陳志文， 朱發(fā)新， 王偉軍， 楊九明， 王帥軍

（浙江海洋大學(xué)港航與交通運(yùn)輸工程學(xué)院，浙江舟山 316022）

0 引言

管道運(yùn)輸在工業(yè)生產(chǎn)中發(fā)揮著巨大的作用，石油、天然氣、化工等產(chǎn)業(yè)均需要管道來實(shí)現(xiàn)運(yùn)輸，其不但降低了運(yùn)輸成本，還推動(dòng)了工業(yè)生產(chǎn)的發(fā)展。而在流體介質(zhì)運(yùn)輸過程中，管道內(nèi)部難免存在破裂、泄漏、結(jié)塊等現(xiàn)象，會(huì)不定時(shí)地影響管道的運(yùn)輸功能[1]。在船舶結(jié)構(gòu)系統(tǒng)中，水利船舶管道、油管等是其重要組成部分。在長期的使用過程中，船舶管道會(huì)因?yàn)殡s物太多而造成堵塞，不易清理。而且水、油運(yùn)輸船舶管道常常采用金屬材質(zhì)制成，其長期與水接觸會(huì)生銹，傳統(tǒng)采用人工拷銹和氣動(dòng)磨料噴射進(jìn)行管道除銹，但該方法易產(chǎn)生大量粉塵，污染大氣環(huán)境，損害人體健康。選擇較多的化學(xué)清洗，在清洗過程中產(chǎn)生大量酸、堿廢液破壞海水環(huán)境及海水水質(zhì)。同時(shí)，船舶管道通常會(huì)因?yàn)殚L度過長而給清潔造成不便，使用大型專用設(shè)備往往造成很大的麻煩。為此，文中設(shè)計(jì)出了一款新型手動(dòng)式船舶管道清潔裝置，可以實(shí)現(xiàn)多數(shù)船舶管道內(nèi)壁的清潔工作。

1 船舶管道清潔裝置設(shè)計(jì)要求分析

1.1 船舶管道清潔環(huán)境

船舶管道因常用于運(yùn)輸石油、工業(yè)廢水等腐蝕性液體，易造成其內(nèi)部的工況復(fù)雜，常伴有結(jié)塊、凹凸、銹跡堆積等表面特征，使得裝置在工作時(shí)的阻力增大，因此提供較大驅(qū)動(dòng)力的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)，是裝置清潔過程流暢的保證。同時(shí)清除管道內(nèi)部結(jié)塊也需清潔作業(yè)單元具有高驅(qū)動(dòng)力，達(dá)到良好的清潔效果[2]。同時(shí)，船舶管道常運(yùn)輸可飲用淡水，清潔度要求高，且船舶管道易腐蝕，需要定期護(hù)理。

1.2 清潔裝置設(shè)計(jì)要求

針對1.1節(jié)所述環(huán)境分析，確立了船舶管道清潔裝置的設(shè)計(jì)要求,具體如下：1）清潔力度強(qiáng)，可全方位清潔，能夠清除頑固污垢與鐵銹；2）裝置的結(jié)構(gòu)組成簡單，操作移動(dòng)方便；3）初置或改裝費(fèi)用低，維護(hù)保養(yǎng)簡單方便，設(shè)備運(yùn)行成本小[3]。

1.3 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

黑沫等[4]針對中央空調(diào)風(fēng)道尺寸規(guī)格多變、不易清潔的問題,設(shè)計(jì)了一種能對不同尺寸風(fēng)道進(jìn)行自動(dòng)清潔的新型機(jī)器人；蘇冠明等[5]考慮了管道清潔機(jī)器人在清潔過程中的設(shè)計(jì)細(xì)節(jié)要求，提出了一款自適應(yīng)管道高度和寬度的清潔機(jī)器人設(shè)計(jì)方案；中央空調(diào)中清潔機(jī)器人運(yùn)用，給本裝置的研發(fā)提供了參考，但船舶較空調(diào)管道工況復(fù)雜，為此潘劍鋒等[6]設(shè)計(jì)一種足式管徑自適應(yīng)管道清潔機(jī)器人，可用于船舶管道的清洗工作,但該清洗方法成本高，耗能大，不利于船舶使用的推廣?；谝陨蠂鴥?nèi)研究基礎(chǔ)，我們提出了一種結(jié)構(gòu)簡單、操作方便、成本低廉的新型船舶管道清潔裝置。

