奔驰线上娱乐手机版

全国服务热线: 0532-85136159

当前位置:奔驰线上娱乐手机版 » 技术资料 » 船舶喷砂抛丸除锈爬壁设备

船舶喷砂抛丸除锈爬壁设备

文章出处:未知 编辑:抛丸机发表时间:2018-12-17 12:46:33 浏览人数:1174,1,0
  摘要:设计一种船舶喷砂抛丸除锈爬壁式机器人, 以代替人工高空除锈作业。通过静力分析仿真, 确定负载、单个磁吸附单元磁力与壁面角度之间的关系, 以及保证不下滑和不翻转的最大负载。通过动力分析仿真, 确定电机及减速器输出的最小转矩。根据仿真结果研制爬壁机器人样机, 结果显示, 该机可在各工况下运作, 且能爬越10 mm高的障碍, 满足工作要求。

  0 引言

  近年来, 海外贸易日渐发达, 越来越多的船舶用于航海事业。然而, 海水中的盐分对钢板有腐蚀性图2 爬壁机器人各机构布置图, 各种各样附着在船舶外壁钢板上的海洋微生物对钢板具有严重的腐蚀性图3 爬壁机器人受力分析图, 随着使用年限增加, 将严重影响船舶的寿命。因此, 要对船舶外壁钢板进行定期维护。钢板除锈是维护工作中最基础、最重要的一环计算公式, 除锈质量会直接影响后续喷涂工作的质量和效果计算公式

  目前普遍采用的喷砂抛丸除锈工艺是利用高压冷风带动铜矿砂的作业方式计算公式, 该工艺易于操作且成本较低, 但操作工人的劳动强度较大, 施工过程中产生大量粉尘会严重污染周边空气。因此, 船舶除锈机器人应运而生。爬壁机器人是船舶喷砂抛丸除锈设备的实行机构计算公式, 搭载喷枪机构到高空对船舶外表面进行喷砂抛丸除锈。对于爬壁机器人的研究, 国内具有代表性的案例有:大连海事大学计算公式设计的基于高压水射流的船舶除锈机器人;浙江大学图4 不下滑分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线研制的用于船舶检测的履带式爬壁机器人。但是, 国内对爬壁机器人的研究均处于初级阶段, 负载仅能达到50 kg~70 kg, 不能满足使用要求。国外具有代表性的案例有:丹麦奥尔堡大学计算公式设计的基于磁轮吸附的油罐裂痕检测机器人;德国研制的福狮牌除锈爬壁机器人。国外爬壁机器人技术仍处于保密状态, 其报价远超出国内船厂的承受范围。

  本文设计了一种新型爬壁式船舶喷砂抛丸除锈设备, 可在任意负角度的船舶壁面工作, 能爬越一定高度的障碍物, 具有较高的工作效率和灵活性, 且除锈过程更加环保。

  1 整体结构

  1.1 整体方案设计

  爬壁机器人吸附在船舶外体表面上, 防尘罩设置在爬壁机器人尾部, 喷枪设置在防尘罩内, 由防尘罩覆盖, 空压机、储砂罐及回收等部分置于地面, 如图1所示。导通电路后, 在高压气喷射引流作用下, 砂料从喷砂抛丸罐内经供砂管路进入喷枪, 喷射到船体表面, 从而达到除锈目的。工人在地面通过遥控器来操控爬壁机器人。防坠器有自锁保护功能。除锈所产生的废料和粉尘被限制在防尘罩内, 经回收管路吸入旋风分离器, 由旋风分离器分离出可利用的大颗粒砂料并落入储砂罐, 储砂罐内的砂料可通过阀门控制落入喷砂抛丸罐内重复利用, 而不可利用的小颗粒粉尘经管道进入滤筒过滤器, 灰尘沉入储尘箱, 达标后的空气排出。

  图1 整体结构

  图1 整体结构

  1-防坠器;2-爬壁机器人;3-防尘罩;4-喷枪;5-旋风分离器;6-风机;7-滤筒除尘器;8-储气罐;9-空压机;10-控制柜;11-遥控器;12-储尘箱;13-储砂罐;14-喷砂抛丸罐

  1.2 爬壁机器人

  爬壁机器人各机构布置如图2所示。履带外侧安装磁吸附单元, 每个磁吸附单元由2个橡胶吸圈与矩形磁铁组成, 橡胶吸盘用于加大与作业表面的摩擦力;两侧各设置一组电机, 通过2个电机的不同转速和转向实现爬壁机器人的转弯和进退, 电机输出端设置减速器;防尘罩安装在爬壁机器人底盘上, 底部设置优质弹性橡胶圈, 与工作表面保持接触计算 公式, 喷枪设置在防尘罩腔内。

