第 1 章 绪论
1.1 课题来源及研究目的
船舶工业即修船业和造船业，是为水上交通运输、海洋河流开发及国防工业建设提供技术装备的重要战略性产业，在先进装备制造业中占有举足轻重的地位。同时船舶工业在国民经济发展中地位也非常显著，被称为“工业之冠”。自上个世纪 50 年代以来中国的船舶行业得到了高速发展，尤其是 2000 年之后，中国的船舶工业和贸易合作都取得了令世人瞩目的成就。截止到 2015 年年底，我国造船完工量达到 4564 万载重吨，并且在造船完工量、新承接船舶订单量、手持船舶订单量方面，三大指标分别占世界市场份额的 42.7%、51.5%、48.1%，继续全部居世界首位[1]。而船舶除锈一直都是修船行业和造船行业面临的最普遍最重要的问题，对于在全世界航线上不停运送货物的船舶来说，船舶除锈对于大型船舶的保养维护更是家常便饭，据资料统计一艘远洋货轮经过一次航行就需要对其表面进行简单修理维护，2 年左右就需要对船舶进行整体翻新涂装。无论是造船业还是修船业船舶除锈都是是船舶喷漆的第一步骤，船舶除锈过后才可以进行喷漆处理，才能保护船舶壁面不被腐蚀，从而延长船舶使用寿命。查阅资料过后了解到影响船舶壁面除锈的几个因素，其中船舶壁面除锈质量影响超过了 50%；由此可以看出，船舶除锈质量直接影响船舶喷漆效果，影响船舶的使用寿命。所以，船舶除锈对于船舶行业来说占有重要地位[2-7]。
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1.2 船舶除锈技术发展现状
1.2.1 人工喷砂除锈存在的问题
目前，人工喷砂除锈方式作为世界上绝大部分修船企业普遍采用的方法，是通过劳动人员手持喷枪进行工作，利用压缩空气将铜矿渣打出，铜矿渣会高速冲击船舶壁面，从而快速除去船舶壁面的锈层[14]，如图 1-4 所示：经过多年的发展人工喷砂除锈的优点主要是高效率并且除锈较为彻底，不会有锈渣的残留。但是人工喷砂除锈也存在着诸多问题：（1）除锈成本过高。铜矿渣作为人工喷砂除锈的关键消耗品，主要选用具有较大锐角并且直径在 3mm 左右的，这种铜矿渣成本很高，每顿价格超过400 元。除锈清洗一条远洋货轮通常需要耗费上千吨，甚至达几千吨的铜矿渣。（2）环境污染严重。人工喷砂除锈会造成十分严重污染。人工喷砂工作环境中可以导致船坞内的颗粒物含量超过 760mg/m3，造成恶劣的空气污染；另一方面，喷射出铜矿渣去除锈迹后会留在坞底，进而排放到海洋中，其会对当地水体产生严重污染。（3）严重损害劳动人员的身体健康。喷抢喷射出的铜矿渣击打在船舶壁面会产生较大的反冲力，容易产生安全隐患；一方面，铜矿渣和锈渣会造成十分严重的污染，操作工人常年暴露在粉尘含量达 760mg/m3 的工作环境中，容易患严重的肺部疾病。（4）除锈工序复杂。劳动人员进行喷砂除锈作业过后，船舶壁面会留有一定的锈砂灰，必须清除掉，增加了辅助工序，降低了船舶除锈的效率，带来了空气污染[15-18]。
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第 2 章 船舶除锈爬壁机器人总体方案规划及其机械结构设计
船舶除锈爬壁机器人需要船舶壁面上进行爬壁除锈工作，与普通爬壁机器人相同的方面是，都必须能够安全可靠的吸附在壁面上，但是由于船舶除锈爬壁机器人在工作过程中要携带超高压水射流清洗模块、高压水管、真空回收管道以及电缆，因此需要爬壁机器人有较强的负载能力，其次爬壁机器人在工作时需要对整个船体进行清洗，这就需要机器人在大负载的条件下能够在船舶壁面灵活移动，此外船舶除锈的工作环境十分恶劣，需要机器人有较强耐用性。针对上述问题，本章对爬壁机器人技术难点进行分析，对机器人的吸附、爬行及驱动方式进行分析选择，并设计机器人的基本机械结构，保证机器人能够达到要求，良好的适应船舶壁面。
2.1 船舶除锈爬壁机器人设计目标与难点
