基于高壓磨料水射流船舶除銹機器人的設計研究*

王翔宇 ，余 江，2 ，周雨婷 ，楊 磊

（1.廣東海洋大學機械與動力工程學院，廣東 湛江 524088；2.廣東省海洋裝備及制造工程技術研究中心，廣東 湛江 524088）

0 引言

作為全球造船大國，我國的船舶工業發展迅速，給國家帶來了極大的經濟效益，是國家的支柱產業之一。其中，船舶除銹是船舶日常養護工作中的一個重要環節，因為船體長期處于水流、煙霧狀態下，且藤壺等海洋生物會附著在船體的表面，加快船體表面結構產生銹蝕。如果不能及時除銹，那么船體表面的鋼結構會變得更大，導致船體的腐蝕能力和附著力增大，從而引起船體結構銹穿，承載能力和強度降低，縮短船體的使用壽命。所以，定期對船只進行除銹清洗是必不可少的。

目前，我國的船體表面除銹的主要方式還停留在人工干氣噴砂除銹階段。該方法不僅需要消耗大量的時間，還存在人員跌落、環境污染等風險。近年來，隨著自動化技術和機器人技術的快速發展，船舶除銹機器人相關研究及應用越來越廣泛，除銹機器人采用真空、磁吸等技術吸附在船舶外壁進行除銹，與地面碼頭相關裝置聯動，完成船舶除銹工作。

現有船舶除銹機器人多采用高壓磨料水射流除銹方式，國內外學者針對磨料射流結構、功率及受力情況進行分析，提出非淹沒性射流的結構，給出射流功率影響參數，模擬磨料射流流場。船舶除銹機器人廢水回收功能主要通過真空回收裝置實現，國內相關研究緊跟國外真空回收方式發展成果，設計了真空負壓廢水回收裝置。

課題組結合現有研究成果，針對高壓磨料水射流船舶除銹機器人除銹系統中噴嘴結構及廢水回收系統進行研究。通過分析高壓磨料水射流除銹原理、影響參數，研究噴嘴性能指標，得出最適合船舶除銹的高壓磨料水射流噴嘴參數結構；分析現有真空廢水回收方式存在的問題，提出真空盤改善方案。

1 高壓磨料水射流除銹噴嘴及回收系統的研究分析

1.1 高壓磨料水射流除銹噴嘴分析

1.1.1 磨料射流功能分析

高壓水射流除銹原理是水射流對銹層表面進行打擊，同時借助高速切向水流產生水楔作用，使銹層裂紋增大。若再均勻地將磨料加入水射流中，可使該正向打擊和切向楔擊的作用更加明顯，加之水射流具有連續性及集束性的特性，實現了傳統除銹方式難以達到的船體表面粗糙度均勻和光澤一致的效果，在針對坑蝕層斑方面能達到噴砂除銹效果。一定數目的磨料與高壓水相混合形成的液固兩相射流稱為磨料射流，其中磨料主要為金剛砂、石英砂、碳化硅以及石榴子石等砂類。而噴嘴是形成高壓磨料射流工況的直接元件，對高壓磨料水射流的工作效果有著重要影響。同時，由于高速磨材與噴嘴之間存在不可避免的相互刮擦，刮擦引起的巨大磨損會對噴頭內部結構產生重大破壞，所以在設計噴頭時，一般選用人造寶石、陶瓷、碳化鎢等高耐磨材料。

據研究，磨料水射流除銹能力遠遠大于純水射流，其根本原因在于磨料的使用。射流對物體的作用方式發生了改變，從水射流的滯止動壓沖蝕變為磨粒的沖擊動壓沖蝕，將二者在同樣射流功率下進行對比，發現磨料的沖擊作用對銹蝕部位產生了更有效的作用效能[1]。

1.1.2 非淹沒性射流結構分析

Leu等探討提出了高壓下非淹沒性射流結構，如圖1所示[2]。從圖1中可以看到，射流結構可分為三個部分，即初始段、基本段和消散段。其中基本段也被稱為射流破裂段，指的是轉折面至消散段之間的部分。射流基本段較長，從圖1中可以看到，射流呈錐形擴散，擴散過程伴隨著與環境介質的動量與質量交換。射流擴散是由射流的表面逐步發展到軸心，這一段仍為有緊密內部結構的完整射流。射流基本段的應用十分廣泛，可用于拋光加工、清洗、除銹、除鱗及清砂等[3]。

