一種遙控式超高壓水除銹智能高架車的設計

蘇 宇,李 波

(舟山中遠海運重工有限公司，浙江 舟山 316131)

隨著國家對環保要求的不斷深入，對船舶市場打砂除銹的限制越來越嚴格，鐵礦砂的價格水漲船高，由于關停了很多鐵礦砂生產企業，直接促成了超高壓水除銹市場的火爆。超高壓水除銹原理為：運用液體增壓原理，通過高壓泵,將動力源(電動機)的機械能轉換成壓力能，具有巨大壓力能的水通過小孔噴嘴，將壓力能轉變成動能，從而形成高速射流，完成船舶外板除漆除銹[1]。噴射壓力在170 MPa以上的稱為超高壓水，我公司應用的超高壓水平均壓力為250 MPa，優于傳統打砂效果。選擇一種安全、可靠、經濟、實用的執行機構對于操作人員高效地完成作業，至關重要。

1 常用除銹作業方式及其存在的問題

1)高架車搭載執行機構。目前，常用的鋼制海船外板超高壓水除銹作業是超高壓水除銹頭支架通過U型管卡固定在高架車操縱斗內，施工人員在高架車斗內操縱高架車。對于有型線的(單曲面或雙曲面)外板，需要改變除銹頭支架的角度以適應外板型線。常用作業方式人員勞動強度大，且需要具有高架車操作證，同時，存在高處墜落和物體打擊的風險，增加了對人員的不安全因素。

2)爬壁機器人。爬壁機器人為永磁體吸附式，行走方式為車輪或履帶，驅動方式可采用電動式、氣動式、液壓式[2]。電動式需外接220 V交流電，驅動2臺交流伺服電機；氣動式需要提供0.4～0.8 MPa潔凈干燥的氣源，通常連接在廠區壓縮空氣分配器上，需要另配氣水分離器；液壓驅動需另配液壓泵站。無論采取何種驅動方式，均需外接動力源，占用了公共資源，并且上方需要連接防墜器。爬壁機器人在船體上吸附及拆除時需要多人配合，拆裝不當容易使人員或機器受到傷害。為減少機器人負重，超高壓水管、電纜、壓縮空氣管、污水回收管等需有效吊起，根據爬壁機器人的升降，需專人操作，增加了人工成本。船舶外板爬壁機器人造價昂貴，對于57 000 t的散貨船來說，外板徹底除銹至少需要8臺爬壁機器人，成本高。設備維修時，零部件均需國外進口，采購周期長，維修保養復雜。

2 遙控式智能高架車功能

圖1為遙控式智能高架車組裝示意圖，由原有的高架車改造而成，新增了執行機構、液壓控制元件、液控閥、PLC模塊、遙控器。拆除工作斗，換上超高壓水執行機構，可實現超高壓水除銹功能；裝上工作斗，可實現高架車原有的功能，達到一機兩用的效果。

該高架車遙控距離為150 m，作業高度為28 m，除銹頭隨著船體外板線型自適應，變換各種角度，且能自動貼合，達到船舶外板區域(含平直面、單曲面、雙曲面)全覆蓋，除銹頭旋轉體帶自旋轉功能，無需外接動力源。超高壓水除銹后的(含鐵銹粉末和油漆粉末)污水有效回收，經過污水處理裝置，能達到二級排放標準，做到綠色修船，零污染。此裝置操作性、穩定性強，簡單易學，降低了施工人員的勞動強度，遠離了危險源，避免了高處墜落及物體打擊風險，安全可靠。

1-液壓后驅式四輪行走機構；2-車架；3-擺線驅動單元驅動的齒輪副轉盤機構；4-底盤；5-保險油缸；6-變幅油缸；7-伸縮臂限位塊；8-母臂；9-中臂；10-小臂；11-調平油缸；12-旋轉油缸；13-貼緊油缸；14-除銹頭支架；15-除銹頭；16-保險鏈條圖1 遙控式智能高架車組裝示意圖

3 遙控式智能高架車設計

針對上述2種超高壓水作業方式的不足，結合廠內現有設備(高架車)，根據機械設計及液壓傳動相關原理對其進行系統設計。圖2為遙控式智能高架車系統原理示意圖。

圖2中實線表示液壓管主油路，虛線表示控制油路，雙點劃線表示設備模塊。

由圖2(a)可知，該設計以柴油機作為原動機，為整車提供動力。整車液壓系統為開式液壓系統，包括底盤液壓機構、臂架機構、執行機構、PLC模塊控制單元、遙控器。底盤液壓機構為整車的“心臟”和“神經中樞”，布置有柴油發動機、車架、電瓶、柴油箱、液壓油箱、液壓泵單元、液壓后驅式四輪行走機構、齒輪副轉盤機構、變幅油缸、控制閥單元、濾器、PLC模塊控制單元、配重塊。

由圖2(b)可知，液壓后驅式四輪行走機構可實現前進、后退，由圖2(d)可知，轉向油缸實現轉彎功能，并通過比例閥控制的變量驅動裝置，實現無級變速，行進速度1～5 km/h。液壓執行單元驅動的齒輪副轉盤機構，實現整車360°旋轉。伸縮臂母臂根部通過圓柱銷軸與底盤本體雙耳板相連，再通過安裝在母臂上的變幅油缸，繞銷軸旋轉實現變幅功能，變幅角度為-12°～71°。母臂與擺線驅動單元驅動的齒輪副轉盤機構的內圈轉子固定，實現360°旋轉。底盤后部設有配重塊，保持整車平衡。

