新型反沖式水下船體表面清洗刷設(shè)計(jì)方案研究

于靖博 楊君德 尚振國(guó) 董麗娜

（1.大連海事大學(xué) 輪機(jī)工程學(xué)院 大連116026；2.大連海洋大學(xué) 機(jī)械與動(dòng)力工程學(xué)院 大連116023）

0 引 言

隨著世界經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展和遠(yuǎn)洋運(yùn)輸事業(yè)不斷壯大，全球船舶數(shù)量激增同燃油經(jīng)濟(jì)性以及環(huán)境保護(hù)之間的矛盾日漸引起人們關(guān)注。據(jù)統(tǒng)計(jì)，截至2009年1月底，全世界已有集裝箱運(yùn)輸船3 779艘，運(yùn)輸能力為528.2萬(wàn)TEU，這表明全世界集裝箱運(yùn)輸船隊(duì)的承運(yùn)能力首次突破500萬(wàn)TEU大關(guān)。以日本輸出組合（JESA）統(tǒng)計(jì)的數(shù)據(jù)為依據(jù)，去年全球新船成交量接近5 000萬(wàn)DWT；若再加上油輪以及軍艦等其他類(lèi)型的艦船，那全世界的船舶數(shù)量將是一個(gè)不小的數(shù)目。然而，當(dāng)今原油資源的日益匱乏已成為制約現(xiàn)有航海業(yè)發(fā)展的一個(gè)最大瓶頸，因此，如何在“節(jié)能和環(huán)保”的前提下發(fā)展航運(yùn)事業(yè)，已成為當(dāng)今世界航運(yùn)業(yè)發(fā)展的一個(gè)熱門(mén)話(huà)題。

目前，世界上大部分船舶仍然依靠燃油提供動(dòng)力。船舶在航行過(guò)程中遇到的阻力越大，航速及經(jīng)濟(jì)效益會(huì)顯著下降，而燃油消耗量和二氧化碳的排放量則會(huì)明顯上升。船舶航行受到的阻力主要有摩擦阻力、形狀阻力、興波阻力以及空氣阻力等，其中海洋浮游生物附著對(duì)船體表面摩擦阻力的影響較大。因此，在本領(lǐng)域積極探索研究一種新型環(huán)保的清洗技術(shù)是具有重要意義的。

1 主要船體清洗技術(shù)對(duì)比

目前，國(guó)內(nèi)外在船舶表面清洗領(lǐng)域有很多技術(shù)措施，許多遠(yuǎn)洋運(yùn)輸公司在船體表面涂刷揮發(fā)性較慢的毒性油漆，通過(guò)防止浮游生物的附著以達(dá)到降低燃油消耗量的效果。但由于該油漆毒性太強(qiáng)，對(duì)沿航線(xiàn)的其他生物也造成了不同程度的傷害，破壞了局部海洋生態(tài)環(huán)境。因此，國(guó)際上已經(jīng)嚴(yán)令禁止使用各種毒性油漆。此外，還有一些運(yùn)輸公司在船體表面粘貼保護(hù)膜，在一定時(shí)間內(nèi)將保護(hù)膜撕起以達(dá)到清除浮游生物的目的。不過(guò)，該方法更換頻率較大，代價(jià)也高，所以也漸漸地被市場(chǎng)所淘汰。由此，近年來(lái)，船舶表面清洗技術(shù)的研發(fā)越來(lái)越被人們所重視。

首先，從清洗環(huán)境上來(lái)看，船體表面清洗可分為陸上作業(yè)和水下作業(yè)兩種。為了延長(zhǎng)船舶的使用壽命、保證船舶的經(jīng)濟(jì)性及安全運(yùn)行，船舶必須定期進(jìn)塢檢修。船舶在脫離水面的狀態(tài)下，可對(duì)其表面使用噴砂處理或者高壓水射流清洗技術(shù)進(jìn)行清洗、維護(hù)，以清除一些較頑固的海洋附著物。這兩種方法都需要船舶占用船塢，因此使用頻率不宜過(guò)高，否則會(huì)增加船舶的停航損失，影響船舶運(yùn)營(yíng)經(jīng)濟(jì)性。

