旋转式柔性船体表面水下自动清扫机

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1、旋转式柔性船体表面水下自动清扫机第一部分 产品研制的背景、目的和意义 1.1产品研制的背景：伴随着海洋经济的发展，我国也加大了对海洋的重视程度，因此各种轮船也随之生产出来，不过由于轮船是在水里航行，因此海洋上的各种小型水生物会吸附在船体,尤其是藤壶等。藤壶 吸附在船体表面会导致轮船在行驶过程中阻力增大，增加轮船在 行驶时的油耗，也污染了环境。因此必须对藤壶等小型水生物进 行处理。当前随着海洋的开发和能源的开采，各种用于海洋开发和运 输的船舶被制造出来，2013 年世界造船完工量一共为10757 万载 重吨而在 2013 年，我国造船完工量4534 万载重吨，而一旦一艘 船舶粘附上藻类或藤壶，其

2、速度会减少 10%，而耗油量会上升40%。 全球船舶业每年为此需耗资近一百亿美元。因此船体表面清扫事 业前景广阔，大有作为。目前为了清扫船体表面分为化学方法和物理方法，而化学方法 一般为通过研制一些特殊的材料或者物质来驱赶藤壶，不过由于 材料的磨损和溶解导致海水被污染，并且当材料溶解完全时，藤 壶等水生物又会吸附在船体表面。而物理方法则为通过一些清扫 机构在船体表面进行船体表面的清扫，以达到船体表面的清扫作 用。而通过清扫机构清扫有两种，一种为人工方式，通过手持清 扫器在船体表面进行清扫，另一种则是通过自动清扫机构进行清扫，人工进行船体表面清扫效率不高，而且成本比较高，而自动清扫机构则可以提高

3、工作效率，并且清扫的成本会非常低。因此 自动清扫机构更符合要求。1.2 市场需求分析：对市场需求进行细化分析，包括市场定位，需求量，基本技术要 求，竞争环境情况。随着未来我国的海洋战略的深入，各种船舶的数量必将越来越 多，据估计2015年新船成交量可能为8000万载重吨的水平，。 新船完工量将在 1.1 亿载重吨左右，手持订单量将为2.82 亿 载重吨水平。成交金额将达到400 亿美元，虽然与去年水平相 比略低，但是船舶总量还是相当乐观的。因此我国的船舶制造 空间依然很大，对船舶的清扫需求也在增大。1.3 产品研制的目的和意义：履带清扫机构是物理清扫方式中的重要方式，在清扫过程中，由工作人员将

4、清扫机构放在船体表面，并通过电缆来控制清扫机构的运动，并通过其清扫盘进行船体表面的清扫工作。该清扫 机构的制造和技术要求都不高，对船体表面的清扫设备的开发 有很大的作用，对我国海洋战略有很大的意义。1. 促进我过船体表面清扫的技术，促进我过海洋资源的开发。 保护海洋环境。我国船舶的制造已经上升为全球第一，而我国的港口吞吐量也达到了世界第一，为了在船舶的航运和制造中继续前进， 必须掌握船舶的相关产业的核心技术。否则我过将受制于人。2. 提升我国船舶相关产业的水平。通过对船体表面的清扫的研究可以减少船舶的能耗，并且保 护了环境，对于我国船舶的相关产业有着巨大的推动作用。3. 提高我省船舶相关产业的

5、行业竞争力： 江苏省已经成为我国重要的海工装备产业基地之一，其 2010 年的造船总量占全国的 14%，产值突破 1000 亿元，成为仅次 于上海的全国第二大造船基地，海工装备佔国内市场份额的 1/3，产品覆盖从近海到深海的所有种类，在品种及数量上 居国内领先地位。虽然江苏省已确立了装备研制和产业化大 省的地位，但其海工服务产业的从事企业数量和规模相比天 津、上海等地还较小，本项目通过减少船舶的能耗，提高能 源利用率来增加市场竞争力。4. 推动我省传统产业结构调整，通过产学研增强企业自主创 新能力江苏省是我国的经济大省，也是船舶海工装备制造业大省 面临全球性经济复杂多变，行业一直处于转型的周期