  图2 爬壁机器人各机构布置图

  图2 爬壁机器人各机构布置图

  2 爬壁机器人静力分析

  爬壁机器人自重70 kg, 其负载主要为喷砂抛丸管路和回收管路, 随爬行高度增加而增大。为增加负载能力, 在爬壁机器人前端设计一个吸力为400 n的辅助吸盘, 吸盘底面略高于船舶壁面, 即与船舶壁面之间不存在摩擦力, 仅提供吸附力, 具体受力情况见图3。

  图3 爬壁机器人受力分析图

  图3 爬壁机器人受力分析图

  2.1 不下滑受力分析

  爬壁机器人在负角度的壁面静止时, 要克服向下滑的趋势, 需要满足以下条件计算公式:
计算公式
  式中:ff为爬壁机器人与壁面之间的摩擦力。

  考虑船舶壁面一般有负角度面, 爬壁机器人在其壁面爬行时受自身转矩、负载转矩、喷砂抛丸反冲力、负压吸附力及辅助吸盘吸附力的影响, 每个磁吸附单元与壁面之间的实际支撑力与吸附力不相等。因此, 对每个磁吸附单元在垂直壁面方向上的受力平衡分析为
计算公式
  式中:fni为第i个磁吸附单元与船舶壁面之间的支撑力;n为单侧履带与船舶壁面接触的磁吸附单元个数, n=20;fm为单个磁吸附单元吸附力。

  爬壁机器人与壁面之间的摩擦力为:
计算公式
  式中:μ为履带与船舶壁面的摩擦因数, 履带摩擦部分由橡胶和永磁铁组成, 橡胶与船舶壁面摩擦因数为0.8, 永磁铁与船舶壁面摩擦因数为0.2, 为保险起见, 摩擦因数取μ=0.2。

  由式 (2) 整理可得单个磁吸附单元所受支撑力fni的表达式, 进而可得单侧履带所受总的支撑力:
计算公式
  由式 (1) 、式 (3) 和式 (4) 可以得出, 爬壁机器人在船舶壁面静止时, 为保证其不下滑, 可以承受的最大负载为
计算公式
  船舶壁面角度变化范围为0°~90°, 单个磁吸附单元磁力变化范围设为0~400 n, 负载变化范围为0~10 kn。由于爬壁机器人受喷砂抛丸反冲力与负压吸附力的方向相反、力度大小相近, 因此对其负载能力的影响很小, 在仿真时可将其忽略。已知参数:la=0.25 m, lb=0.1 m, l1=0.25 m, 将各参数代入式 (5) 并对其进行仿真分析, 得到如图4所示的负载、单个磁吸附单元磁力与船舶壁面倾斜角度之间的关系曲面图。从图4可以看出:任意船舶壁面倾斜角度下, 爬壁机器人的负载能力随单个磁吸附单元磁力增大而增大;单个磁吸附单元磁力相同时, 爬壁机器人负载能力随壁面倾斜角度增大而增大, 壁面垂直时为最危险角度, 可承受的负载最小;壁面倾斜角度越大, 吸附单元磁力变化对负载能力的影响也越大。

  图4 不下滑分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线

  图4 不下滑分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线

  2.2 不翻转受力分析

  爬壁机器人的行走机构为履带行走机构, 磁吸附单元安装在履带行走机构上, 为铰链式柔性连接, 不传递转矩, 所以爬壁机器人在绕a点后翻过程中, 首先从最上面一个磁吸附单元开始掀开。只要保证最上面的磁吸附单元不掀起图5 不翻转分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线, 爬壁机器人就不会后翻。对a点取矩, 由最上面一个磁吸附单元的吸附力fm1、负压吸附力和辅助吸盘吸附力提供抗倾覆力矩, 爬壁机器人自重ga、负载gb和喷砂抛丸反冲力fy提供倾覆力矩, 得到以下关系:
计算公式
  式中:ha为机器人本体重心与船舶壁面的距离, ha=0.09 m;hb为机器人负载重心与船舶壁面的距离, hb=0.1 m。

  为保证爬壁机器人不翻转, 最上面一个磁吸附单元与船舶壁面之间的支撑力必须不小于0, 即:
计算 公式
  整理式 (6) 和式 (7) 得到, 爬壁机器人在船舶壁面静止时, 为保证其不翻转, 可承受的最大负载:
计算公式
  不翻转受力分析与不下滑平衡分析条件相同, 忽略负压吸附力和喷砂抛丸反冲力, 将各参数代入式 (8) 并对其进行仿真分析, 得到如图5所示的负载、单个磁吸附单元磁力与船舶倾斜角度之间的关系曲面图。从图5可以看出:在任意倾斜角度下, 爬壁机器人负载能力仍随单个吸附单元磁力增大而增大;单个磁吸附单元磁力相同时, 爬壁机器人负载能力随壁面倾斜角度的增大而先减小后增大。

