新型水下柱狀清洗機(jī)的設(shè)計(jì)研究

德州學(xué)院機(jī)電工程學(xué)院 徐逢澤 冉玉梅 劉金科 王正發(fā) 高春鑫

關(guān)鍵字：新型水下清洗機(jī)；高效；清潔；螺旋線

引言

為了促進(jìn)港、珠、澳地區(qū)的發(fā)展，政府修建了港珠澳大橋。為了解決大橋結(jié)構(gòu)的安全性問題，我們需要對橋柱進(jìn)行清洗。于是我國的企業(yè)和大學(xué)正在抓緊研發(fā)水下柱狀清洗裝置。但是截至目前國內(nèi)外對于水下橋柱的清洗問題仍然沒有合適的解決方案，在許多地方仍然采用的是人工水下清洗，一方面要考慮水下暗流的危險(xiǎn)，另一方面又要避免受到高壓水槍的意外危害，這就對操作者帶來了極大的危險(xiǎn)。所以急需研發(fā)一款新型的水下清洗機(jī)。

通過對當(dāng)前市面上存在的水下清洗機(jī)及其相關(guān)行業(yè)的調(diào)查，我們發(fā)現(xiàn)主要存在以下問題：（1）手工操作的方式效率低，危險(xiǎn)系數(shù)高，尤其是對于水下十米以下的清洗，需要高超的潛水技術(shù)。（2）現(xiàn)在市場上的水下清洗機(jī)構(gòu)大都是清洗平坦的船體，對于清洗橋柱方面還是一片空白。（3）當(dāng)前市面上的清洗機(jī)運(yùn)動(dòng)方式大都是直上直下型，效率低下。為了實(shí)現(xiàn)對水下清洗機(jī)的創(chuàng)新性和技術(shù)性的突破，提高運(yùn)動(dòng)效率、安全性，改變機(jī)器的運(yùn)動(dòng)方式，本文設(shè)計(jì)了一款集合單片機(jī)智能控制、水下壓力預(yù)警和檢測以及螺旋形的運(yùn)動(dòng)方式為一體的，同時(shí)自帶輔助夾持機(jī)構(gòu)的新型水下清洗機(jī)。

1 水下清洗機(jī)的總體設(shè)計(jì)

水下清洗機(jī)由動(dòng)力裝置、控制裝置、檢測裝置、水下預(yù)警裝置、清洗裝置和運(yùn)動(dòng)裝置六個(gè)部分組成。水下清洗機(jī)總體的設(shè)計(jì)流程簡圖如圖1 所示。清洗機(jī)接觸到水面的時(shí)候，通過控制系統(tǒng)遠(yuǎn)程遙控機(jī)器靠近橋柱，當(dāng)靠近橋柱的時(shí)候通過檢測裝置由控制系統(tǒng)協(xié)同配合夾持在橋柱上，利用推力吸附法和仿生吸附法使機(jī)器牢牢地貼合在橋柱表面。當(dāng)夾持裝置完成工作后，用左右兩側(cè)的推進(jìn)器令機(jī)器旋轉(zhuǎn)起來，之后與上下推進(jìn)器協(xié)同合作實(shí)現(xiàn)清洗機(jī)的螺旋移動(dòng)。進(jìn)入水下后，檢測裝置、水下預(yù)警裝置和清洗裝置互相配合最終完成清洗工作。在清洗的過程中，如果出現(xiàn)局部清洗不凈的狀況，檢測裝置會(huì)通過監(jiān)控器檢測到并反饋到控制裝置，控制裝置命令水洗裝置中的高壓水槍進(jìn)行二次清洗，以保證清洗的干凈程度。如果在清洗的過程中出現(xiàn)水下暗流或者水壓出現(xiàn)異常情況時(shí)，機(jī)器會(huì)立即停止工作，迅速浮向水面，避免出現(xiàn)意外事故。當(dāng)清洗完成后，用上下推進(jìn)裝置讓清洗機(jī)垂直向上運(yùn)動(dòng)最終浮出水面。

圖1

圖2

2 功能部分介紹

2.1 控制裝置

科學(xué)技術(shù)不斷發(fā)展，自動(dòng)化控制由最初的單片機(jī)控制發(fā)展到現(xiàn)在PLC 控制，單片機(jī)控制比較復(fù)雜，逐漸被PLC 所代替。PLC 具有操作簡便、上手快等諸多優(yōu)點(diǎn)。但是為了實(shí)現(xiàn)水下自動(dòng)控制，必須采用無線的方式，并且水下PLC 無線技術(shù)還不太成熟。綜合考量，為了滿足機(jī)器的性能因此不得不采用單片機(jī)控制。不過由于單片機(jī)發(fā)展早，各項(xiàng)技術(shù)比較成熟，還是具有很大優(yōu)勢的。控制裝置需要對機(jī)器的各部分做到協(xié)同配合，一方面，它需根據(jù)檢測裝置的反饋對機(jī)器的動(dòng)力部分進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整與控制、對水洗裝置發(fā)出二次清洗的指令和對運(yùn)動(dòng)裝置發(fā)出規(guī)避和躲閃障礙物的指令；另一方面，又要根據(jù)機(jī)器的水下預(yù)警裝置及時(shí)讓整個(gè)系統(tǒng)做出緊急預(yù)案處理。它是整個(gè)機(jī)器的大腦，起到無可匹及的作用。

2.2 水洗裝置

水下清洗裝置分為過濾裝置、高壓清洗裝置及滾刷清洗裝置。過濾裝置可以滿足自身高壓水槍的需要，避免浪費(fèi)水資源。滾刷清洗裝置是清洗裝置的主體部分，在清洗的過程中起主要作用，它由多個(gè)滾刷一起配合，并根據(jù)材料的不同更換不同的清洗滾刷，滿足了多樣化的需求，使得機(jī)器的適應(yīng)性更加廣泛。高壓清洗部分主要是根據(jù)監(jiān)控裝置反饋到控制裝置，并由控制裝置發(fā)出指令，令其對一次清洗不干凈的地方進(jìn)行二次清洗，從而使得機(jī)器的功能更加強(qiáng)大。

2.3 運(yùn)動(dòng)裝置

運(yùn)動(dòng)裝置包括推進(jìn)部分和輔助部分。通過不同位置的推進(jìn)裝置以及推進(jìn)器的運(yùn)動(dòng)形式，整合統(tǒng)一實(shí)現(xiàn)螺旋式推進(jìn)方式。輔助部分可以實(shí)現(xiàn)運(yùn)動(dòng)的輔助作用，極大地減輕回轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)給機(jī)器帶來的負(fù)擔(dān)。

3 結(jié)語

隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，我們要努力學(xué)習(xí)知識，為解決目前水下橋柱難以清洗這一巨大的困難不斷努力，做出自己的最強(qiáng)大的一款產(chǎn)品。下一步研究方向是如何實(shí)現(xiàn)多功能水下清洗。