6、性调 整。华西村作为我国新农村的代表，被赞誉为 天下第一 村，集团公司也正积极寻求产业转型。海洋工程项目涉 及专业学科多，需要集中相关优秀人才和先进技术设备， 形成政府、科研机构和产业部门三位一体的形成联合开发 机制，利用各自的技术优势。本项目的实施将发挥华西村 的骨干带头和示范效应，实现我国船舶清扫方式的自主创 新和重点跨越，在发展上获得主动权5. 培养企业科技创新型人才项目的研制开发将充分发挥高校和企业海工人才的学术带头人 作用，企业通过与江苏科技大学在技术、人才上的合作与交流，在攻 克技术的同时，可培养一批科技创新型人才，创造更好的海工科研环 境和条件，为企业持续发展提供人才保障。第二部

7、分 产品研制的技术路线通过对船体表面清扫机产品开发技术路线的全面探讨，深入研 究分析了清扫机产品的研制难点。围绕着清扫机产品设计及水下船体 表面作业的实施难点进行了大量研究，运用一一对应、系统组合、技 术借鉴、技术整合和技术创新等手段，基本完成了产品开发的技术路 线设计，解决了项目研制的关键技术难点问题，为产品的生产奠定了 坚实的基础。针对产品研发的关键技术主要采取以下技术方案进行解 决。（1）船体表面清扫机总体方案设计在针对船体附着物及基本清扫方式的分析基础上，分析了国 内外现有的研究状况，研究了水下船体表面清扫机的工作原理， 讨论了清扫机的功能要求，提出了合理的工作过程及总体方案， 根据水

8、下船体表面工作状况的要求设计了合理的结构。（2）清扫机行走机构的设计清扫机要承当检测和清扫所用的工具，加上其本身的重量， 行走机构的负重会很大，同时清扫机的工作环境是水下船体表面， 随着清扫机的行走，其吸附在船体表面与水平线的夹角会在 0 至 90内变化，受力状况也会随角度不断变化；另外，清扫机工 作时始终受到海流运动产生的作用力，因此行走机构必须精心设 计。这里详细分析了：在清扫机行走方向与重力方向共面的特殊 情况下，清扫机在船体表面角度为 0到 90时静态和动态时的 受力状况，静态受力和动态受力又分别分析了清扫机沿一点翻转、 沿壁下滑和沿壁下滚三种整体受力失去平衡的状况；以及清扫机 在一般

9、工作状态下的受力状况，并进一步根据整体能够稳定工作 的条件来分析清扫机行走机构所需要的动力。（3）清扫机关键结构强度分析清扫机在实施清扫作业时，受到包括海流运动产生的作用 力，船体表面对永磁铁吸附模块产生的反作用力，清扫盘高速旋转受 到附着物对其的反作用力，清扫模块在不同角度或工作状态下对行走 机构的作用力等复杂的环境载荷、工作载荷及内力的作用，因此结构 设计完成后需要进行力学分析和强度校核，从而验证结构详细设计的 正确性。并利用机械优化理论及有限元分析方法对清扫机关键结构进行了强度校核及优化分析，证明清机机械结构具有较高的可靠性。（4）清扫机构的设计电机与清扫转盘模块通过联轴器进行固定连接，

10、清扫盘转 盘主体与中心柱经桨叶辐条通过螺栓进行固定连接，桨叶辐条在 转盘主体与中心柱间程均匀分布。一组多个组合转子通过螺栓分 别旋转连接于桨叶辐条下方，一根桨叶辐条均匀分布 2 个组合转 子。组合刀具亦通过螺栓固定连接在转盘主体下方且呈内外俩圈 分布，内外圈皆为 5 个组合刀具呈均匀分布；刷盘（可更换）通 过螺栓固定连接于转盘主体下方。当为电机为清扫转盘模块提供 动力时，清扫转盘模块旋转开始清扫，刷盘先接触船体表面，开 始清除柔性如青苔海藻类生物；组合刀具与刷盘有 6mm 高度差后 接触船体表面，随转盘的旋转来去除硬质附着物如贝类等；组合 转子亦与组合刀具有 6mm 高度差最后接触船体表面，开