  图5 不翻转分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线

  图5 不翻转分析中负载、磁吸附力及倾斜角之间的关系曲线

  2.3 静力综合分析

  结合履带尺寸, 初步设计磁吸附单元。选用两个35 mm×20 mm×10 mm钕铁硼矩形磁铁块对接安装, 用螺钉固定, 立方体钕铁硼永磁铁与铁磁性物质表面直接接触时, 吸引力计算公式为式中:fm为吸引力, n;br为剩磁, 对于n48钕铁硼永磁铁, br约为1.4 t;h为磁铁高度, cm;a为磁铁极面面积, cm2。
计算公式
  去除螺钉的外漏截面面积, 将参数代入式 (9) 得到每块矩形永磁铁吸力为194 n, 则一个磁吸附单元吸力为388 n, 以下分析中皆将单个磁吸附单元磁力设为388 n。

  将各数据代入式 (5) 和式 (8) 并进行仿真分析, 可以得到静态平衡分析中爬壁机器人负载与壁面倾斜角度之间的关系曲线图, 如图6所示。从图6可以看出:不下滑平衡分析中最危险角度为0°, 此时爬壁机器人可以负载的重力最小, 为2 484 n;不翻转平衡分析中最危险角度为52.1°, 此时可以负载的重力为3 212.9 n。因此, 若要保证爬壁机器人静态平衡, 其负载不能超过2 484 n。

  图6 静力分析中所需磁力与倾角关系曲线图

  图6 静力分析中所需磁力与倾角关系曲线图

  3 爬壁机器人动力分析

  3.1 匀速上爬分析

  假设爬壁机器人在匀速上爬的过程中不发生打滑, 则与船舶壁面接触的磁吸附单元在任意时刻相对于壁面的速度都为0, 即相对于壁面都是静止的。因此, 匀速上爬过程中, 单侧电机及对应的减速器输出的力矩需克服最下面一个磁吸附单元产生的阻力矩和爬壁机器人自重及其负载产生的力矩:

  式中:mq为单侧电机及对应的减速器输出的力矩;mz为单侧最下面一个磁吸附单元产生的阻力矩;mga为爬壁机器人自重产生的阻力矩;mgb为爬壁机器人负载产生的阻力矩。

  爬壁机器人自重及负载产生的力矩分别为

  上述爬壁机器人在船舶壁面爬行时, 每个磁吸附单元与壁面之间的实际支撑力与吸附力不相等, 将i=n代入式 (2) 可得第n个磁吸附单元的实际支撑力:

  式中:fnn为最下面一个磁吸附单元与船舶壁面间的实际支撑力。

  由实际支撑力与吸附力产生的阻力矩:

  式中:b为最下面一个磁吸附单元上支撑力与吸附力之间的距离。

  整理式 (10) ~式 (15) , 得到上爬时单侧电机及减速器输出转矩需要满足的条件:

  3.2 转弯分析

  爬壁机器人转弯平衡受力可视为刚体的平面运动, 爬壁机器人转弯实际上是履带横向滑移的过程, 由于两侧履带受力情况相同, 这里只对单侧履带的受力情况进行分析, 瞬态受力分析如图7所示。运动中, 履带存在一个瞬心o1, 在该瞬时可以视为与壁面接触的履带围绕其瞬心转动计算公式, 牵连速度为v1, 在转弯过程中存在一个转弯半径r (0≤r≤b/2) , 转弯半径为0时, 相对瞬心为o点, 两侧牵连速度大小相等、方向相反, 此时需要电机及减速器输出的转矩最小;转弯过程中单侧v1为0时, 转弯半径达到最大值b/2, 此时相对速度瞬心为o1, 需要电机及减速器输出转矩最大。

  图7 机器人转弯时的单侧履带受力分析图

  图7 机器人转弯时的单侧履带受力分析图

  从图7的动态平衡分析可以看出:要实现爬壁机器人转弯, 必须由驱动力矩克服两侧履带与船舶壁面间的摩擦力产生的阻力矩mf以及自重和负载产生的滚动阻力矩mg, mq1驱动力矩则是由电机及减速器输出转矩mq作用于履带上的驱动力fq提供。