2 一種新型船舶管道清潔裝置的設(shè)計(jì)

2.1 結(jié)構(gòu)組成

如圖1所示，該新型船舶管道清潔裝置前端為球形的旋轉(zhuǎn)頭，可戴鋼絲材質(zhì)的頭套，旋轉(zhuǎn)頭可高速運(yùn)轉(zhuǎn)，由電動(dòng)機(jī)直接控制其轉(zhuǎn)速。其后以滾動(dòng)軸承連接的是可伸縮的套筒，空心套筒中置有驅(qū)動(dòng)單元。套筒下端連接萬向球形接頭，法蘭連接可拆卸的剪叉式升降臺(tái)，可通過活動(dòng)三角撐架調(diào)節(jié)所需高度，套筒后部為操作手柄。

圖1 一種船舶管道清潔裝置拆分結(jié)構(gòu)

圖2 可拆卸式升降臺(tái)

2.2 裝置參數(shù)技術(shù)要求（見表1）

2.3 操作原理與過程

如圖1，使用前將鋼絲套固定在旋轉(zhuǎn)頭上，鋼絲套實(shí)體為海綿，擁有良好的形變，表面是一層較厚的密集的鋼絲，能夠清潔大部分難以清理的贓物。鋼絲套厚度規(guī)格繁多，可根據(jù)船舶管道口徑大小，安裝不同的鋼絲套。

表1 裝置系統(tǒng)參數(shù)

旋轉(zhuǎn)頭尾部螺紋嚙合電動(dòng)機(jī)驅(qū)動(dòng)機(jī)構(gòu)，該機(jī)構(gòu)置于伸縮套筒內(nèi)部，伸縮套筒上有螺釘和滑槽，調(diào)節(jié)主體的長度，根據(jù)船舶管道的長度可手動(dòng)調(diào)節(jié)。套筒下端連接萬向球形接頭，同時(shí)也作為支點(diǎn)，保證機(jī)械整體長期使用時(shí)具有良好的剛度外，同時(shí)控制裝置能在船舶管道內(nèi)全方位清潔，下端法蘭連接升降臺(tái)，為可拆卸的零件。升降臺(tái)底部安裝有雙排輪，配合裝置的工作。

控制鋼套后面的焊接手柄，可人為控制推進(jìn)速度與方向，實(shí)現(xiàn)隨意變換方向，給裝置賦予更多的靈活性，可以全方位清潔管內(nèi)贓物，實(shí)現(xiàn)更高的清潔度。

裝置伸入船舶管道內(nèi)，打開電源，旋轉(zhuǎn)頭高速運(yùn)轉(zhuǎn)，通過手柄控制向前推進(jìn)，當(dāng)船舶管道與清潔頭配合完好時(shí)，直接調(diào)節(jié)伸縮管，手柄筆直向前推進(jìn)即可；當(dāng)管路直徑大于旋轉(zhuǎn)頭直徑時(shí)，利用萬向頭、手柄螺旋式推進(jìn)裝置進(jìn)行清潔工作。適時(shí)安裝如圖2帶有滾輪的升降臺(tái)，視情況調(diào)整其高度，向前推進(jìn)進(jìn)行清潔工作。裝置內(nèi)部機(jī)械裝置以電鉆為原型進(jìn)行設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 套筒內(nèi)驅(qū)動(dòng)單元

圖4 一種船舶管道清潔裝置整體結(jié)構(gòu)