11、始对刷盘 与组合刀具未能除去的附着开始清除尤其是藤壶类难以去除的硬 质附着物，组合转子利用转盘的转动从而利用自身惯性来对硬质 附着物进行柔性反复式敲击，从而达到清除而不伤船体的目的。 同时桨叶辐条在为组合转子提供工作平台之时还以因其桨叶性质 将转盘与船体之间的污水排出之余更为模块整体提供了副压力， 使模块吸附更稳定。第四部分 技术关键及解决途径由于旋转式柔性船体表面水下自动清扫机的应用条件复杂，对产 品的整体性能要求很高。在产品的研制过程中遇到诸多技术难点，如 清扫机行走机构的设计、关键结构强度分析、清扫机构的结构优化等。 针对各项关键技术采取了科学的设计理念和手段逐一解决。4.1.清扫机总体

12、方案设计4.1.1工作原理旋转式柔性船体表面水下自动清扫机是一种采用磁吸附爬壁机 器人作为运载体，配备清扫、探测机构或仪器用于水下船体表面清扫 的机械设备。目前市场上船体清扫一般都是人工清扫或是机器人清扫 但依靠人工清扫依然是主要途径，但人工清扫效率低，坞内清扫则严 重影响了船舶的经济效益，而人工水下清扫则更是有安全风险。相比 之下，机器人水下清扫更加便捷，可以提高清扫效率，不影响船舶的 正常航行，大大降低了清扫成本，所以使用机器人清扫船舶是目前发 展的一个主流方向。旋转式柔性船体清扫机的基本工作原理是利用高速旋转的清扫 盘将船体表面藤壶类的附着物清理掉。在施工过程中，首先清扫机通 过磁吸附履

13、带行走机构移动到船体表面的水下待清理区，通过履带承 载台上的摄像头和探照灯拍摄清扫机前方的状况，并将画面实时传输 到计算机供人观察，与此同时清扫电机开始不断运转，带动清扫盘转 动并清扫，清扫盘边缘部分由清扫刷和橡胶铲构成，可清扫掉各种疏 松的附着物；清扫盘内部由若干个柔性转子组成，可通过转动撞击并 清扫掉藤壶等坚硬的石灰质附着物。陆地上的人可以通过观察到的画 面控制清扫机往需要清扫的区域移动，从而实现清扫。4.1.2 工作过程因为旋转式柔性船体清扫机是在水下的船体表面作业，所以清扫 机在整个工作过程中，在海下现场是不可能有人为的干预和调整，所 以只能靠水下远程监测以及通过控制系统进行远程控制来

14、调整清扫 机的工作形态来完成作业任务。其工作过程大致如下：第一步：将清扫机在关机状态下缓慢地贴合在船体表面，因永磁 铁吸力较大，需要以此减轻永磁铁和船壁吸附时的碰撞及对二者带来 的损伤。第二步：打开清扫机构和行走机构的动力，使清扫盘开始不停地 匀速转动，并通过控制系统远程控制磁吸附履带开始低速平稳地行走 进入水下待清扫区。第三步：履带承载台上装有探测系统，通过探照灯照明清扫机前 方船壁状况，由摄像头进行拍摄并实时传输到计算机，陆地上的人以 此实现对待清扫区域的远程监测，进而控制清扫机往需要清扫的方向 移动并清扫。4.1.3功能要求及总体方案根据上述旋转式柔性船体清扫机的工作原理和工作过程，结合

15、 相应的技术要求和指标，得出了旋转式柔性船体清扫机的功能要求及方案：1、结构：由于旋转式柔性船体清扫机的负重较大，在水下船 壁工作时又有各种苛刻的受力状况，为了能使清扫机始终稳定地吸附 在船壁工作，防止倾覆，应尽量减轻行走机构的重量，同时又具备良 好的稳定性，所以行走机构的框架采用铝合金板材拼接而成，使结构 部件内部留空，并采用螺栓联接的方式，易于拆装，加工易于实现。 在满足清扫模块安装和工作质量要求的同时，又能够保证整体结构的 稳定，并且便于加工制造和改装升级；另外，船壁上有许多凸起的焊 缝，为了使清扫机更好的适应焊缝，防止经过焊缝时发生倾覆，行走 机构上加装了抗倾覆机构。2、磁吸附方式：磁

16、吸附爬壁机器人的吸附方式可分为车轮式、 吸盘式、履带式和步行式。旋转式柔性船体清扫机负重较大，需要在 倒置在不同的倾角的情况下工作，同时又要有越过焊缝的能力，综合 各种要求，选用履带式是较好的方案。吸附功能通过双履带来实现， 在每条履带上各用螺钉联接上两列永磁铁，每条履带有近一半的永磁 铁与壁面处于良好的接触状态，从而使清扫机贴附在壁面上。对于磁 性材料的选择，经综合分析和比较，选择磁性很强的钕铁硼材料，由 于在履带运动时钕铁硼材料需要与船壁直接接触并且是浸泡在海水 中，而钕铁硼材料较脆易碎且易被腐蚀，所以需要对钕铁硼进行镀镍 防锈，另外为了磁铁放裂，还需要对钕铁硼做一些防护处理，可以加 装碳

