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履帶式船舶除銹爬壁機器人設計及分析

來源: www.dcfrg.com.cn 作者:lgg 發布時間:2017-08-07 論文字數:38475字
論文編號: sb2017080221073916819 論文語言:中文 論文類型:碩士畢業論文
本文是機械論文,本研究課題針對在以往船舶除銹過程中,人工噴砂除銹所帶來的除銹成本過高、環境污染十分嚴重、危害工人健康、除銹效率較低以及人工高壓水除銹不安全易返銹等重要問題
第 1 章 緒論
 
1.1 課題來源及研究目的
船舶工業即修船業和造船業,是為水上交通運輸、海洋河流開發及國防工業建設提供技術裝備的重要戰略性產業,在先進裝備制造業中占有舉足輕重的地位。同時船舶工業在國民經濟發展中地位也非常顯著,被稱為“工業之冠”。自上個世紀 50 年代以來中國的船舶行業得到了高速發展,尤其是 2000 年之后,中國的船舶工業和貿易合作都取得了令世人矚目的成就。截止到 2015 年年底,我國造船完工量達到 4564 萬載重噸,并且在造船完工量、新承接船舶訂單量、手持船舶訂單量方面,三大指標分別占世界市場份額的 42.7%、51.5%、48.1%,繼續全部居世界首位[1]。而船舶除銹一直都是修船行業和造船行業面臨的最普遍最重要的問題,對于在全世界航線上不停運送貨物的船舶來說,船舶除銹對于大型船舶的保養維護更是家常便飯,據資料統計一艘遠洋貨輪經過一次航行就需要對其表面進行簡單修理維護,2 年左右就需要對船舶進行整體翻新涂裝。無論是造船業還是修船業船舶除銹都是是船舶噴漆的第一步驟,船舶除銹過后才可以進行噴漆處理,才能保護船舶壁面不被腐蝕,從而延長船舶使用壽命。查閱資料過后了解到影響船舶壁面除銹的幾個因素,其中船舶壁面除銹質量影響超過了 50%;由此可以看出,船舶除銹質量直接影響船舶噴漆效果,影響船舶的使用壽命。所以,船舶除銹對于船舶行業來說占有重要地位[2-7]。
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1.2 船舶除銹技術發展現狀
 
1.2.1 人工噴砂除銹存在的問題
目前,人工噴砂除銹方式作為世界上絕大部分修船企業普遍采用的方法,是通過勞動人員手持噴槍進行工作,利用壓縮空氣將銅礦渣打出,銅礦渣會高速沖擊船舶壁面,從而快速除去船舶壁面的銹層[14],如圖 1-4 所示:經過多年的發展人工噴砂除銹的優點主要是高效率并且除銹較為徹底,不會有銹渣的殘留。但是人工噴砂除銹也存在著諸多問題:(1)除銹成本過高。銅礦渣作為人工噴砂除銹的關鍵消耗品,主要選用具有較大銳角并且直徑在 3mm 左右的,這種銅礦渣成本很高,每頓價格超過400 元。除銹清洗一條遠洋貨輪通常需要耗費上千噸,甚至達幾千噸的銅礦渣。(2)環境污染嚴重。人工噴砂除銹會造成十分嚴重污染。人工噴砂工作環境中可以導致船塢內的顆粒物含量超過 760mg/m3,造成惡劣的空氣污染;另一方面,噴射出銅礦渣去除銹跡后會留在塢底,進而排放到海洋中,其會對當地水體產生嚴重污染。(3)嚴重損害勞動人員的身體健康。噴搶噴射出的銅礦渣擊打在船舶壁面會產生較大的反沖力,容易產生安全隱患;一方面,銅礦渣和銹渣會造成十分嚴重的污染,操作工人常年暴露在粉塵含量達 760mg/m3 的工作環境中,容易患嚴重的肺部疾病。(4)除銹工序復雜。勞動人員進行噴砂除銹作業過后,船舶壁面會留有一定的銹砂灰,必須清除掉,增加了輔助工序,降低了船舶除銹的效率,帶來了空氣污染[15-18]。
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第 2 章 船舶除銹爬壁機器人總體方案規劃及其機械結構設計
 
船舶除銹爬壁機器人需要船舶壁面上進行爬壁除銹工作,與普通爬壁機器人相同的方面是,都必須能夠安全可靠的吸附在壁面上,但是由于船舶除銹爬壁機器人在工作過程中要攜帶超高壓水射流清洗模塊、高壓水管、真空回收管道以及電纜,因此需要爬壁機器人有較強的負載能力,其次爬壁機器人在工作時需要對整個船體進行清洗,這就需要機器人在大負載的條件下能夠在船舶壁面靈活移動,此外船舶除銹的工作環境十分惡劣,需要機器人有較強耐用性。針對上述問題,本章對爬壁機器人技術難點進行分析,對機器人的吸附、爬行及驅動方式進行分析選擇,并設計機器人的基本機械結構,保證機器人能夠達到要求,良好的適應船舶壁面。
 