3 一種新型船舶管道清潔裝置可行性分析

3.1 技術(shù)可行性分析

該裝置的清潔技術(shù)為物理清洗法，用滾動(dòng)軸承帶動(dòng)旋轉(zhuǎn)頭前端的清潔球，進(jìn)行船舶管道壁面的清洗工作，該技術(shù)相較于化學(xué)清洗法，可操作性強(qiáng)，清洗過程中不易產(chǎn)生污染物，更加環(huán)保。

3.2 結(jié)構(gòu)可行性分析

該裝置主要由旋轉(zhuǎn)頭、滾動(dòng)軸承、伸縮套管、手柄及萬向球形接頭等組成，伸縮套管可實(shí)現(xiàn)水平方向上的延伸，可以達(dá)到清洗船舶管道深處的目的。萬向球形接頭可實(shí)現(xiàn)270°旋轉(zhuǎn)，便利了船舶管道內(nèi)部壁面的清潔工作，且萬向球與升降臺(tái)的連接，可作為該裝置的支撐架，升降臺(tái)可實(shí)現(xiàn)該裝置的縱向伸縮，滿足了不同高度的清潔需求。由此可見該裝置的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)是十分可行的。

3.3 操作可行性分析

該裝置的基本操作步驟為：1）裝置伸入船舶管道內(nèi)，打開電閘，旋轉(zhuǎn)頭高速運(yùn)轉(zhuǎn)，手柄控制向前推進(jìn)，當(dāng)船舶管道與清潔頭配合完好時(shí)，直接調(diào)節(jié)伸縮管，手柄筆直向前推進(jìn)即可；2）當(dāng)管路直徑大于旋轉(zhuǎn)頭直徑時(shí)，利用萬向頭、手柄螺旋式推進(jìn)裝置進(jìn)行清潔工作；3）當(dāng)船舶管道管路直徑大于旋轉(zhuǎn)頭直徑時(shí)，安裝更大直徑的清潔套，同時(shí)通過萬向頭的輔助功能，可實(shí)現(xiàn)管道壁的全方位清潔。并視情況調(diào)整升降車的高度，筆直向前推進(jìn)，進(jìn)行清潔工作。由此可見該裝置具有可操作性強(qiáng)、可行性高、適用范圍廣等優(yōu)點(diǎn)。

3.4 經(jīng)濟(jì)可行性分析

該裝置的各組成部分大多為簡單的圓筒結(jié)構(gòu)，零部件也都為市場上的通用件與標(biāo)準(zhǔn)件，儀器精度要求較低，工業(yè)上易加工生產(chǎn)，其成本可以估算及控制。裝置操作簡單，且其使用壽命較高、維護(hù)保養(yǎng)消耗較低。因以該裝置也具備經(jīng)濟(jì)可行性。

4 結(jié)論

1）根據(jù)船舶管道清潔面臨的復(fù)雜環(huán)境，從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、操作以及經(jīng)濟(jì)等多方面綜合考慮船舶管道的設(shè)計(jì)要求。2）設(shè)計(jì)的清潔裝置能夠高度適應(yīng)任意類型規(guī)格船舶管道，可高效清潔船舶管道內(nèi)的頑固臟物。裝置結(jié)構(gòu)簡單、操作性強(qiáng)、成本低。3）最后從技術(shù)、結(jié)構(gòu)、操作、經(jīng)濟(jì)等方面論證了該裝置的可行性[7]。4）本文研究屬于基礎(chǔ)理論研究階段，后期能否在船舶中進(jìn)行應(yīng)用，還需進(jìn)一步地深入研發(fā)。本文已經(jīng)初步完成了虛擬樣機(jī)的設(shè)計(jì)，但是適用的長度范圍有限，有待在加工實(shí)物后進(jìn)行改善。就目前船舶管道應(yīng)急清潔需求而言，該裝置具有很大的潛在價(jià)值和商業(yè)前景。在今后的項(xiàng)目開展過程中，可以分別從模型實(shí)驗(yàn)、可靠性分析和實(shí)船實(shí)驗(yàn)等方面做進(jìn)一步的研究[8]。