圖1 高壓下非淹沒性水射流結構圖

1.1.3 影響射流功率的參數

高壓水射流做功情況主要受兩個工況參數影響，即壓力和流量。確定二者后，可通過關系式計算出射流功率[4]：

式中，N為射流功率，W；p為射流壓力，MPa；q為射流流量，L/min。

又有：

式中，d為噴嘴直徑，mm；因此：

根據公式可以得出，射流的功率與噴嘴直徑的平方以及射流壓力的二分之三次方成正比，因此噴嘴直徑變化對射流功率的影響相比于射流壓力會稍大一些。這些參數有助于提高射流在不同應用范圍內的功效，以及針對不同功效下噴嘴結構的設計工作。

1.1.4 其他高壓磨料水射流研究分析

針對磨料水射流中液相水體與固體磨料粒子在高速運動中的關系，眾多學者進行了數值模擬研究。向文英等[5]、王明波等[6-7]對前混式磨料射流進行了模擬研究，利用液固兩相雙流體模型，發現磨料粒子與液相水之間存在速度滑移，使磨料粒子在二者相間作用力下始終接近水的速度。此外，楊新樂等[8]通過對前混式射流于噴嘴外沖擊流場和應力場的變化進行模擬，得到射流在噴嘴出口處速度變化與接近壁面時速度變化差異較大，前者變化較小，后者速度梯度變換劇烈，動能轉化為壓能的程度達到最大值。在基于大渦模擬對淹沒磨料射流流場模擬分析下，張欣瑋等[9]發現磨料射流渦運動較純水射流減弱，等速核心增長約30%，說明磨料的混入能夠減少能量的耗散。

1.2 高壓磨料水射流除銹回收結構分析

1.2.1 國內外船舶除銹機器人回收系統現狀分析

HYDROCAT是美國福祿（FLOW）公司研制的一款高壓水自動清洗設備。其中回收廢水功能主要由真空回收裝置實現。該裝置可將除銹產生的廢水和廢料送走并回收，一方面通過負壓吸附將除銹機器附在豎直壁面上工作，另一方面形成真空環境，將除銹產物進行回收。真空泵的壓力為-0.08 MPa～0.06 MPa，流量為2 265 L/min。HYDROCAT主要用于大型鋼鐵立除銹清洗工作，但對具有弧線型船體除銹不能百分之百適用。

國內對于這部分的研究起步較晚，合肥通用機械研究所薛勝雄教授研制了一套船舶除銹設備。其真空吸附回收系統中包含羅茨真空泵、真空回收罐和管路等部分，真空罐體積為1 500 L。國內船舶除銹研究緊跟國外發展成果，設計了真空負壓廢水回收裝置[10]。

1.2.2 現有廢水回收方式分析

真空廢水回收裝置可提高機器人整體附壁能力。船舶除銹機器人需吸附在船舶外表面，船舶外表面傾斜程度較大，對機器人質量、附壁方式存在較高要求。真空廢水回收需機器人與工作面之間存在真空空間，使機器人與工作面之間的真空空間同外界產生壓強差，更好地讓機器人吸附在船舶表面。

真空廢水回收裝置受船舶表面平整度影響較大。由于船舶外表面為大型表面，其加工方式導致船體表面存在較多焊縫。而真空廢水回收系統依賴于真空回收盤與工作壁面之間的真空空間實現，工作真空空間密封由密封毛刷保證，因此該回收裝置受船舶表面平整度影響較大。當機器人于較不平整的船舶表面工作時，密封毛刷與壁面之間形成細小縫隙，造成真空泄露，會直接影響回收除銹的效率及除銹后表面的干燥度與潔凈度。

2 高壓磨料水射流除銹噴嘴及回收系統的結構設計

2.1 高壓磨料水射流噴嘴結構設計

2.1.1 高壓磨料水射流噴嘴結構最優參數

現有磨料水射流除銹清洗方式主要分為前混合式和后混合式兩種。經過學者們研究分析，在處理金屬表面除銹時，與后混合式磨料射流處理技術相比，前混合式磨料射流技術具有較大優勢。所以通常采用前混合式磨料射流技術對金屬表面進行除銹。

曹寒冰[11]通過FLUENT進行數值模擬，發現圓錐短直線型噴嘴及流線型噴嘴性能較好，更有利于前混合磨料水射流切割?？紤]到現實的工作要求，流線型噴嘴結構較復雜，不利于加工，且價格比較昂貴，所以選用圓錐短直線型噴嘴。其具有較高切割性能的射流有利于船舶除銹。船舶除銹利用射流產生較大的剪切力除去船體表面硬脆的銹層。結合上文討論，圓錐短直線型噴嘴使用更為廣泛，且具有較好的切割性能。其結構組成主要有入口段、收斂段及圓柱段三部分，如圖2所示。