  式中:r为驱动轮半径, r=0.07 m。

  每个磁吸附单元的摩擦力和摩擦阻力矩分别为

  式中:ffi为第i个磁吸附单元的摩擦力。

  整理式 (2) 、式 (18) 、式 (20) ~式 (22) 可以得到摩擦阻力矩:

  式中:li为机器人中心沿船舶壁面与第i个磁吸附单元中心的距离。

  整理式 (17) ~式 (20) 、式 (23) 可以得到爬壁机器人转弯所需单侧电机及减速器输出转矩至少为

  转弯半径r=b/2时, 需要输出转矩最大, 将其代入式 (24) 并结合式 (25) 可以得到爬壁机器人转弯所需单侧电机及减速器输出转矩至少为

  3.3 动力仿真分析

  动态分析中, 负载重力取最大负载2 484 n, 已知l=0.5 m、b=0.3 m, 分别代入式 (16) 和式 (26) 并对其进行仿真, 得到单侧电机及减速器输出转矩与船舶壁面角度的关系曲线图, 如图8所示。

  图8 爬壁机器人动态平衡分析曲线图

  图8 爬壁机器人动态平衡分析曲线图

  从图8可知:爬壁机器人匀速上爬和转弯所需要的单侧电机及减速器输出转矩都在船舶壁面角度为0°时取得最大值, 即船舶壁面垂直时需要的转矩最大, 且随壁面倾斜角度的增大而减小, 匀速上爬所需转矩最大值为165.5 n·m, 转弯所需转矩最大值为524.3 n·m。因此, 要满足爬壁机器人上爬和转弯所需的电机及减速器输出转矩至少为524.3 n·m。

  将爬壁机器人爬行速度设为0.1 m/s, 又已知驱动轮直径为0.17 m, 输出扭矩为524.3 n·m, 所需电机功率至少为617 w。

  4 爬壁机器人样机及试验

  为验证结果的正确性, 本文研制了磁吸附爬壁机器人, 并在实验室搭建垂直试验平台和-52°试验平台, 分别进行平地爬行、垂直上爬及转弯、爬越障碍物、负载上爬及转弯、负角度爬壁及转弯等试验。样机及试验现场如图9所示。

  试验表明:该爬壁机器人在竖直及负角度的壁面都可以稳定爬行和转弯, 具体参数和试验结果数据如表1所示;运行中可以爬越高度为10 mm的障碍物, 竖直最大爬行速度为0.1 m/s, -52°最大爬行速度为0.13 m/s, 爬行时可负载2个成年人 (约150 kg) , 爬行速度及负载均满足船舶除锈工作要求。

  图9 爬壁机器人样机及试验现场

  图9 爬壁机器人样机及试验现场

  表1 爬壁机器人整体参数及试验结果数据

  表1 爬壁机器人整体参数及试验结果数据

  5 结论

  1) 对爬壁机器人进行不下滑和不翻转静力学平衡分析与仿真, 爬壁角度设为0°~90°, 得到以下结论:任意船舶壁面倾斜角度下, 爬壁机器人的负载能力随单个磁吸附单元磁力增大而增大;不下滑平衡中, 单个磁吸附单元磁力相同时, 爬壁机器人负载能力随壁面倾斜角度增大而增大, 壁面倾斜角度越大, 吸附单元磁力变化对负载能力的影响越大;不翻转平衡中, 爬壁机器人负载能力随壁面倾斜角度的增大而先减小后增大。

  2) 将单个磁吸附单元设为由2个35 mm×20 mm×10 mm矩形磁铁块磁铁对接组成, 其磁力为388 n, 前方辅助吸盘吸附力为400 n, 得到以下结论:不下滑平衡分析中, 最危险角度为0°, 此时爬壁机器人负载2 484 n;不翻转平衡分析中, 最危险角度为52.1°, 此时可以负载的重力为3 212.9 n。

  3) 对爬壁机器人进行动力仿真及分析, 结果表明:上爬和转弯皆为壁面垂直时, 需要电机及减速器的转矩最大, 匀速上爬所需转矩为165.5 n·m, 转弯时所需转矩为524.3 n·m。

  4) 研制爬壁机器人样机并进行爬壁及转弯等试验, 结果表明:爬壁机器人在-52°壁面爬行时速度最大值为0.13 m/s, 垂直爬行时为0.1 m/s, 可以爬越高度为10 mm的障碍物, 竖直爬行时可负载2个成年人 (约150 kg) , 满足船舶除锈工作要求。
本文来源青岛华盛泰抛丸机:/jishu/1174.html
鲁ICP备19039603号-1 技术支撑:青岛seo网络工作室
XML 地图 | Sitemap 地图