在我國(guó)，船體表面清洗主要采用人工噴砂處理，效果明顯但工人勞動(dòng)強(qiáng)度大，效率低下，且對(duì)人體及環(huán)境有相當(dāng)大的污染；高壓水射流技術(shù)則是近30年發(fā)展起來(lái)的新技術(shù)，它以水射流為主，集合泵、閥、密封、液壓、材料、自動(dòng)化控制等多門(mén)學(xué)科。其利用高壓泵打出高壓水，經(jīng)管道到噴嘴，噴嘴則把高壓低流速的水轉(zhuǎn)化成低壓高流速、高能量密度的水射流，正向或切向沖擊被清洗表面，從而將結(jié)垢物剝離，完成清洗作業(yè)。該技術(shù)能耗低，操作者作業(yè)環(huán)境和勞動(dòng)強(qiáng)度均有所改善。不過(guò)，由于在高溫、高濕天氣會(huì)快速生成二次浮銹，因此也阻礙了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。而且，該系統(tǒng)對(duì)水質(zhì)要求非常嚴(yán)格，淡水消耗量巨大；并且清洗后的大量污水夾雜著銹皮、漆皮流入江海，容易造成附近水域的嚴(yán)重污染。目前，我國(guó)就有個(gè)別企業(yè)因解決不了二次浮銹的技術(shù)難題，不得不將購(gòu)買(mǎi)的高壓射流除白設(shè)備長(zhǎng)期閑置［1］。

開(kāi)展水下清洗作業(yè)由于可以在船舶錨泊或?？看a頭時(shí)直接進(jìn)行，這樣就為在惡劣的海洋環(huán)境下開(kāi)展作業(yè)提供了保障，既減少了船舶的停航損失，又使得船舶的燃油消耗大大降低，提高了經(jīng)濟(jì)效益；同時(shí)還緩解了船塢不足的問(wèn)題，所以水下清洗對(duì)于海洋工程結(jié)構(gòu)的維修及軍事方面應(yīng)用亦有廣闊前景。在國(guó)外，日本、美國(guó)、法國(guó)等國(guó)家的水下清洗作業(yè)裝置已經(jīng)日趨成熟并走向?qū)嵱没?-3］。

目前水下清洗主要有如下幾種方式：

（1）水下人工清洗：由潛水員手持清洗轉(zhuǎn)刷，利用轉(zhuǎn)刷產(chǎn)生的負(fù)壓使之緊貼船體，人工推動(dòng)刷體在船體表面運(yùn)動(dòng)；

（2）水下噴射清洗裝置：原理是將高壓水用于水下清洗作業(yè)；

（3）水下清洗機(jī)器人：它主要由吸附和移動(dòng)機(jī)構(gòu)、清洗裝置以及控制系統(tǒng)三部分組成，靠永磁吸附履帶實(shí)現(xiàn)吸附船體表面并移動(dòng)的功能；

（4）遙控水下清洗器：由遙控器或計(jì)算機(jī)來(lái)控制水下清掃機(jī)器人完成清刷作業(yè)。

上述幾種方法各有利弊：人工清洗工作強(qiáng)度大且危險(xiǎn)系數(shù)高；有些設(shè)備則需要在水溫較高且海水能見(jiàn)度較高的港口才可以使用，具有很大的局限性；依靠磁性吸附的清洗機(jī)器人不僅對(duì)船舶的導(dǎo)航系統(tǒng)有一定影響，而且在弧度較大的船體表面很難吸附，容易掉落，并且其造價(jià)也較高。因此，開(kāi)展水下船體表面清洗作業(yè)的技術(shù)研究，對(duì)促進(jìn)該領(lǐng)域的技術(shù)進(jìn)步具有重要意義［4］。

2 總體設(shè)計(jì)方案

基于簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)、低成本易維修且便于推廣的設(shè)計(jì)思路，本設(shè)計(jì)方案參考沖擊式水輪機(jī)的原理：首先利用潛水泵抽取海水并加壓來(lái)沖擊葉輪；進(jìn)而帶動(dòng)清洗刷轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)清洗船體表面，同時(shí)利用排出海水的反沖作用力和潛水泵進(jìn)水口的吸力將刷體壓在船體表面；最后再利用傳動(dòng)裝置帶動(dòng)刷體沿船體表面移動(dòng)，從而達(dá)到整船外表面清洗的目的。另外，考慮到海洋生物的繁殖期多在春秋兩季，在此期間其附著力相對(duì)最為薄弱，所以建議在每年的春秋兩季縮短對(duì)船體表面的清洗周期，這樣可以大大減少附著物的數(shù)量，提高清洗效率，進(jìn)而達(dá)到較為理想的清洗效果。