17、纤维套或是缠绕上一层凯夫拉线并涂胶水高温固化。3、驱动方式：驱动方式包含行走机构的驱动和清扫机构的驱 动。行走机构采用步进式电机驱动，在履带的左右两个驱动链轮内侧 分别分布一个步进式电机，实行单独控制，步进式电机体积小、功率 大，可以在为行走机构提供足够的转矩的同时节省空间；通过驱动器 控制步进式电机的转动，可以在不同的工作状况下提供所需要的转速 和转矩，大大提高清扫机的实用性；左右电机由于是单独控制，因此 可以实现左右驱动链轮的差速转向。清扫机构只需给清扫盘提供一个 恒定的转速，所以采用一个满足转速要求的三相异步电动机。5、控制系统：为了满足旋转式柔性船体清扫机的一系列作业 功能，一是控制系

18、统能控制各个电机使其能完成清扫工作；二是对各 种紧急情况应有及时的应对方案和措施。1.清扫机本体；2.水下探测摄像头及探照灯； 3.图像接收器；4. 清扫电机外接电源；5.右步进电机驱动器；6.左步进电机驱动器图 4 - 1 - 1 旋转式柔性船体清扫机系统示意图图 4-1 所示为旋转式柔性船体清扫机的系统示意图。旋转式柔性 船体清扫机系统包含水下探测摄像头、探照灯、图像接收器、清扫电 机外接电源、左右步进电机驱动器。其中探照灯和摄像头一体，位于 行走机构的负载平台上，呈左右分布，通过探照灯找亮清扫机前方待 清扫区域，由水下探测摄像头拍摄并实时远程传输给图像接收器，以 供人观察水下船壁状况；清

19、扫电机外接电源通过电线与水下清扫机连 通，为清扫机构提供电力，两个步进电机驱动器分别与左右步进电机 连接，人通过远程控制两个驱动器来分别控制两个步进电机的功率和 转速，从而实现履带的前进和转弯。6.清扫机本体结构：考虑到旋转式柔性船体清扫机的设计要求、 工作原理、总体方案和加工的复杂度，旋转式柔性船体清扫机的本体 结构如图 4-1-2 所示。（a）正视图（b）侧视图1.履带；2.钕铁硼永磁块；3.水下探测摄像头及探照灯；4.清扫机构电 机;5.行走机构负载板；6.抗倾覆杠杆；7.纵梁；8.横梁；9.步进式电机； 10.清扫盘图 4 -1-2 旋转式柔性船体清扫机本体结构清扫机本体包含有左右两个

20、履带，履带结构为一个驱动链轮、一 个从动轮和两个承重轮四轮一字排开的形式，使履带与船壁有更大的 接触面积，获得更大的磁吸附力；每个链节外表面用螺钉固联了左右 两块永磁体矩形块，永磁铁都经过镀镍和加装碳纤维套的处理，起到 防裂防腐蚀的作用；履带上除驱动轮外的三个轮子都通过轮轴固联在 横梁上，驱动轮通过联轴器与固定在横梁上的步进电机联接；左右横 梁上从前至后分别对称分布三个纵梁，纵梁通过螺栓联接的方式与横 梁固联，分布在中间和后方的四个纵梁上通过螺栓固联一块承载板； 在承载板上固定放置清扫机构的电机和探测模块的水下摄像头及探 照灯，清扫盘通过花键联接固联在电机轴上；另外，为了保证清扫机 的稳定行走

21、，在左右两边纵梁上还分别架置了一个抗倾覆杠杆，抗倾 覆杠杆又两根相同的杆铰接而成，支点为焊接在后方纵梁上的一个铰 接支座，杠杆后端通过铰接接头联接了一个由钢性弹簧和柱状磁轮组 成的弹性磁轮，杠杆前端铰接了一个橡胶推杆，并且推杆工作时的力 作用在前方的纵梁上，当焊缝位于履带前端时，受钢性弹簧压缩作用 船壁会对杠杆后端产生一个支持力，利用杠杆原理清扫机前端会受到 一个较大的压力；而当焊缝位于履带后方时，清扫机后端虽被焊缝顶 起，但受柱状磁轮的磁吸附力作用依然会对清扫机后方产生一个压力 进而使清扫机能安全通过焊缝。4.2 清扫机行走机构的设计清扫机在实施水下清扫作业时，受到复杂的环境荷载、工作荷载

