基于高压水射流的船体清洗机器人关键技术分析

陈成刚

摘要：在船舶长期航行或抛锚过程中，如果没有对其进行及时的保养和维护，那么就会产生大量的海洋垃圾附着在水面以下船体的船壁上，导致船舶壁面十分粗糙，航行时的阻力大大增加，航速也会明显下降，从而会增加大量的油耗。一搜附着大量海生物的船舶会比日常油耗要高出2-3倍。以往清理船体的方式通常需要占用船坞，投入成本较高，而且工作强度也非常大，工作人员的作业环境也十分恶劣，而机器人技术的出现，取代了以往潜水员在水下的工作任务，在船壁的表面能够更加灵活的移动，在一定程度上降低了船舶清洁工作的作业成本，有效提高了工作效率。本文主要介绍了水下清洗机器人的类型，并提出高压水射流清洗技术与其相结合的应用措施。

关键词：高压水射流;船体清洗机器人;真空吸附;磁力吸附;附着物

我国海运业是国家经济发展中的关键产业，我国外贸货物运输量占据世界海运贸易总量的25%。像矿石、外贸集装箱等物资都是通过海运来完成的，而运输船体的体积非常大，运输距离较远，船舶长时间浸泡在含盐度极高的海水中，船体很容易出现锈蚀，大量的海洋生物会附着在船壁上，对航行时的速度产生了严重影响，油耗急剧增加，运输成本因此大大提高，船舶整体的使用寿命也会受到影响。而爬壁清洗机器人的出现在一定程度上减轻了船壁清洗工作人员的负担，并且体现出了节能环保的生态理念，所以在日常机器人管理时可将高压水射流清洗技术应用其中，以此來确保爬壁机器人能够高效清理船壁垃圾，确保船舶能够长期保持健康的航行状态。

一、船体清洗机器人的主要类型

（一）真空吸附清洗机器人

真空吸附原理一般都是应用真空泵来完成工作，在吸盘腔内产生足够的负压或者利用排水浆来分开水流，进而能够形成内外压差。应用此技术的清洗机器人能够强力吸附到船壁上，因此对于船舶的材料没有特殊要求，能够广泛应用于各种船体清洁工作中[1]。这种机器人能够有效驱动涡轮叶片，形成一定的真空度，确保机器人能够吸附在船体表面的同时，能够有效去除覆盖在船体表面的藻类，对于一些附着比较严重的污垢还可以通过橡胶刷来进行清晰，进而实现全面清洁的效果，通常情况下真空吸附清洗机器人的清洁速度能够达到1.5m2/min，但是缺点就是会对船体的涂层造成一定的损坏，而且船体长期浸泡在海水中，船体表面会产生一定程度的形变，另外船体一般在建造过程中通常都是分段焊接而成，长期航行会出现突起的焊缝，由于表面的突起，会使真空吸附清洗机器人的吸盘容易发生泄漏，导致吸附力不足，对于一些附着严重的污垢无法有效清除。

（二）磁力吸附清洗机器人

应用磁力吸附技术的船体清洗机器人最为可靠，具体可以分为永磁吸附和电磁吸附两种类型。永磁吸附指的是依靠磁性材料本身的吸附特点，磁性能力越强，吸附就会更加牢靠，特别是对于一些在航行过程中工作的水下机器人十分适用，因为水面下的情况十分复杂，船舶航行过程中产生的水体流动能够对机器人产生一定的冲击，所以在这时候，永磁吸附是清洗机器人首选的方式。但是由于磁性吸附清洗机器人整体构造十分紧凑，磁吸附能力存在上限，所以磁体产生的磁力会对导航定位系统产生一定的影响，很难对结构部位进行深度清理。而正是由于这样的缺陷，电磁吸附技术由此诞生，应用电磁吸附技术能够使清洗机器人灵活地与船体进行分离，同时通过改变电流大小还能够控制磁力强弱，进而在水下作业中实现灵活地转向。但是电磁系统可能会在水下发生失灵，机器人会分离坠下。所以电磁吸附机器人需要船体壁面拥有良好的导磁性[2]。