本設(shè)計(jì)由動(dòng)力潛水泵、可替換式刷體和傳動(dòng)裝置三部分組成，動(dòng)力潛水泵主要為刷體提供動(dòng)力及反沖力。清洗刷的刷體結(jié)構(gòu)如圖1所示，其上端連接潛水泵，刷頭部件可以根據(jù)實(shí)際情況隨時(shí)選換，具體選換標(biāo)準(zhǔn)請(qǐng)參考表1。

圖1 清洗刷刷體結(jié)構(gòu)圖

表1 可選刷頭類(lèi)型及適用范圍

傳動(dòng)裝置由一個(gè)放置于甲板上并可移動(dòng)的卷?yè)P(yáng)機(jī)構(gòu)成，用于控制刷體爬上或者爬下船體表面，克服由于水泵及刷體本身重力及摩擦力所帶來(lái)運(yùn)動(dòng)的不便，同時(shí)起到移動(dòng)刷體的作用，卷?yè)P(yáng)裝置隨著刷體的上下移動(dòng)及時(shí)地收放保護(hù)纜繩，為作業(yè)刷體提供安全保障條件，并為潛水泵提供動(dòng)力和控制電纜，這樣刷體邊移動(dòng)邊清洗，如此往復(fù)即可完成清洗任務(wù)。

只要正確選擇刷頭并合適控制清洗方法和時(shí)間，就能輕松清除船體表面的海洋附著物，并且不會(huì)損傷到船體表面的涂層。這樣，我們可以在船舶不靠碼頭和不進(jìn)船塢的情況下，隨時(shí)對(duì)船舶水線(xiàn)以下部位所附著的海生物實(shí)施清除，既節(jié)省大量人力，又節(jié)約很多寶貴時(shí)間。這既能提高船舶航速、降低燃料消耗，又能提高船舶在航率、節(jié)省維修經(jīng)費(fèi)，具有較高的經(jīng)濟(jì)效益，從而達(dá)到節(jié)能環(huán)保的理想效果。

3 結(jié) 論

該清洗方案能延長(zhǎng)船舶進(jìn)塢修理時(shí)間、提高船舶運(yùn)行效能、減少燃料成本，對(duì)船舶的節(jié)能環(huán)保將發(fā)揮積極作用。

（1）本新型反沖式清洗刷可以在甲板工作人員的操控下，較方便地清洗船體水線(xiàn)以下表面的海洋附著物，且不損傷船體表面油漆；清洗速度可以通過(guò)調(diào)節(jié)卷?yè)P(yáng)設(shè)備上的步進(jìn)電機(jī)來(lái)控制。

（2）與傳統(tǒng)的清洗方法相比具有明顯優(yōu)勢(shì)，其能夠克服永磁式水下清刷機(jī)器人干擾船舶導(dǎo)航設(shè)備的弊端，并具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、制造方便、價(jià)格便宜等特點(diǎn)。

（3）考慮到實(shí)際最佳清洗效果，建議在春秋兩季使用，并且可在刷體上加裝水下可視裝置，以進(jìn)一步增加對(duì)船體水線(xiàn)以下表面清刷效果的檢測(cè)功能。

［1］全玉臣.船舶清洗市場(chǎng)趨勢(shì)［J］. 清洗世界，2007，23（1）：52-54.

［2］袁夫彩，孟慶鑫，王麗慧，等.水下船體表面清刷機(jī)器人方案研究［J］.船舶工程，2002（1）：44-46.

［3］孟慶鑫，王義文.水下船體表面清刷機(jī)器人吸附及移動(dòng)性能分析［J］.哈爾濱工程大學(xué)學(xué)報(bào)，2006，27（2）：272-275.

［4］張玉蓮，陳勝，章海.船舶水下液壓清洗設(shè)備研究［J］.漁業(yè)現(xiàn)代化，2009，36（3）：52-55.