22、及内力的作用。在这些荷载的联合作用下，必须保证其稳定性。因此， 有必要在设计阶段对其受力进行分析，以确定其正常工作所需的牵引 力和磁吸附力。4.2.1 特殊状态静力学分析清扫机在特殊状态工作时，即其前进方向与清扫机重力方向共面 时，其吸附在船壁上与水平方向的夹角在0至 90内变化，工作状 态可分为静止吸附和动态行走两种，由于清扫机整体结构左右对称， 因此简化分析履带的一侧。清扫机特殊状态下静止在船壁上的受力状 况如图 4-2-1所示。图 4-2 -1 清扫机特殊状态静态受力图a.船壁示意图；H.清扫机重心高度；h.重心与履带中心线的垂 直距离；A.清扫机倾覆支点；L.A点与重心线的垂直距离；a

23、 . 清扫机倾斜角度；G.清扫机总重力(包括抗倾覆机构)的一半 与浮力之和；F.该侧与船壁吸附的磁体产生的总磁力；Fr.履带 与壁面的最大静摩擦力；N.船壁的支持力；M.步进电机保持转 矩；r.驱动轮半径；Fa.水流对清扫机的负压力(a)防滑落静力分析由于存在F与M两个变量，所以分析时需对其进行控制。分析防 滑落时，令M足够大的，即步进电机能够提供足够大的保持转矩保证 驱动轮在受外力矩作用下不发生转动；同时简化力学模型，将与船壁 接触的磁铁总的吸力等效为作用在履带中心的集中作用力F；将履带 与船壁的摩擦力Fr定义为最大静摩擦力，只要Fr不小于沿船壁方向 的分力，通过该临界值即得出磁铁所需要的吸

24、附力F。根据清扫机在沿船壁方向上的受力平衡，得出避免清扫机滑落失 效的条件是：Fr-Gsin a$0F-Gcos a -Fa$0 Fa二 n D2/8* PVc2Fr和(F-Gcosa)GsinaF上Gcosa + n D2/8*pVC2 且 F$(Gsina/)+ Gcos a(b)防倾覆力矩分析清扫机发生倾覆失效时的临界状态为清扫机大部分脱离船壁， 仅以最下方从动轮与船壁的接触点为支点的状态，定义这一支点为 A,并对A取矩，同样令M足够大，对图4-2T所示受力分析，临界条 件为：F (L+h) - (hG sina+L Gcosa) -Fa*L$0.*.F(hG sin a +L Gcos

25、 a+Ln D2/8*pVC2)/(L+h)(c) 防滚动分析 分析清扫机静态下滚动失效时，应排除其他两种失效情况的影响 即F足够大，磁铁能提供足够的吸力和沿船壁的摩擦力使清扫机不会 发生滑动和倾覆。履带发生滚动时是以驱动轮的轴心为支点，因此对 驱动轮的轴心取矩，对图4-2-1所示受力分析，临界条件为：M上G sina(H-r) -Gcosa(L+2h)综合三种静态条件下防止失效的临界条件，可以得出静态条件下 F和M的大小。4.2.2特殊状态运动的受力分析清扫机构在船体表面处于静止状态时，受重力G,船体表面与履 带之间的磁吸附力Fmi,船体表面对履带的支持力Ni,船体表面与履 带之间的静摩擦力

26、Ff以及清扫机构与船舶一起做升沉运动过程中在 Z方向的受力Fzz,清扫机构在水中受到的浮力Fb,令Fz二G+Fzz-Fb。清扫机构的运动状态主要是沿船体表面从上往下运动，再从下往 上运动。清扫机构运动时除了受到静止时所受的力以外，还要受到和 运动方向相反的海水阻力的作用以及每条履带行动装置产生的阻力 的作用。下面分两种情况来分析清扫机构运动时的受力状况。1.清扫机构沿船体表面从上往下运动，其受力情况如图 4-2-2 所示图 4-2 -2要使清扫机构沿船体表面匀速向下移动,步进电机和减速器必须产生制动力矩Mt和阻力矩Mr的作用，对A点取矩有：式中:Fk-每条履带的行动装置阻力(N);Fr-海水阻

