統總體結構如圖1所示。

圖1 系統總體結構示意圖

2 結構組成

該清洗系統的主要組成包括：半潛躉船、空化清洗設備，柔性空化噴嘴模塊、噴嘴模塊控制機構、輔助監控等。

其中半潛躉船為水下搭載平臺。

空化清洗設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。空化清洗設備是利用特殊結構的噴嘴使高壓水射流在噴槍出口處時產生大量氣化空泡并噴出，空炮潰滅時，周圍水體向空泡凹陷的方向加速流動，產生微射流，微射流的速度很高，使其與被清洗面接觸時壓力可達成百上千兆帕，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污損生物，而對船體本身傷害很小。

噴嘴模塊控制機構用于驅動和調節噴嘴模塊在水下姿態形狀，并推動其沿船底表面運動，根據船底形狀進行自適應調整。主要由減速電機、傳動帶，導軌、伸縮缸、滑架等組成。結構如下頁圖2所示。

空化噴嘴在工作時需要調整好與被清洗表面的距離和角度才能發揮最好清洗效果。因此為保證清洗效果和效率，需要設計相應機構對噴嘴的清洗角度和清洗的距離進行控制。柔性水下空化噴嘴模塊（簡稱空化噴嘴模塊）是將若干個空化噴嘴和定距膠輪、驅動扭簧固定于柔性鉸鏈的每個鏈節和銷軸上，使用時柔性鉸鏈可根據船底輪廓在噴嘴模塊控制機構和扭簧回彈力的作用下自動改變鉸鏈彎曲的局部和總體形狀，從而抱緊船體底板，帶動各噴嘴定位于距離船底表面預定位置和角度處。并且當被清洗船體移動時這些噴嘴模塊可自動適應船體輪廓變化。空化噴嘴可將高壓水轉換為空化水射流用于清洗污損生物。結構如圖3、圖4所示。

圖2 噴嘴模塊控制機構結構示意圖

圖3 柔性空化噴嘴模塊結構及姿態調整示意圖

圖4 柔性噴嘴模塊背面

監控設備包括控制臺、水下攝像頭、水下光源、主機等部件，主要用于實時觀測水下污損生物清洗狀態，控制清洗感端設備輸出的高壓水壓力和噴嘴模塊控制機構的動作速度。

其連接關系為，空化清洗設備干端和噴嘴模塊控制機構的減速電機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仍位于水面以上），噴嘴模塊控制機構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將沉入水面以下），空化噴嘴模塊安裝在噴嘴模塊控制機構滑架的可調節支架上。其中滑架部分可在甲板上縱向、橫向水平移動，配合其上驅動調節支架的液壓控制缸，可在工作時控制噴嘴模塊調整位置和姿態，以適應不同船型和船體表面形狀變化的需要。空化清洗干端設備依靠潛水泵從躉船水面以下吸水，增壓后通過高壓管供給安裝在調節支架上的空化噴嘴模塊的空化噴嘴進行清洗工作。

3 工作過程

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

2）啟動減速電機5，將縱向滑架調節至被清洗艦艇船首部位正下方，調節中間液壓缸15，使噴嘴模塊4下部接觸到船體底部，調節側液壓缸13，使噴嘴模塊4依靠自身扭簧回彈的驅動和傾斜桿的牽引從而緊貼船體。

3）打開空化清洗干端設備2，高壓水經高壓水管16至空化噴嘴模塊4轉變為空化水射流，開始清洗。與此同時減速電機5動作，最終帶動縱向滑架9從船頭底部向船尾底部緩慢移動，同時垂直調節缸15和側液壓缸13根據其端部的傳感器信號隨時調節其行程，同時扭簧驅動各鏈節向船體表面回彈，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 結論

該水下自動清洗系統具有如下4個突出優點：

1）使用該系統進行清洗工作，操作人員只需在上層甲板上通過顯控臺的實時圖像顯示進行控制操作即可完成任務，無需下水作業，從而大大降低了清洗作業的勞動強度和保障了人員安全。

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

3）空化噴嘴模塊可適應不同船體表面自動調節清洗噴嘴位置和方向，可達到最佳的清洗效果和最快的清洗效率。

4）無需艦艇進入干船塢，船只在碼頭間歇時即可進行清洗工作。