新型水下柱状清洗机的设计研究

德州学院机电工程学院 徐逢泽 冉玉梅 刘金科 王正发 高春鑫

关键字：新型水下清洗机；高效；清洁；螺旋线

引言

为了促进港、珠、澳地区的发展，政府修建了港珠澳大桥。为了解决大桥结构的安全性问题，我们需要对桥柱进行清洗。于是我国的企业和大学正在抓紧研发水下柱状清洗装置。但是截至目前国内外对于水下桥柱的清洗问题仍然没有合适的解决方案，在许多地方仍然采用的是人工水下清洗，一方面要考虑水下暗流的危险，另一方面又要避免受到高压水枪的意外危害，这就对操作者带来了极大的危险。所以急需研发一款新型的水下清洗机。

通过对当前市面上存在的水下清洗机及其相关行业的调查，我们发现主要存在以下问题：（1）手工操作的方式效率低，危险系数高，尤其是对于水下十米以下的清洗，需要高超的潜水技术。（2）现在市场上的水下清洗机构大都是清洗平坦的船体，对于清洗桥柱方面还是一片空白。（3）当前市面上的清洗机运动方式大都是直上直下型，效率低下。为了实现对水下清洗机的创新性和技术性的突破，提高运动效率、安全性，改变机器的运动方式，本文设计了一款集合单片机智能控制、水下压力预警和检测以及螺旋形的运动方式为一体的，同时自带辅助夹持机构的新型水下清洗机。

1 水下清洗机的总体设计

水下清洗机由动力装置、控制装置、检测装置、水下预警装置、清洗装置和运动装置六个部分组成。水下清洗机总体的设计流程简图如图1 所示。清洗机接触到水面的时候，通过控制系统远程遥控机器靠近桥柱，当靠近桥柱的时候通过检测装置由控制系统协同配合夹持在桥柱上，利用推力吸附法和仿生吸附法使机器牢牢地贴合在桥柱表面。当夹持装置完成工作后，用左右两侧的推进器令机器旋转起来，之后与上下推进器协同合作实现清洗机的螺旋移动。进入水下后，检测装置、水下预警装置和清洗装置互相配合最终完成清洗工作。在清洗的过程中，如果出现局部清洗不净的状况，检测装置会通过监控器检测到并反馈到控制装置，控制装置命令水洗装置中的高压水枪进行二次清洗，以保证清洗的干净程度。如果在清洗的过程中出现水下暗流或者水压出现异常情况时，机器会立即停止工作，迅速浮向水面，避免出现意外事故。当清洗完成后，用上下推进装置让清洗机垂直向上运动最终浮出水面。

图1

图2

2 功能部分介绍

2.1 控制装置

科学技术不断发展，自动化控制由最初的单片机控制发展到现在PLC 控制，单片机控制比较复杂，逐渐被PLC 所代替。PLC 具有操作简便、上手快等诸多优点。但是为了实现水下自动控制，必须采用无线的方式，并且水下PLC 无线技术还不太成熟。综合考量，为了满足机器的性能因此不得不采用单片机控制。不过由于单片机发展早，各项技术比较成熟，还是具有很大优势的。控制装置需要对机器的各部分做到协同配合，一方面，它需根据检测装置的反馈对机器的动力部分进行适当的调整与控制、对水洗装置发出二次清洗的指令和对运动装置发出规避和躲闪障碍物的指令；另一方面，又要根据机器的水下预警装置及时让整个系统做出紧急预案处理。它是整个机器的大脑，起到无可匹及的作用。

2.2 水洗装置

水下清洗装置分为过滤装置、高压清洗装置及滚刷清洗装置。过滤装置可以满足自身高压水枪的需要，避免浪费水资源。滚刷清洗装置是清洗装置的主体部分，在清洗的过程中起主要作用，它由多个滚刷一起配合，并根据材料的不同更换不同的清洗滚刷，满足了多样化的需求，使得机器的适应性更加广泛。高压清洗部分主要是根据监控装置反馈到控制装置，并由控制装置发出指令，令其对一次清洗不干净的地方进行二次清洗，从而使得机器的功能更加强大。

2.3 运动装置

运动装置包括推进部分和辅助部分。通过不同位置的推进装置以及推进器的运动形式，整合统一实现螺旋式推进方式。辅助部分可以实现运动的辅助作用，极大地减轻回转运动给机器带来的负担。

3 结语

随着科学技术的不断进步，我们要努力学习知识，为解决目前水下桥柱难以清洗这一巨大的困难不断努力，做出自己的最强大的一款产品。下一步研究方向是如何实现多功能水下清洗。