27、力(N)。Fk的大小取决于清扫机构的自重、履带的内部张力和移动速度, 其值约为清扫机构自重的3-8%。海水阻力Fr的大小：式中：s-机器人表面积()；v机器人移动速度(m/s);c-阻力系数,c=0.25。令,则2.清扫机构沿船体表面从下往上运动，其受力图如图4-2-3所示图 4-2 -3要想使清扫机构匀速向上移动,步进电机和减速器提供的驱动力 矩Mq应克服履带最上边一个磁块的Fm1和形成的阻力矩及其它外力形成的阻力矩的作用，对B点取矩有令，则4.2.3 一般状态的受力分析清扫机的一般工作状态为沿着船舶表面同一高度的直线方 向进行清扫，其前进方向与清扫机重力方向垂直，清扫机与船壁所成 夹角在0

28、到90内变化，工作状态分为静态和动态，但由于驱动轮 力矩所在平面与该处受力分析所在平面垂直，所以驱动轮力矩对此处 受力无影响，因此静态与动态时此平面的受力相同。清扫机一般工作 状态下在船壁上的受力状态如下图4-2-4。图 4- 2 -4 清扫机一般工作状态受力图G清扫机总重力（包含抗倾覆机构）与浮力之和；清扫机与 竖直位置夹角；H.重心高度；F.左右每排履带磁铁的磁吸附； Fr.左右每排履带与船壁的摩擦力；Fa.水流对清扫机的反作用 力；d.左右履带中心的距离；N.船壁对清扫机支持力根据清扫机在此工作状态下，沿船壁方向防止下滑的受力平衡和防止沿A点倾覆的力矩平衡，得出防止受力失效的条件为： 受

29、力平衡：2F+Fa上G*sin &2Fr上G*cosB； 2Fr=2F+Fa- G*sinB力矩平衡：F*d+Fr*d/2$H*G* cos & + (d/2) * G*sin &综合上述条件得：F$(G*sinB- Fa)/2;F$(G*sinB+ G*cosB-Fa) /2；F上 (H*G* cos P + (d/2) * G*sinP - Fr*d/2) /d;其中：2Fr=2F+Fa- G*sin P ; Fa= n D2/8*pVC2由此得出，一般工作状态下清扫机对履带磁吸附力大小的要求。4.3 清扫机关键结构强度分析 由于清扫机器的电机承重板和支架部位是主要的受力部位。因此需对 该

30、关键部位进行有限元分析。4.3.1 履带承重板的有限元分析从solidworks中导入电机承重板，如图4T所示。滑撬所用的材 料为不锈钢，材料弹性模量为1.93X105 MPa,泊松比为0.31。采用 自由网格划分，电机承重板的网格图如4-2所示。根据电机承重板的 工作状态施加模型的约束和工作载荷：固定约束电机承重板四个角的 孔，对电机承重板的上面圆环施加压力；根据电机重量可知，电机的 重量是240N，因此在电机承重板施加240N的载荷，载荷图如图4-3 所示。图4-1电机承重板的模型图图4-2电机承重板的网格图图4-3电机承重板的载荷图由于载荷集中作用在电机承重板中的圆环上，对其进行有限元分

31、 析。应力和变形图见图4-4和图4-5图4-4电机承重板的Von Mises应力图4-5电机承重板的变形由总位移图可知，电机承重板的最大位移为0.033034，并且出 现在电机承重板受力圆孔的外侧，但相对于电机承重板整体来说数值 很小。由应力云图可知，最大应力值为18.94MPa，与所用材料不锈 钢的屈服极限应力235MPa相比较小，满足强度要求。所以，由分析 结果可得出，电机承重板结构的强度和刚度满足设计要求。4.3.2履带支架的有限元分析 通过对支架受力分析，发现是主要受力部件。支架材料为铝合金， 弹性模量7.1X104 MPa，泊松比卩=0.33。通过力学分析每个支架上 部竖直方向载荷大

