新型水下柱狀清洗機的設計研究

德州學院機電工程學院 徐逢澤 冉玉梅 劉金科 王正發 高春鑫

關鍵字：新型水下清洗機；高效；清潔；螺旋線

引言

為了促進港、珠、澳地區的發展，政府修建了港珠澳大橋。為了解決大橋結構的安全性問題，我們需要對橋柱進行清洗。于是我國的企業和大學正在抓緊研發水下柱狀清洗裝置。但是截至目前國內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，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。所以急需研發一款新型的水下清洗機。

通過對當前市面上存在的水下清洗機及其相關行業的調查，我們發現主要存在以下問題：（1）手工操作的方式效率低，危險系數高，尤其是對于水下十米以下的清洗，需要高超的潛水技術。（2）現在市場上的水下清洗機構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）當前市面上的清洗機運動方式大都是直上直下型，效率低下。為了實現對水下清洗機的創新性和技術性的突破，提高運動效率、安全性，改變機器的運動方式，本文設計了一款集合單片機智能控制、水下壓力預警和檢測以及螺旋形的運動方式為一體的，同時自帶輔助夾持機構的新型水下清洗機。

1 水下清洗機的總體設計

水下清洗機由動力裝置、控制裝置、檢測裝置、水下預警裝置、清洗裝置和運動裝置六個部分組成。水下清洗機總體的設計流程簡圖如圖1 所示。清洗機接觸到水面的時候，通過控制系統遠程遙控機器靠近橋柱，當靠近橋柱的時候通過檢測裝置由控制系統協同配合夾持在橋柱上，利用推力吸附法和仿生吸附法使機器牢牢地貼合在橋柱表面。當夾持裝置完成工作后，用左右兩側的推進器令機器旋轉起來，之后與上下推進器協同合作實現清洗機的螺旋移動。進入水下后，檢測裝置、水下預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，如果出現局部清洗不凈的狀況，檢測裝置會通過監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水下暗流或者水壓出現異常情況時，機器會立即停止工作，迅速浮向水面，避免出現意外事故。當清洗完成后，用上下推進裝置讓清洗機垂直向上運動最終浮出水面。

圖1

圖2

2 功能部分介紹

2.1 控制裝置

科學技術不斷發展，自動化控制由最初的單片機控制發展到現在PLC 控制，單片機控制比較復雜，逐漸被PLC 所代替。PLC 具有操作簡便、上手快等諸多優點。但是為了實現水下自動控制，必須采用無線的方式，并且水下PLC 無線技術還不太成熟。綜合考量，為了滿足機器的性能因此不得不采用單片機控制。不過由于單片機發展早，各項技術比較成熟，還是具有很大優勢的。控制裝置需要對機器的各部分做到協同配合，一方面，它需根據檢測裝置的反饋對機器的動力部分進行適當的調整與控制、對水洗裝置發出二次清洗的指令和對運動裝置發出規避和躲閃障礙物的指令；另一方面，又要根據機器的水下預警裝置及時讓整個系統做出緊急預案處理。它是整個機器的大腦，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，它由多個滾刷一起配合，并根據材料的不同更換不同的清洗滾刷，滿足了多樣化的需求，使得機器的適應性更加廣泛。高壓清洗部分主要是根據監控裝置反饋到控制裝置，并由控制裝置發出指令，令其對一次清洗不干凈的地方進行二次清洗，從而使得機器的功能更加強大。

2.3 運動裝置

運動裝置包括推進部分和輔助部分。通過不同位置的推進裝置以及推進器的運動形式，整合統一實現螺旋式推進方式。輔助部分可以實現運動的輔助作用，極大地減輕回轉運動給機器帶來的負擔。

3 結語

隨著科學技術的不斷進步，我們要努力學習知識，為解決目前水下橋柱難以清洗這一巨大的困難不斷努力，做出自己的最強大的一款產品。下一步研究方向是如何實現多功能水下清洗。