秦亞軍, 甘文兵, 戚戰(zhàn)峰, 曹 仲
(宜昌測試技術(shù)研究所, 湖北 宜昌 443000)
在海洋中使用的艦艇水下表面容易附著生長海生物污損,嚴(yán)重時(shí)其厚度可達(dá)到5 cm以上,使船只的航行阻力明顯增大,從而損耗更多的燃料,增加額外的航行時(shí)間。另外附著在其表面的污損生物也會破壞船體的防護(hù)涂層,因此對于生物污損需要及時(shí)清除。當(dāng)前海生物污損清除主要是在干船塢中人工使用鏟子、液壓刷等工具進(jìn)行清除,這些方法工作效率低,易造成船體材料和防護(hù)涂層損傷??栈淞髑逑丛O(shè)備,可達(dá)到高效無損的清洗效果,但是清洗作業(yè)需要潛水員長時(shí)間下水操作,水中操作難度大,工作效率偏低。因此有必要發(fā)明一種可在水面以上操作的空化清洗系統(tǒng),在降低工人勞動強(qiáng)度的同時(shí)提高清洗工作效率,并能保證操作人員安全。
該種清洗系統(tǒng)的工作原理是:利用半潛躉船搭載自適應(yīng)的柔性空化清洗噴嘴模塊,在躉船下潛狀態(tài)下,將被清洗艦艇駛?cè)胲O船的中間位置,并使用纜繩固定??刂迫嵝运虑逑磭娮炷K升起并緊貼船底,高壓水經(jīng)空化噴嘴形成清洗的空化水射流,開始污損生物清洗,同時(shí)噴嘴模塊在控制機(jī)構(gòu)的推動下自船底首部向船尾運(yùn)動,直至完成船底清洗。其特殊設(shè)計(jì)的噴嘴模塊可自動適應(yīng)船體表面曲線的變化,從而保障更好地清洗效果和效率。該清洗系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)如圖1所示。
圖1 系統(tǒng)總體結(jié)構(gòu)示意圖
該清洗系統(tǒng)的主要組成包括:半潛躉船、空化清洗設(shè)備,柔性空化噴嘴模塊、噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)、輔助監(jiān)控等。
其中半潛躉船為水下搭載平臺。
空化清洗設(shè)備用于為水下噴嘴模塊組提供一定壓力和流量的高壓水。主要由潛水泵、高壓泵、壓力流量控制部件、高壓水輸出管等組成??栈逑丛O(shè)備是利用特殊結(jié)構(gòu)的噴嘴使高壓水射流在噴槍出口處時(shí)產(chǎn)生大量氣化空泡并噴出,空炮潰滅時(shí),周圍水體向空泡凹陷的方向加速流動,產(chǎn)生微射流,微射流的速度很高,使其與被清洗面接觸時(shí)壓力可達(dá)成百上千兆帕,迅速將污損生物從船體表面剝離,由于微射流的尺度很小,因此適合清洗硬而脆的鈣化質(zhì)污損生物,而對船體本身傷害很小。
噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)用于驅(qū)動和調(diào)節(jié)噴嘴模塊在水下姿態(tài)形狀,并推動其沿船底表面運(yùn)動,根據(jù)船底形狀進(jìn)行自適應(yīng)調(diào)整。主要由減速電機(jī)、傳動帶,導(dǎo)軌、伸縮缸、滑架等組成。結(jié)構(gòu)如下頁圖2所示。
空化噴嘴在工作時(shí)需要調(diào)整好與被清洗表面的距離和角度才能發(fā)揮最好清洗效果。因此為保證清洗效果和效率,需要設(shè)計(jì)相應(yīng)機(jī)構(gòu)對噴嘴的清洗角度和清洗的距離進(jìn)行控制。柔性水下空化噴嘴模塊(簡稱空化噴嘴模塊)是將若干個(gè)空化噴嘴和定距膠輪、驅(qū)動扭簧固定于柔性鉸鏈的每個(gè)鏈節(jié)和銷軸上,使用時(shí)柔性鉸鏈可根據(jù)船底輪廓在噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)和扭簧回彈力的作用下自動改變鉸鏈彎曲的局部和總體形狀,從而抱緊船體底板,帶動各噴嘴定位于距離船底表面預(yù)定位置和角度處。并且當(dāng)被清洗船體移動時(shí)這些噴嘴模塊可自動適應(yīng)船體輪廓變化。空化噴嘴可將高壓水轉(zhuǎn)換為空化水射流用于清洗污損生物。結(jié)構(gòu)如圖3、圖4所示。