32、小60N,考虑安全因数，所以施加100N.支架的网 格划分见图 4-6。载荷主要来自电机承重板和电机的压力，载荷施加 情况如图 4-7，通过 workbench 处理，可以得到支架的变形情况，见 图 4-8 所示。图 4-6 支架的网格划分图 4-7 支架的约束和载荷图 4-8 支架的变形图 4-9 支架的应变图 4-10 支架的应力由变形图可知，最大变形出现在上板的前端，最大是 0.13mm， 可以忽略不计。由支架的应变和应力图可知，支架的最大应变是 9.9291e-5Mpa，并且出现在支架固定约束圆孔的上侧，相对太小。由 应力云图可知，最大应力值为6.8892MPa,与所用材料铝合金的屈服

33、极限应力 280MPa 相比较小，满足强度要求。所以，由分析结果可得出，支架结构材料的强度和刚度满足设计要求。4.4 清扫机构的设计4.4.1 刷盘性能对比及优选刷盘是水下自动清扫比较重要的一部分，刷盘也是直接对船体表面进行接触 的一部分，水下自动清扫机最后清扫的成果亦是由刷盘来决定的。刷盘的种类繁 多如：对船体有很好保护作用的纯毛刷刷盘、对船体上强附着物有很好刮削作用 的弹簧刀式刷盘、有对藤壶等贝壳类生物有着很好敲击作用的固定刀具类刷盘、 以及我们自行设计的复合型柔性刷盘。几种刷盘的简要介绍：(1) 纯毛刷刷盘，此种刷盘是由工程塑料毛刷组成的刷盘，由于工程塑料本 身具有一定的弹性，所以纯毛刷

34、刷盘在清洗比其硬度要高出很多的金属 船体表面时，在能较好地清除海藻类附着物时，还具有不伤害船体表面 的优势。但其对藤壶等贝壳类附着物却起不到很好的清除作用，因此此 刷盘具有一定的局限性。(2) 弹簧刀式刷盘，此种刷盘主体是由弹簧刀组成，并在弹簧刀的空隙间填 充以工程塑料毛刷。此刷盘清洗主体弹簧刀在转盘高速旋转时，贴合船 舶表面对附着物进行切除，并当遇到不可切除物如船体焊缝时由弹簧进 行收回，达到对船体表面以及刀具自身的保护作用，并在弹簧刀作用的 同时工程塑料毛刷也对剩余附着物进行更进一步的清除。但由于刷盘自 身与船体表面距离难以控制，以及弹簧刀对较硬附着物与焊缝判别不清 易导致船体表面刮伤与清

35、除残留。(3) 固定刀具刷盘，此种刷盘主体由固定刀具组成，并在固定刀具空隙间填 充工程塑料毛刷。此种刀具对刀尖做了钝化处理，并不会船体表面产生 损伤，且能利用转盘的高速旋转对藤壶等贝壳类附着物进行敲击以使其 脱落，并在固定刀具作用的同时工程塑料毛刷也对剩余附着物进行更进 一步的清除。但由于刷盘上固定刀具难以识别焊缝，所以会将焊缝作为 附着物处理，这会对船体表面造成伤害。(4) 复合型柔性刷盘，此种刷盘是我们自行设计的，其集中了工程塑料毛刷 、固定刀具、以及核心的转子刀具。此种刷盘相对于固定刀具刷盘增加了 旋转式清洁刀具转子。转子能在遇到较硬附着物时进行回旋式敲击，若其过硬则会反弹并回旋从另一侧

36、进行敲击，从而当遇到焊缝时只进行 柔性敲击，而不损伤焊缝。刷盘性能对比:(1) 纯毛刷刷盘结构简单，只是由工程塑料毛刷组成，对于海藻类柔软附着 物有着很好的效果，但因工程塑料自身的柔性不能对藤壶等贝壳类达到 有效的清扫效果。(2) 弹簧刀式刷盘清扫彻底，由弹簧刀组成的主体不论对柔软藻类，还是贝 壳类都有着较好的清洁效果。但因其与船体距离难以控制等因素，弹簧 刀式刷盘易刮伤船体表面。(3) 固定刀具刷盘针对藤壶等贝壳类附着物具有很好清除效果，其利用转盘 的旋转来对贝壳类附着物进行敲击，但其却不能识别焊缝与附着物，这 可能会对船体表面造成损伤。(4) 复合型柔性刷盘具有特殊的清扫机构转子，由转子对