2.1 船舶除銹爬壁機器人設計目標與難點
爬壁機器人的主要作用就是攜帶超高壓水射流清洗模塊,安全可靠的吸附在船舶壁面表面進行爬壁除銹工作。同時由于該技術是爬壁、除銹、回收于一體的,船舶除銹爬壁機器人在工作時還需要攜帶真空回收管道、高壓水射流管道等,爬壁機器人工作時是沿著船舶壁面進行上下往復爬行工作的。隨著機器人爬行高度的增加,需要拖拽的管道也會相應變長,管道的重力就會加大。由于爬壁機器人的負載是變化的,而且負載比較大,當機器人爬行高度在 25 米以上的時候,所攜帶的負載質量將達到最大超過 60kg,機器人在工作時攜帶過重的負載以及在船舶壁面還需要靈活轉向,以上因素都給爬壁機器人的設計研制帶來了巨大的挑戰,目前國內所研制的爬壁機器人在負載能力和除銹能力方面還有所欠缺。
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2.2 船舶除銹爬壁機器人總體方案設計
根據制定的設計目標以及對爬壁機器人存在的技術難點分析,對爬壁機器人的吸附、爬行以及驅動方式進行分析選擇,最終制定爬壁機器人的總體設計方案。
爬壁機器人作為一種具有特殊功能的機器人,可以在豎直壁面或者負角度壁面代替人工進行爬壁作業,爬壁機器人具有兩個最重要的功能:在壁面上吸附可靠和靈活移動。抽真空吸附、磁鐵吸附以及氣體推力吸附是爬壁機器人常用的吸附方式。抽真空吸附這種吸附方式是靠真空裝置將機器人真空腔內的空氣吸出,造成吸盤內外的氣壓差,通過利用大氣壓力將機器人吸附在壁面上。分為兩種機器人,即單吸盤爬壁機器人和多吸盤爬壁機器人,其特點具有廣泛的適用性,不需要受壁面材料的限制,但是對壁面的結構有較高的要求,當機器人的吸盤吸附在非結構化表面上時,由于壁面凹凸不平導致吸盤漏氣,吸附力下降影響機器人負載能力。此外,該類爬壁機器人還需要真空設備輔助其工作。磁吸附爬壁機器人也分為兩種:永磁吸附機器人與電磁吸附機器人,該類對工作環境有一定的要求,壁面必須為導磁材料,磁吸附爬壁機器人機構也相對簡單可靠性高,并且不會因為壁面的不平整而降低吸附力,其吸附力也遠大于真空負壓吸附,在工程實際生產中對于導磁材料的壁面一般優先選擇磁吸附爬壁機器人。而永磁吸附與電磁吸附特點明顯,電磁吸附便于控制,永磁吸附負載能力強,但是在工作過程中一旦發生斷電情況,電磁吸附的爬壁機器人會從壁面掉落造成危險,而永磁吸附的爬壁機器人不會受到影響。氣體推力吸附爬壁機器人,主要是利用氣體產生的反推力,將爬壁機器人吸附在壁面,這種爬壁機器人結構簡單,工作靈活,但是受外界環境影響較大,工作精度低、吸附穩定性差[39]。
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第 3 章 履帶式船舶除銹爬壁機器人力學性能分析.... 27
3.1 工作路徑規劃及空間位姿模型....... 27
3.2 爬壁機器人靜力學性能分析........... 30
3.3 爬壁機器人動力學性能分析........... 35
3.4 本章小結............. 41
第 4 章 履帶式船舶除銹爬壁機器人機械結構仿真分析及優化.... 42
4.1 船舶除銹爬壁機器人沖洗裝置振動特性分析.... 42
4.2 永磁體磁場仿真分析.... 45
4.3 超高壓水噴嘴優化仿真分析........... 53
4.4 本章小結............. 60
第 5 章超高壓純水射流爬壁除銹實驗研究........ 62
5.1 物理樣機組裝及實驗方案制定........ 62
5.2 船舶除銹爬壁機器人爬壁性能測試......... 69
5.3 船舶除銹爬壁機器人實際工況下性能測試........ 73
5.4 本章小結............. 78
 