臂架機構為3節伸縮臂，分為母臂、中臂、小臂，臂長范圍10.63～23.93 m。母臂與中臂內置固定滑塊，與相鄰伸縮臂的徑向間隙為1～2 mm，使伸縮臂在腔體內滑動自如，上一節伸縮臂為下一節伸縮臂的收縮腔。由圖2(c)可知，中臂與小臂內置伸縮油缸、伸縮鋼絲繩組、收縮鋼絲繩組，通過油缸的伸縮，兩組鋼絲繩組聯動，使中臂、小臂同步伸縮。臂架上端設有導鏈，液壓管及電纜布置在導鏈內。

圖2 遙控式智能高架車系統原理示意圖

執行機構為超高壓水除銹核心機構，含旋轉油缸、貼緊油缸、除銹頭支架、除銹頭本體、保險鏈條。執行機構可整體拆除，換上原裝高架車工作斗，實現其原始功能。旋轉油缸可實現執行機構360°旋轉，并于任意角度位置懸停。電磁卸荷溢流閥控制的貼緊油缸時刻與外板保持一定的貼合力，實現除銹頭與船體外板線型的貼緊動作。除銹頭支架可在4個自由度上微調，完成上下俯仰、左右微調。通過上述機構實現全方位動作，滿足船體外板平面、單曲面、雙曲面等復雜型線的使用需求。除銹頭與除銹頭支架通過對稱的2根銷軸、滑動軸承相連。小臂與除銹頭支架之間用2根鏈條連接，確保其安全性。圖3為除銹頭結構示意圖，除銹頭結構含噴射機構、污水回收機構、保距機構。噴射機構含旋轉體、旋轉體座、旋轉體夾、轉接軸、軸承、鎖緊環、四通體、噴嘴安裝塊(3只)；每只噴嘴安裝塊上布置4個噴嘴，共布置12只噴嘴，每只噴嘴分布在不同的直徑軌道上，互不干涉重疊，每個噴嘴安裝塊上有1只噴嘴斜置，超高壓水噴射時，驅動旋轉體自運轉。設計流量40 L/min，工作壓力250 MPa，自旋轉速度為1 200 r/min。污水回收機構含一端封閉的圓柱型主殼體組成的污水回收腔，排污口和吸氣口，真空度0.06 MPa的真空裝置連接排污口，抽吸空氣，產生動力，帶動超高壓水除銹后含油漆皮和鐵削粉末的污水及時回收，與超高壓水噴射過程中所產生的熱力場共同作用，有效解決了外板除銹后的返銹現象。保距機構的毛刷通過螺栓固定在毛刷保持圈上，導桿穿過彈簧沿導向板與腔體保持相對運動，通過保距機構的自動彈性伸縮，保證了除銹頭噴嘴與外板的相對距離，達到了最好的打擊效果，同時保證了真空腔體的密封性，做到滴水不漏。通過獨立研發的集成真空抽吸裝置連接除銹頭，實現除銹后的污水完全回收。

圖3 除銹頭結構示意圖

各電磁閥采用PLC模塊控制，實現其邏輯功能。傳統繼電器用接線的方法實現一定的邏輯功能，接線復雜、機械觸點多，可靠性低，更改困難、不便[3]。PLC可靠性高，占地小，使用維護方便，通用性好，性價比高，可實現開關量邏輯控制、模擬量控制、監控功能。遙控器能實現150 m范圍內遙控操作。通過遙控可實現主機啟動，整車前進、后退、轉彎，變幅，伸縮，調平，除銹頭貼緊，頻率顯示，電池電量顯示，鳴笛，應急停止功能，并可切換到機旁，手動操作。

4 可行性分析和應用情況

1)技術可行性分析。本裝置根據超高壓水除銹過程中的實際需求對原有高架車進行優化設計，設計依托機械設計、液壓傳動、PLC可編程控制，通過PLC控制的電磁閥實現整車各種動作。通過遙控操作，使除銹頭緊貼船體外板，并能自動貼合，隨著船體外板線型的變化自適應，達到最好的超高壓水打擊除銹效果，實現其遙控性、智能化。

2)操作可行性分析。此裝備操作性、穩定性強，簡單易學，通過遙控器操作，應急情況下可機旁操作。降低施工人員的勞動強度，遠離危險源，避免了高處墜落風險及物體打擊風險，安全可靠。

3)經濟可行性分析。該遙控式智能高架車采用原有高架車改造而來，1臺爬壁機器人的價格可完成4臺高架車的改造，大大降低了成本。新加的執行機構的鋼結構、銷軸及布司等為自加工、自制作。新加的旋轉油缸、貼緊油缸、電磁閥為標準件，可直接采購。維護保養方便，性價比高。

該裝備已經正式投入生產，通過現場實際操作及施工人員反饋，該裝備前期準備工作簡單，只需把高架車吊運到塢底，連接高壓水管、污水回收管即可。通過整車前進、后退及伸縮臂的伸縮，超高壓水除銹區域圍繞母臂銷軸旋轉產生的弧面穩步推進。整車運行平穩，機身無喘振、抖動現象；遙控器性能可靠，遙控距離長；除銹頭與外板貼合緊密，滴水不漏；除銹速率高，通過實測，對于SA2的除銹要求，除銹速率達到40 m2/h；節省人工，降低勞動強度，受到廣大施工人員的歡迎。

5 結束語

本文設計研發了一種遙控式超高壓水除銹智能高架車，對其設計過程及結構組成進行了詳細的敘述，該裝備在技術、操作、經濟可行性方面均優于傳統的施工方式，在實踐應用中運行平穩，除銹速率高，操作簡單，安全可靠，使施工人員遠離危險作業區域，降低了勞動強度，值得在行業內推廣。