船舶除锈技术及爬壁除锈机器人的研究现状与发展趋势.pdf

28船舶设计与建造中外船舶科技2023年第2 期船舶除锈技术及爬壁除锈机器人的研究现状与发展趋势安帅，陆华?（1.江苏科技大学，江苏镇江212003)（2.南通中远海运船务工程有限公司，江苏南通226006)摘要：船舶除锈对于确保船舶涂层质量、保证船舶航行安全、延长船舶使用寿命都十分重要。传统的干喷砂除锈在作业过程中存在粉尘和噪声，对环境、施工人员健康都有较大的影响。对船舶除锈技术及的技术现状分析表明，将爬壁机器人与超高压水射流、激光等除锈技术结合，能够提高除锈作业的效率和质量，降低劳动强度和危险性，保护施工人员的身体健康，减轻除锈过程对环境的污染程度，实现绿色造船。爬壁除锈机器人技术是船舶除锈技术发展的一个方向，具有良好的应用前景。关键词：除锈技术；超高压水射流除锈；爬壁除锈机器人中图分类号：U671.1文献标志码：A随着全球经济的发展，我国的航运、船舶工业对船舶建造、修理的需求急剧增加。船舶除锈清洗是建造和修理中的重要环节。由于船舶外壁长时间浸泡在海水中，会不可避免地发生锈蚀，因此，船舶需要定期返回船坞进行表面除锈，以提高船舶使用寿命，保证航运安全。采用人工喷砂除锈是船舶主要的传统除锈方式，但因严重危害工人健康、污染环境，正逐渐被高压水除锈或激光除锈工艺所取代。随着工业科技水平的提高，搭载除锈设备的爬壁机器人应运而生，在大大降低工人劳动强度的同时，也提高了除锈效率。船舶除锈技术的发展是对传统技术缺点的不断改进，是技术的不断创新发展。通过对比不同除锈技术的优缺点，分析爬壁机器人与不同除锈方式结合的研究现状，以及目前爬壁除锈机器人的设计目标及技术存在的不足，可了解船舶除锈技术的发展过程及爬壁除锈机器人的发展趋势。作者简介：安帅，硕士研究生，研究方向为船舶与海洋工程。1船舶主要除锈技术发展船舶长期处于海水和空气环境中容易受到腐蚀而生锈，需要在船体涂装前进行除锈清洗处理。目前，船舶外壁面的除锈方式主要有喷砂除锈、超高压水射流除锈和激光除锈等。1.1干喷砂除锈干喷砂除锈是指利用喷枪将砂料喷射到船的壁面上，使砂料与金属锈层撞击，对锈蚀层进行剥离的船舶除锈方式。国内大多数船厂用升降机将工人运输到需要除锈的区域，由人工手持喷枪进行除锈作业，如图1所示。采用这种方式进行除锈作业，工人的劳动强度极高，而且作业时产生的灰尘、噪声大，会造成严重的环境污染，同时也对操作工人的呼吸道和心肺产生极大的危害。喷砂除锈的成本中有60%以上花费在砂料上，且砂料不能被回收再利用，这也增加了除锈成本。29中外船舶科技船舶设计与建造2023年第2 期图1人工干喷砂除锈为了克服人工干除锈工艺存在的弊端，船舶企业研制了绿色修船新工艺装置，采用“水雾防尘喷砂 新工艺进行船壳除锈作业 2】，取得了较好的效果。科研人员对喷砂除锈工艺也进行了研究。文献 3 中将磨料和水混合作为船舶除锈的原料，有效减少了喷砂产生的粉尘，并研究了系统压力、靶距、喷枪移动速度和磨料尺寸对除锈效果的影响。文献 4 中通过试验对比了传统喷砂、海绵喷砂、干冰喷砂和蒸汽喷砂这4种除锈工艺对涂层性能的影响，结果表明，除锈后涂层性能的排序分别为：海绵喷砂、蒸汽喷砂 传统喷砂 干冰喷砂。1.2超高压水除锈超高压水除锈是采用压强为2 0 0 2 50 MPa的超高压水（净化水经过直径小的喷管后转变为高压高速的射流）对除锈对象进行冲击和剥蚀，从而使锈迹脱落的除锈方法（图2）。与其他人工干除锈相比，超高压水除锈的成本降低，对船舶基体无损伤，经除锈清洗后的船体无须再次处理，因而减少了后续施工步骤，提高了除锈效率与质量。采用超高压水除锈，解决了干除锈带来的空气和噪声污染问题，除锈后的废水可以回收处理后再循环利用图2高压水除锈文献5 介绍了一种解决污水集成收集及处理的装置，原理如图3所示。这套装置花费低、操作简易、效率高，能够实现对环境无污染的目标。文献6中研究者利用FLUENT软件对流场、靶面受力、不同射流压力除锈效果以及射流参数等进行仿真分析和优化，提高了除锈效率。