二、高压水射流机器人清洗技术

（一）空化水射流清洗技术

空化水射流清洗技术指的就是在水射流技术中融入空化作用，是一种新型的水下设备清洗技术，也就是利用人为的方法，使水射流中形成高密度的空化泡，利用空化泡来产生极大的冲击力来清洗附着在船体上的坚硬污垢和海生物。该技术不仅具备环保、节能等优点，能够在不伤害原有防腐层的基础上，全面清洗螺旋桨等复杂区域。我国曾在2016年成功研发出了水下钢结构海生物清理机器人。该机器人应用了四驱轮式的驱动方式，在四个轮上都有安装磁性吸附材料，能够在不平整的表面运作时形成相对稳定的吸附力和一定的障碍跨越能力，同时还装载了空化水射流清洗设备，能够对船体钢结构表面的污垢进行高效清理，同时该清洗机器人还装载了两个水下摄像头，操作人员能够根据反馈图像来遥控机器人进行运动。

（二）船坞高压水射清洗技术

船坞高压水射清洗技术指的是在船舶进入船坞之后，由清洗工作人员手持高压清洗装备，利用高压泵来清洗船舶附着物。在船舶航行过程中，由于航行周期不同，船体附着物的状况也有所不同，所以根据附着物的情况来应用高压水射清洗技术能够形成最佳的清洗效果[3]。比如在普通清洗过程中，清洗装备的压力要调节到70MPa。在除锈过程中，工作压力要调节到220MPa。然而对于航行周期较长的船体而言，长期的浸泡会在船体生成大量藤壶类生物，藤壶会每隔一段时间蜕皮一次，在蜕皮过程中会分泌出一种黏性极强的初生胶，其中包含着大量的生化成分，黏合力非常强，因此如果高压水射清洗力度不足，就很难将其清理，而压力过大又很容易在清理藤壶生物的同时破坏船体的油漆面，因此对于此类生物的清洗效果很不明显。

除此之外，高压水射清洗技术在清洗过后不会造成污染，不会对设备进行二次损伤，由于清洗技术能量过大，能够依靠强大的水流来清洗附着物，所以不需要添加任何清洁剂，就能够彻底清除污垢，所以清洗成本较低，总体成本大约只有化学清洗方式的三分之一。从本质来看，高压水射清洗技术属于一种低成本的环保技术，与消防用水方式不同，该技术的用水方式属于细流喷射。但是高压水射技术无法在清洗之后保证船体干燥，所以残留的水分很容易造成二次生锈，对后期工艺产生了一定的影响，因此应用范围存在局限性。

（三）水下高压水射清洗技术

船舶在进坞之后的清洗成本较高，同时还会消耗大量的时间，在不经意间就增加了船舶停航时的运营成本，而且我国目前船坞的容量无法满足清洗市场的实际需求，所以探索灵活的水下清洗技术十分重要[4]。而水下高压水射清洗方式能够在船舶航行过程中进行清洗，规避了船坞紧张的不利情况，这样清洗工作的间隔能够通过人为来进行控制，附着物存留于船舶表面的时间较短，对船体的产生的影响就会较小。对此，将水下爬壁机器人与高压水射流清洗技术相结合，能够让机器人带着高压水射流枪头在水下灵活活动，进而实现全面清洗附着物的目标。这样就能够避免潜水员在水下清洗作业的危险性，也能不受任何环境因素的限制，即使在航行过程中也能够进行及时清洗。

结束语：

综上所述，在船舶航行过程中船壁通常会附着很多难以清楚的海洋生物和污垢，而传统的清洗工作会投入大量的成本和劳动力，而且清洗效果也很不理想，而高压水射流清洗技术和水下清洗机器人技术的出现，为船舶的清理和维护工作提供了更加便捷的条件，对此相关技术部门应该充分将这两种技术结合在一起，结合船舶航行周期以及船舶附着物的情况进行分析，选择合适的清洗技术，以此来延长船舶的使用寿命，促进我国海运贸易产业的发展。

参考文献：

[1]汪珲.水下智能清洗机器人“服役”[J].民生周刊，2020（18）：80.

[2]邢瑶，谢颖，蒋绍博.水下清洗机器人总体方案及实现[J].昆明冶金高等专科学校学报，2019，35（05）：50-58.

[3]朱旭锋，林关成，廖俊杰，史天.基于3D打印的船舶清洗机器人造型设计与实践[J].信息与电脑（理论版），2019，31（19）：120-122.

[4]陈光明，黄旋.基于高压水射流的船体清洗机器人关键技术分析[J].流体机械，2019，47（09）：56-62.

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