爬壁机器人的主要作用就是携带超高压水射流清洗模块，安全可靠的吸附在船舶壁面表面进行爬壁除锈工作。同时由于该技术是爬壁、除锈、回收于一体的，船舶除锈爬壁机器人在工作时还需要携带真空回收管道、高压水射流管道等，爬壁机器人工作时是沿着船舶壁面进行上下往复爬行工作的。随着机器人爬行高度的增加，需要拖拽的管道也会相应变长，管道的重力就会加大。由于爬壁机器人的负载是变化的，而且负载比较大，当机器人爬行高度在 25 米以上的时候，所携带的负载质量将达到最大超过 60kg，机器人在工作时携带过重的负载以及在船舶壁面还需要灵活转向，以上因素都给爬壁机器人的设计研制带来了巨大的挑战，目前国内所研制的爬壁机器人在负载能力和除锈能力方面还有所欠缺。
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2.2 船舶除锈爬壁机器人总体方案设计
根据制定的设计目标以及对爬壁机器人存在的技术难点分析，对爬壁机器人的吸附、爬行以及驱动方式进行分析选择，最终制定爬壁机器人的总体设计方案。
爬壁机器人作为一种具有特殊功能的机器人，可以在竖直壁面或者负角度壁面代替人工进行爬壁作业，爬壁机器人具有两个最重要的功能：在壁面上吸附可靠和灵活移动。抽真空吸附、磁铁吸附以及气体推力吸附是爬壁机器人常用的吸附方式。抽真空吸附这种吸附方式是靠真空装置将机器人真空腔内的空气吸出，造成吸盘内外的气压差，通过利用大气压力将机器人吸附在壁面上。分为两种机器人，即单吸盘爬壁机器人和多吸盘爬壁机器人，其特点具有广泛的适用性，不需要受壁面材料的限制，但是对壁面的结构有较高的要求，当机器人的吸盘吸附在非结构化表面上时，由于壁面凹凸不平导致吸盘漏气，吸附力下降影响机器人负载能力。此外，该类爬壁机器人还需要真空设备辅助其工作。磁吸附爬壁机器人也分为两种：永磁吸附机器人与电磁吸附机器人，该类对工作环境有一定的要求，壁面必须为导磁材料，磁吸附爬壁机器人机构也相对简单可靠性高，并且不会因为壁面的不平整而降低吸附力，其吸附力也远大于真空负压吸附，在工程实际生产中对于导磁材料的壁面一般优先选择磁吸附爬壁机器人。而永磁吸附与电磁吸附特点明显，电磁吸附便于控制，永磁吸附负载能力强，但是在工作过程中一旦发生断电情况，电磁吸附的爬壁机器人会从壁面掉落造成危险，而永磁吸附的爬壁机器人不会受到影响。气体推力吸附爬壁机器人，主要是利用气体产生的反推力，将爬壁机器人吸附在壁面，这种爬壁机器人结构简单，工作灵活，但是受外界环境影响较大，工作精度低、吸附稳定性差[39]。
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第 3 章 履带式船舶除锈爬壁机器人力学性能分析.... 27
3.1 工作路径规划及空间位姿模型....... 27
3.2 爬壁机器人静力学性能分析........... 30
3.3 爬壁机器人动力学性能分析........... 35
3.4 本章小结............. 41
第 4 章 履带式船舶除锈爬壁机器人机械结构仿真分析及优化.... 42
4.1 船舶除锈爬壁机器人冲洗装置振动特性分析.... 42
4.2 永磁体磁场仿真分析.... 45
4.3 超高压水喷嘴优化仿真分析........... 53
4.4 本章小结............. 60
第 5 章超高压纯水射流爬壁除锈实验研究........ 62
5.1 物理样机组装及实验方案制定........ 62
5.2 船舶除锈爬壁机器人爬壁性能测试......... 69
5.3 船舶除锈爬壁机器人实际工况下性能测试........ 73
5.4 本章小结............. 78
第 5 章超高压纯水射流爬壁除锈实验研究