文献7 中研究人员通过正交试验对射流参数分析，得到效率最高的射流压力、靶距、喷嘴直径，并综合考虑电机功率和除锈质量，进一步优化了设计方案。除锈废水PAC&PAM投加系统泵泵调节池混凝反应斜管沉淀中间水池石英砂过滤清水池T泵压滤系统污泥池反洗水排至调节池回用或排放压滤水排放至调节池泥渣进行危险废弃物处理图3污水集成收集及处理装置原理示意图1.3激光除锈激光除锈是利用具有极高能量密度的光束直接照射在被清洗物表面，使表面的油污、锈迹和涂层瞬间蒸发或剥离，从而高效清除船舶表面锈迹的一种除锈方法。与传统的除锈方法相比，激光除锈具有能耗低、对环境污染小，操作人员作业环境好，以及能量适当时不损伤基体等优点，并且激光可以使用光纤传输，能够实现远程操作。目前，激光除锈在飞机制造、机械制造等行业已得到广泛应用，虽然受限于设备成本、功率等因素，但激光除锈技术符合绿色造船的发展潮流，在船体除锈中仍然具有较好的应用前景【8 30船舶设计与建造中外船舶科技2023年第2 期文献 9 介绍了激光除锈的研究现状以及激光除锈的机理，探讨了激光除锈设备各参数对除锈效果的影响。文献10 中，通过采用不同激光能量密度和扫描速度等参数的激光去除EH36钢表面锈蚀，研究不同参数条件下除锈对钢表面耐腐蚀性能的影响，以及钢材表面形貌和元素成分的变化，进而发现激光参数对腐蚀性能的影响规律，并在此基础上确定耐腐蚀性能最优的激光除锈工艺。文献 11中研究了用激光技术代替对环境不友好的喷砂技术除去钢表面的锈层，通过试验表明，经过激光清洗后金属漆膜的表面附着力更强。1.4除锈方式对比通过对比分析，以上3种除锈方式的优缺点如表1所示。表1各种除锈方式的优缺点对比除锈方式优点缺点人工喷砂除锈除锈装置简单，人工作业灵活劳动强度高，环境污染严重超高压水除锈除锈效率高，安全环保操作有一定难度，需回收处理污水激光除锈污染小，适当能量下不损伤基体功率要求高，无法实现大面积清洗2爬壁除锈机器人研究现状2.1喷砂除锈机器人由于人工喷砂存在种种弊端，喷砂除锈爬壁机器人系统开始被研发并用于船舶除锈。这种机器人系统中安装的清洗回收装置可以将使用过的废料和粉尘回收，因此降低了对环境的污染。文献 12 中研究人员设计了一种由空气压缩机、喷砂机、行走架和控制系统组成的环保型自动喷砂除锈工具，其性能可靠、操作简单、安全环保，除锈效果达到Sa2.5级。文献13 中设计了一款磁吸附履带式爬壁除锈机器人（图4），通过携带的喷枪将砂料高速喷射到船体表面，对壁面击打来达到除锈目的，除锈后的废料和粉尘由清洗器收集，可避免污染环境。此机器人负载大、除锈效率高。文献14 中研制了一种面向大型构件的新型龙门式喷砂机器人，并完成了关键部件的静力学分析及对喷砂枪的轨迹的运动学分析，验证了可行性。文献15 中设计了一款适用于大型钢结构件的喷砂机器人（图5），同时完成了机器人运动学模型建立、机器人控制系统设计及自动喷砂试验，验证了设计的合理性。图4喷砂除锈机器人（中国石油大学）x轴（关节2）2轴（关节4）喷砂机械臂行走机构J轴（关节1）X图5喷砂机器人结构方案（哈尔滨工程大学）31船舶设计与建造中外船舶科技2023年第2 期2.2超高压水除锈机器人针对超高压水除锈，国外先后研制了多款超高压水除锈机器人。美国喷气推进实验室开发出一种机器人M2000116)（图6），它可以附在壁上并利用射流盘的水枪除去锈迹。机器人前后轴下安装了永磁铁，使机器人能够拖动电缆、真空管道和超高压水线等。图7 为一款船舶除锈爬壁机器人Octopus，能够在任意倾斜角度壁面上运行，可以通过改变各种操作模块完成除锈、检查和喷漆等工作 17 。KAMAT公司开发制造的一种爬壁除锈机器人【18 ，能够在壁面上自动行走并进行清洁工作。这款机器人采用永磁吸附、履带式机构运动、气动马达提供动力，在整个作业过程中，由两个独立系统控制着履带和喷嘴的运动。