圖2 圓錐短直線型噴嘴二維結構平面圖

相關實驗研究表明，圓錐短直線型噴嘴性能最佳參數如下：收縮角為13°，噴嘴最佳長徑比為7.5。當其噴嘴結構收縮角為13°時，有利于提高射流沖擊速度，此時射流聚集性最好，有效靶距最大[12]。李強[1]通過對前混合式圓錐短直線型噴嘴內外流場進行仿真分析，得出噴嘴直線段最佳長徑比l/d為7.5。

2.1.2 高壓磨料水射流噴嘴使用最優參數

基于“水+砂”型磨料射流技術的表面處理系統主要由高壓泵、磨料輸送系統、高壓管和噴槍組成，其主要原理是利用高壓水射流的沖擊作用、磨料的磨削作用和水橇作用破壞銹蝕和涂層對鋼板的附著力，以此實現船體分段的表面處理。通常情況下噴槍的噴嘴至鋼板的距離保持在5 cm～20 cm，噴嘴與鋼板的角度在15°～60°之間。由于該技術在高壓水中加入了磨料，因此高壓泵的壓力只需要達到50 MPa～60 MPa即可[13]。

經過閱讀相關文獻，課題組參考王倪梅[14]的研究成果，在噴嘴出口到最佳靶距位置的過程中，磨料粒子運動速度始終低于液相水體速度，一直處于加速狀態，從而得到最佳靶距范圍為噴嘴出口5～8倍直徑附近處。

2.2 對廢水回收裝置的優化改進

針對真空廢水回收對船舶表面平整情況要求較高的問題，課題組研究發現其主要原因為毛刷在與船舶焊縫接觸時出現形變，產生了細小縫隙，使內部真空環境遭到破壞。因此，課題組提出了一種真空負壓回收裝置的優化改進方式。對真空盤加裝漏斗型回收裝置，該裝置由毛刷條、附加板組成，其中附加板上開有真空管接口，如圖3所示。

圖3 漏斗型裝置

通過加裝該裝置為工作階段的內部真空環境提供保護，在外側毛刷與真空盤毛刷間創造保護性外側真空環境，使內側工作真空環境與外界環境不具有直接聯系，從而避免內部工作真空環境因船舶除銹機器人越障而造成真空泄露問題。同時，外側真空環境可起到預清理的作用，減小內側真空回收廢水裝置工作壓力；利用雙層毛刷對船舶表面殘余廢水及雜質進行集中清理，能夠進一步提高除銹后船舶表面的干燥度及潔凈度。

該設計在不破壞原有真空盤的基礎上，采用磁鐵吸附至真空盤的方式加裝外側毛刷，形成雙層毛刷結構；同時為保證內外毛刷間的真空狀態，另外增加一個附加板，并于附加板上設計另一真空管接口，通過安裝真空管等組件實現保護性外側真空環境。附加板為凹槽設計，方便卡入真空盤形成雙層真空模式，避免對船舶除銹機器人原有真空盤的影響，如圖4所示。

圖4 附加板與真空盤連接圖示

雙層毛刷的設計實現了雙層真空的工作環境，在船舶除銹機器人進行越障移動時，外側毛刷先受到障礙物擠壓，產生變形；此時，內側毛刷仍與船舶表面緊密接觸，保證內部的真空工作環境；在外側毛刷跨過障礙物后，外側真空環境立即恢復，此時內側毛刷開始受障礙物擠壓，但因毛刷外側存在保護性真空環境，機器人真空負壓回收廢水方式未受影響，其除銹工作正常進行。外側保護性真空環境與內部工作真空負壓相互配合，提高廢水回收率，保證除銹后船體表面的潔凈度。

3 結論

1）根據上文分析可以得出，較合適的磨料水射流噴嘴的結構為圓錐短直線型噴嘴，其收縮角為13°，且直線段段長徑比l/d為7.5。同時在使用噴嘴除銹時，將下噴槍的噴嘴至船舶表面的距離保持在5 cm～20 cm，噴嘴與船舶表面的角度在15°～60°之間，可保證磨料射流的除銹效果。

2）上文提出于真空盤加裝漏斗型輔助回收裝置，實現外側真空環境對內側真空工作環境的保護功能，為解決船舶除銹機器人真空廢水回收裝置存在的船體貼合度較低、廢水回收效果受船體表面平整度影響等問題提供了一定參考。

3）課題組對高壓磨料水射流機器人的噴嘴及廢水回收裝置進行設計研究，結合相關參數及問題，得出噴嘴最優參數；并設計廢水回收補充裝置，對目前高壓磨料水射流機器人進行了優化，為未來船舶除銹機器人的進一步發展提供了優化思路，具有一定的參考價值。