通过第二、三、四章对爬壁机器人的设计与分析。本章首先对爬壁机器人的永磁吸附单元的永磁体磁吸附力和保护罩的摩擦系数进行实验检验，经过实验检测选取适合的永磁体及保护罩材料，然后对履带式船舶除锈机器人样机进行组装，并在实验室对爬壁机器人的各项主要性能进行测试，依据测试结果对爬壁机器人的结构进行优化改进，待爬壁机器人各项性能达到要求后，再到船厂进行实际工况下的船舶除锈工作。
5.1 物理样机组装及实验方案制定
为验证第四章中利用 Maxwell 软件仿真分析得到的永磁吸附单元的磁吸附力大小，是否与实际结果相一致，同时进一步保证所设计的爬壁机器人能够安全平稳可靠的工作，本节对永磁吸附单元及永磁万向轮的磁吸附力大小进行了实验验证。磁力实验测试设备为 Instron-E10000 万能材料拉伸试验机，如图 5-1 所示。由于该机器为拉伸材料专用机器，因此需要对机器进行改进，万能材料拉伸试验机的上方夹头用于夹持永磁吸附单元和永磁万向轮，在拉伸试验机下面安装厚度为 15mm 的 Q235 铁板。搭建完实验平台后，使上夹头匀速上升，可测出位移与磁吸附力的曲线图，位移为永磁体与钢板之间的间隙。实验结果与仿真结果对比可得：两结果相近，利用 Ansoft Maxwell 仿真得到的结论真实可信。其中通过实验测试得到的永磁吸附单元与 Q235 钢材表面紧密接触时吸附力大小为 502.6N，并且当永磁吸附单元与 Q235 钢材之间的间隙超过 4mm 时磁吸附力已经衰减为 225.6N。与仿真结果相近，变化趋势相同。永磁万向轮仿真得到的结果与实验结果相近，磁力的衰减曲线也相同。实验结果表明，上一章仿真得到的结论可以为爬壁机器人的永磁吸附单元及永磁万向轮设计提供依据，可以进行下一步实验样机的组装。
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结 论
目前船舶除锈方法是通过人工手持喷枪进行喷砂除锈，该方法存在着价格高昂、污染环境、危害健康等诸多问题，为改变现有的除锈方式，本文提出了采用履带式船舶除锈爬壁机器人携带超高压水射流清洗模块进行船舶除锈，运用机械传动控制理论、工程结构设计理论，电磁学理论，超高压水流场理论和方法对爬壁机器人进行了设计与研究，得到如下结论：
1. 针对船舶除锈恶劣的工作情况，提出利用爬壁机器人代替人工作业，根据船舶除锈的实际工况分析了爬壁机器人的设计难点，制定了爬壁机器人的设计目标，对机器人的吸附方式、爬行方式以及驱动传动方式进行分析和选型，确定机器人的总体方案，其次依据爬壁机器人的总体方案对机器人的机械结构进行了设计，并对驱动和传动部件进行了计算和选型。
2. 为提高爬壁机器人在进行船舶除锈过程中的 4 个关键性能，即附壁能力、爬行能力、转向能力和负载能力，对机器人的除锈轨迹和工作路径的规划确定机器人在工作过程中的空间位姿模型，并依据该模型对机器人的静力学性能和动力学性能进行了分析，确定机器人永磁吸附单元的最小磁力，以及机器人的最小确定转矩。
3. 利用有限元分析软件对爬壁机器人的关键结构进行分析优化，采用Ansys workbench 软件对机器人的冲洗装置进行了模态分析，结果表明所设计的冲洗装置的共振频率能够避开气动马达的激励；利用 Maxwell 软件对机器人的永磁吸附单元的磁吸附力和永磁万向轮的充磁方式进行仿真，确立了吸附单元的保护罩厚度为 1.5mm，永磁轮的充磁方式为辐射充磁；利用 FLUENT 软件对超高压水射流喷嘴的结构进行优化，确定喷嘴的收缩角度为 30°，安装的靶面距离为 30mm。
4. 对所设计的爬壁机器人进行样机组装，分别在实验室和船厂对爬壁机器人进行了附壁能力、爬行能力、转向能力、除锈效果以及耐用能力测试，实验效果表明本文所设计的履带式船舶除锈爬壁机器人能够达到船舶除锈的苛刻要求，并且除锈效果良好。
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参考文献（略）