37、贝类硬质附着物 进行柔性反复式回旋敲击，遇到焊缝时，只会进行敲击，而不刮损船体 表面。清扫指标： 船体表面清扫是有指标要求的，要求完全清除船体表面的海洋生物附着 物，要求不刮伤船体表面，要求不损伤焊缝，同时还要兼顾技术难度和 经济效益，争取技术简单、实用，易于维护。以下为清扫刷盘满足条件：(1) 清扫刷盘无论对于软体还是钙质附着物都要有很好的清扫作用。(2) 清扫刷盘要尽可能的不刮伤船体表面。(3) 若在前瞻技术可以得情况下则需绕过焊缝，若不可以，则需清扫转盘在 清扫焊缝时不损伤焊缝。综合上述清扫转盘性能的对比及清扫船体表面的要求，进行优选，最后从中 选择复合型柔性刷盘进行主要研究。4.4.2

38、清扫盘结构设计花键轴插入中心柱中，花键轴端面与中心柱底面相重合；端盖 （上）与轴端端盖下）固定连接于中心柱上下对花键轴进行上下约束其 中心线重合。转盘主体与中心柱经桨叶辐条通过螺栓进行固定连接且 根桨叶辐条在转盘主体与中心柱间程均匀分布。一组多个组合转子通 过螺栓分别旋转连接于桨叶辐条下方，一根桨叶辐条均匀分布2 个组 合转子。组合刀具亦通过螺栓固定连接在转盘主体下方且呈内外俩圈 分布，内外圈皆为5 个组合刀具呈均匀分布，刷盘（可更换）通过螺 栓固定连接于转盘主体下方。组合刀具由内置支持架于外刀具组成。 转子由四氟乙烯垫圈 转子 锡青铜套组成。4.4.3 清扫盘清扫方式及其力的分析图 4.4.

39、1 清扫盘结构图1.毛刷； 2.组合刀具； 3.组合转子； 4.桨叶辐条（a）组合刀具清扫当转盘旋转开始清扫，刷盘先接触船体表面，开始清除柔性如 青苔海藻类生物；组合刀具与刷盘有6mm高度差，所以后接触船体表 面，随转盘的旋转来去除硬质附着物如贝类等。图 4.4.2 组合刀具清扫示意图A:固定刀具B：被清扫附着物F1: 固定刀具对附着物施加的力F2: 附着物对固定刀具的反作用力(b) 组合转子清扫组合转子亦与组合刀具有 6mm 高度差最后接触船体表面，开始 对刷盘与组合刀具未能除去的附着开始清除尤其是藤壶类难以去除 的硬质附着物，组合转子旋转动力来自于自身惯性，组合转子前端部 分有重物突起，当

40、组合转子遇到附着硬物时会利用其惯性动力进行敲 击，而若一次性敲击不能完全起作用，则转子会反弹进而从另一面进 行敲击，从而达到组合转子反复式柔性敲击。从而达到清除而不伤船 体的目的。 图 4.4.3 组合转子清扫示意图C: 被清扫附着物D：转盘转子F3: 转盘转子对附着物的力F4: 附着物对转盘转子的反作用力(c) 桨叶辐条作用同时桨叶辐条在为组合转子提供工作平台之时还以因其桨叶 性质，将转盘与船体之间的污水排出，同时海水会对模块整体提供了 反向负压力，使模块吸附更稳定。 图 4.4.4 桨叶辐条抽 吸污水示意图W:污水流向E:桨叶辐条F5:水流对桨叶辐条横向压力F6:水流对桨叶辐条向下的负压力

41、制度说明制度是以执行力为保障的。“制度”之所以可以 对个人行为起到约束的作用，是以有效的执行 力为前提的，即有强制力保证其执行和实施， 否则制度的约束力将无从实现，对人们的行为 也将起不到任何的规范作用。只有通过执行的 过程制度才成为现实的制度，就像是一把标 尺，如果没有被用来划线、测量，它将无异于 普通的木条或钢板，只能是可能性的标尺，而 不是现实的标尺。制度亦并非单纯的规则条 文，规则条文是死板的，静态的，而制度是对 人们的行为发生作用的，动态的，而且是操作 灵活，时常变化的。是执行力将规则条文由静 态转变为了动态，赋予了其能动性，使其在执 行中得以实现其约束作用，证明了自己的规 范、调节能力，从而得以被人们遵守，才真正 成为了制度。