图6除锈机器人M2000图7除锈机器人Octopus国内对超高压水除锈机器人也开展了各项研究。图8 为一款船舶除锈爬壁机器人【19，它是超高压水射流成套设备的执行机构，设备包括超高压泵、真空系统和电力系统，能够完成除锈及废水的回收工作。文献 2 0 中设计了一款用于搭载船舶除锈清洗器能够在船舶壁面有效除锈的爬壁机器人，并对真空负压和射流力的附壁特性、转向特性和变负载变重心的爬壁机器人驱动特性开展了研究。文献21中设计了一款包括超高压水除锈模块的爬壁机器人，能够利用真空回收系统回收锈渣和废水，实现除锈即干，从而满足“绿色造船”的要求。文献 2 2 中设计了一款基于磁吸附的轮式爬壁除锈机器人（图9），并通过建立机器人力学模型，求解磁铁吸附力及驱动力矩，其中重点阐述了磁吸爬壁轮和真空清洗盘的结构，完成了机器人的样机试验。文献23中研制了一款基于超高压水射流技术去除涂层的爬壁机器人，通过在各种试验条件下进行试验，对比分析每种情况下的涂层去除率表明，水压力、移动速度、倾斜角度和间距等参数对去除率有很大影响。图8履带式爬壁除锈机器人图9轮式爬壁除锈机器人32船舶设计与建造中外船舶科技20233年第2 期2.3激光除锈机器人由于激光除锈所需的功率较大，无法实现快速清洗，难以用于大面积除锈。直至2 0 18 年，中船重工7 16 研究所研制了一款搭载激光除锈系统的爬壁机器人 2 4（图10），改变了国内在激光除锈机器人领域无成熟产品的局面。这款机器人体积轻巧，运动灵活，操纵简单，实现了对船壁壁面自动、智能除锈，大幅度提高了企业的船舶涂装水平图10激光除锈机器人3爬壁除锈机器人未来发展趋势船舶壁面属于大型钢制表面，船、舰处表面曲率较大，船体表面通常有焊缝、附着物等障碍，且除锈机器人还需携带除锈清洗模块和管线等设备，因此，未来除锈机器人应在除锈效率、除锈质量、越障能力、吸附能力、驱动能力以及自动规划路径和集群控制等方面进行改善提高。（1）提高除锈效率和除锈质量相比于传统喷砂除锈，超高压水射流除锈和激光除锈效率较高，应研究超高压水射流、激光的功率等与除锈效率和除锈质量的关系，选择最优解，或者将多种除锈方式结合以达到除锈效率最佳的目的。（2）增强曲面适应能力和越障能力由于船、船触、船舰壁面的倾斜角度不同，以及表面有焊缝等障碍物，机器人需要具备良好的曲面过渡能力和越障性能。对此，可对机器人本体进行改进，如采用轮一足式行走方式，改变结构之间连接方式，或增加越障机构等，以改进或提高机器人这方面的能力。（3）提升壁面吸附能力机器人本体质量大，并且需要携带用于除锈工作的模块和管线等，由此导致机器人的附壁性能降低。受限于船体壁面特性，永磁吸附是常用的吸附手段，因此需要对永磁体的布置和选型进行改进，或将真空、负压等多种吸附方式加以复合，以提高机器人的吸附性能（4）自动路径规划、集群控制由于船的外表面积很大，爬壁除锈机器人向自动化无人操作方向发展是必然趋势。自动寻的、自动进行路径规划、自动判别除锈效果、多台机器人协同作业，是下一代爬壁除锈机器人研发务必要攻克的关键技术。4结语随着全球贸易往来愈加频繁，航运业和船舶工业发展迅速，船舶建造和维修需求必然增多，表面除锈是其中的重要工作。通过对船舶除锈技术和爬壁除锈机器人的研究，可以得知：（1）超高水射流除锈是目前船舶企业采用的主流除锈方式，携带高压水除锈模块的爬壁机器人解决了人工喷砂除锈中存在的危险，降低了工作强度，并且能够将废水和锈渣回收处理再利用，降低了对水环境的污染程度；（2）激光除锈相比传统除锈具有很多优点，随着科技的不断进步，如能解决激光除锈功率的问题，激光除锈机器人将能够广泛应用于船舶修造业；（3）未来研发的除锈机器人要在除锈效率、除锈质量、壁面越障能力、吸附能力以及无人操作、集群协同等方面进一步提高。参考文献：1汪兴潮.船舶除锈爬壁机器人技术研究【D.广州：华南理工大学，2 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