圖2 噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖
圖3 柔性空化噴嘴模塊結(jié)構(gòu)及姿態(tài)調(diào)整示意圖
圖4 柔性噴嘴模塊背面
監(jiān)控設(shè)備包括控制臺、水下攝像頭、水下光源、主機(jī)等部件,主要用于實(shí)時(shí)觀測水下污損生物清洗狀態(tài),控制清洗感端設(shè)備輸出的高壓水壓力和噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)的動作速度。
其連接關(guān)系為,空化清洗設(shè)備干端和噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)的減速電機(jī)安裝在多功能半潛躉船的上層甲板上(該甲板在躉船吃水最深時(shí)仍位于水面以上),噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)大部分安裝在躉船底層甲板面上(該甲板層清洗船只污損生物時(shí)將沉入水面以下),空化噴嘴模塊安裝在噴嘴模塊控制機(jī)構(gòu)滑架的可調(diào)節(jié)支架上。其中滑架部分可在甲板上縱向、橫向水平移動,配合其上驅(qū)動調(diào)節(jié)支架的液壓控制缸,可在工作時(shí)控制噴嘴模塊調(diào)整位置和姿態(tài),以適應(yīng)不同船型和船體表面形狀變化的需要??栈逑锤啥嗽O(shè)備依靠潛水泵從躉船水面以下吸水,增壓后通過高壓管供給安裝在調(diào)節(jié)支架上的空化噴嘴模塊的空化噴嘴進(jìn)行清洗工作。
1)工作時(shí)將躉船1底層甲板潛入大于被清洗艦艇吃水線以下,再將被清洗艦艇駛?cè)胲O船1中間,使用纜繩從四角固定被清洗艦艇至躉船四角上。
2)啟動減速電機(jī)5,將縱向滑架調(diào)節(jié)至被清洗艦艇船首部位正下方,調(diào)節(jié)中間液壓缸15,使噴嘴模塊4下部接觸到船體底部,調(diào)節(jié)側(cè)液壓缸13,使噴嘴模塊4依靠自身扭簧回彈的驅(qū)動和傾斜桿的牽引從而緊貼船體。
3)打開空化清洗干端設(shè)備2,高壓水經(jīng)高壓水管16至空化噴嘴模塊4轉(zhuǎn)變?yōu)榭栈淞?,開始清洗。與此同時(shí)減速電機(jī)5動作,最終帶動縱向滑架9從船頭底部向船尾底部緩慢移動,同時(shí)垂直調(diào)節(jié)缸15和側(cè)液壓缸13根據(jù)其端部的傳感器信號隨時(shí)調(diào)節(jié)其行程,同時(shí)扭簧驅(qū)動各鏈節(jié)向船體表面回彈,使噴嘴模塊4可以始終緊貼船體,從而使噴嘴處于最佳清洗距離和角度。直至噴嘴模塊4從船體前部移至船尾,完成清洗。
該水下自動清洗系統(tǒng)具有如下4個(gè)突出優(yōu)點(diǎn):
1)使用該系統(tǒng)進(jìn)行清洗工作,操作人員只需在上層甲板上通過顯控臺的實(shí)時(shí)圖像顯示進(jìn)行控制操作即可完成任務(wù),無需下水作業(yè),從而大大降低了清洗作業(yè)的勞動強(qiáng)度和保障了人員安全。
2)該清洗系統(tǒng)清洗端采用集成多個(gè)噴頭的噴嘴鏈組進(jìn)行清洗工作,可一次性清洗大面積的污損生物,大大優(yōu)于使用潛水人員水下操作的普通空化清洗設(shè)備,所以工作效率大大提高。
3)空化噴嘴模塊可適應(yīng)不同船體表面自動調(diào)節(jié)清洗噴嘴位置和方向,可達(dá)到最佳的清洗效果和最快的清洗效率。
4)無需艦艇進(jìn)入干船塢,船只在碼頭間歇時(shí)即可進(jìn)行清洗工作。