第 5 章超高壓純水射流爬壁除銹實驗研究
 
通過第二、三、四章對爬壁機器人的設計與分析。本章首先對爬壁機器人的永磁吸附單元的永磁體磁吸附力和保護罩的摩擦系數進行實驗檢驗,經過實驗檢測選取適合的永磁體及保護罩材料,然后對履帶式船舶除銹機器人樣機進行組裝,并在實驗室對爬壁機器人的各項主要性能進行測試,依據測試結果對爬壁機器人的結構進行優化改進,待爬壁機器人各項性能達到要求后,再到船廠進行實際工況下的船舶除銹工作。
 
5.1 物理樣機組裝及實驗方案制定
為驗證第四章中利用 Maxwell 軟件仿真分析得到的永磁吸附單元的磁吸附力大小,是否與實際結果相一致,同時進一步保證所設計的爬壁機器人能夠安全平穩可靠的工作,本節對永磁吸附單元及永磁萬向輪的磁吸附力大小進行了實驗驗證。磁力實驗測試設備為 Instron-E10000 萬能材料拉伸試驗機,如圖 5-1 所示。由于該機器為拉伸材料專用機器,因此需要對機器進行改進,萬能材料拉伸試驗機的上方夾頭用于夾持永磁吸附單元和永磁萬向輪,在拉伸試驗機下面安裝厚度為 15mm 的 Q235 鐵板。搭建完實驗平臺后,使上夾頭勻速上升,可測出位移與磁吸附力的曲線圖,位移為永磁體與鋼板之間的間隙。實驗結果與仿真結果對比可得:兩結果相近,利用 Ansoft Maxwell 仿真得到的結論真實可信。其中通過實驗測試得到的永磁吸附單元與 Q235 鋼材表面緊密接觸時吸附力大小為 502.6N,并且當永磁吸附單元與 Q235 鋼材之間的間隙超過 4mm 時磁吸附力已經衰減為 225.6N。與仿真結果相近,變化趨勢相同。永磁萬向輪仿真得到的結果與實驗結果相近,磁力的衰減曲線也相同。實驗結果表明,上一章仿真得到的結論可以為爬壁機器人的永磁吸附單元及永磁萬向輪設計提供依據,可以進行下一步實驗樣機的組裝。
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結 論
 
目前船舶除銹方法是通過人工手持噴槍進行噴砂除銹,該方法存在著價格高昂、污染環境、危害健康等諸多問題,為改變現有的除銹方式,本文提出了采用履帶式船舶除銹爬壁機器人攜帶超高壓水射流清洗模塊進行船舶除銹,運用機械傳動控制理論、工程結構設計理論,電磁學理論,超高壓水流場理論和方法對爬壁機器人進行了設計與研究,得到如下結論:
1. 針對船舶除銹惡劣的工作情況,提出利用爬壁機器人代替人工作業,根據船舶除銹的實際工況分析了爬壁機器人的設計難點,制定了爬壁機器人的設計目標,對機器人的吸附方式、爬行方式以及驅動傳動方式進行分析和選型,確定機器人的總體方案,其次依據爬壁機器人的總體方案對機器人的機械結構進行了設計,并對驅動和傳動部件進行了計算和選型。
2. 為提高爬壁機器人在進行船舶除銹過程中的 4 個關鍵性能,即附壁能力、爬行能力、轉向能力和負載能力,對機器人的除銹軌跡和工作路徑的規劃確定機器人在工作過程中的空間位姿模型,并依據該模型對機器人的靜力學性能和動力學性能進行了分析,確定機器人永磁吸附單元的最小磁力,以及機器人的最小確定轉矩。
3. 利用有限元分析軟件對爬壁機器人的關鍵結構進行分析優化,采用Ansys workbench 軟件對機器人的沖洗裝置進行了模態分析,結果表明所設計的沖洗裝置的共振頻率能夠避開氣動馬達的激勵;利用 Maxwell 軟件對機器人的永磁吸附單元的磁吸附力和永磁萬向輪的充磁方式進行仿真,確立了吸附單元的保護罩厚度為 1.5mm,永磁輪的充磁方式為輻射充磁;利用 FLUENT 軟件對超高壓水射流噴嘴的結構進行優化,確定噴嘴的收縮角度為 30°,安裝的靶面距離為 30mm。
4. 對所設計的爬壁機器人進行樣機組裝,分別在實驗室和船廠對爬壁機器人進行了附壁能力、爬行能力、轉向能力、除銹效果以及耐用能力測試,實驗效果表明本文所設計的履帶式船舶除銹爬壁機器人能夠達到船舶除銹的苛刻要求,并且除銹效果良好。
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參考文獻(略)

原文地址:http://www.dcfrg.com.cn/jxlw/16819.html,如有轉載請標明出處,謝謝。

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