苏ICP备112451047180号-6
一 设计任务书
1.1 水下清刷装置研究的目的
水下清刷作业装置是水下机器人的工作核心，它大大扩大了水下机器人的使用范围，同时也增强了水下机器人的工作能力和实用性。主要目的是对船体水下部分进行高效、连续的清洗，除去附着在船体表面水下部分的水生动物、植物、锈迹、油漆和水垢等，以便对船体水下部分进行喷漆、焊接或安装牺牲阳极。该水下作业装置工作时是由马达带动，通过刷盘连轴器直接带动刷盘旋 转达到清洗的目的。
1.2 研究内容及主要工作
1） 水下清刷作业装置的总体方案
2） 水下清刷装置的机械本体设计
3） 传动装置设计
4） 机架等进行结构分析及设计研究
5） 设计并绘制4张0号图纸
6） 撰写毕业设计说明书一份
二 文献综述
2.1 水下清刷装置研究的意义
二十一世纪以来，全球经济进入高速发展的鼎盛时期。伴随着当今世界经济全球化，海洋运输作为价格低廉、安全可靠的运输方式，成为连接世界各地经济中心的主要渠道。但是我们在利用海洋运输的同时也要充分考虑到制约海上运输的阻力，在运输船的船体表面吸附着各种海洋生物如贝类和藻类生物等。这些常年累积的表面污垢会使船体表面的粗糙度加大，继而增大船舶在航行时候的阻力。据统计,大型油船壳体粗糙度平均增长10m 可导致燃料耗量多增1% ; 而粗糙度增长25m, 燃料耗量多增加25%。据调查发现，一艘载重50000吨的远洋运输船，如果定期清洗每四个月对船体清洗一次的话，一年就会节省1000吨燃油，这样大大节省了运输成本。因此，船体的清理在海上运输中成为了至关重要的一环。
而一些国家和地区出现了潜水员手持清刷装置在水下作业的情况，这种清洗方式不但工作效率低下而且考验着潜水员的身体素质和工作经验，甚至危及潜水员的生命健康。在此情况下，水下清刷机器人应运而生。水下清刷机器人是普通清洗机器人的衍生产品。
当今社会船舶作为海上交通运输的主要工具正发挥着越来越大的作用。然而,海水的腐蚀性和海洋生物的强附着力,使得船体表面附着难以清除的贝类、 锈皮和锈斑等。水下船体表面清刷装置的研究,对于延长船舶的使用寿命、 保证船舶的安全运行、 节省船舶的燃油消耗、 提高船舶的运行速度、 减少船舶航行阻力和降低潜水员的劳动强度具有重要的意义。
水下清刷装置是水下船体表面清刷机器人的关键部件,是用来完成水下船体表面清刷的作业工具。水下清刷装置的好坏直接决定水下船体表面清刷机器人的工作效果。
2.2 水下清刷机器人及清刷装置国内外现状
英国是最早研究清洗机器人的国家之一，早在1966年，英国就着手引入水下清刷维护项目（Ship Clean and Maintenance Platform）。将水下清刷装置装在水下运载工具上，使其紧贴船体来进行水下清刷的作业。这种设计成为了典型的水下清刷机器人的模板，很多国家的水下清刷机器人都是在这个设计的基础上进行改进的。在上世纪70年代末期美国Butterworth公司开发了一种遥控式水下清洗器，这种清洗机器人是利用高压水刀对所要清洗的船体表面进行清洗，这种清洗方式新颖环保，对清刷地点场合没有太大要求。但是由于技术的不成熟，导致其运动精度的粗糙，在一些能见度低的水下甚至需要潜水员在水下进行纠正运行，操作极为不便。
美国的流体公司已经生产出了高压水枪自动清洗装置。却没有被广泛地运用于国内的造船厂，因为其耗能过大。日本三井船舶工程中国电力公司研发出了一种新型的水下清刷机器人，这种机器人能清洗和检查火电站的输水管道。这种机器人工作的优点是结构紧凑体积小，但是这种机器人的运动轨迹有时会不规则（很容易受气流或者水流的影响）并且它尚在研究中。在英国人们利用水下运载工具的原理来设计水下清刷装置，这样的装置吸附在船体表面利用液压马达横向或纵向地在船体表面爬行。这种清刷装置是可行的，但是它需要辅助设备。国内的水下清刷机器人技术也日益趋向成熟，哈尔滨工程大学曾经在1994年开发出CLR-I型避免机器人，之后在此基础上改装成为水下清刷装置如图3所示，这种机器人的清刷装置是由三个圆盘刷构成。水下机器人靠磁铁履带吸附在船体等待清刷表面，三个清刷装置同时工作，清除表面污垢。这种水下清刷机器人代表了国内的最高水平，单独就其清刷装置而言，还具有很大的提升空间，可以用一种结构跟简单、装卸更方便、工作效率更高的水下清刷装置来替换。而且，这种水下机器人改进后还可以被用作水下侦查检测等难度系数更大、技术含量更高的作业。
因此研究水下清刷机器人，改善水下清刷装置具有很大的实用意义和价值。
三 方案论证
清刷工具作为水下机器人的一部分，主要完成清刷作业任务，由于工作环境的不同，除了必须达到陆上作业要求外，还要求清刷工具满足水下作业的特殊要求：
（1） 结构简单，易于操作
由于本清刷装置是在水下作业，工作环境相对恶劣，水下的任何位置因素都可能影响到工作人员对清刷装置的控制，因此在设计清刷装置结构的时候我们首要的设计原则即是“越简单越好”使清刷装置具有已操作性，这样既能利于距清刷装置几十米乃至数百米的工作人员对清刷装置的操作，也有利于装置在作业时的稳定运行。
（2） 耐腐蚀性
由于清刷装置在水下甚至是在海水中工作，众所周知，海水中的氯离子具有很强的腐蚀性，而且我们也要考虑到水下清刷装置在工作时清刷工具受力后也会产生应力腐蚀，因此要求清刷装置中的元件必须具有耐腐蚀性。
（3） 作业方式多样化
清刷工具与水下机器人本体连接部分的设计，要便于装卸，这样可以在一个载体上通过更换不同作业工具， 完成不同的作业功能。
3.1 清刷方式的选择论证
方案一 喷砂清洗
方案二 水刀清洗
方案三 圆盘刷清洗
论证：传统的清理方式如喷砂清理如图1所示采用压缩空气为动力，以形成高速喷射束将喷料高速喷射到船体表面，清除船体表面的附着物和污垢，由于磨料对船体表面的冲击和打磨作用，喷砂清刷后船体表面可以长时间保持着较高的清洁度。但是由于船体过大而受到船坞不足的制约，而且就其清理方法上来说污染环境，耗能太大。所以，作业方便且不受工作地点约束的清洗方式成了船体清洗的发展趋势。
图1 喷砂清洗船体表面
圆盘刷清洗利用驱动马达带动刷子清刷水下船体、管道等设备符合操作简单易懂、清刷工具体积小、结构简单易于维修的特点，且能很好的适应水下作业。
3.2 刷盘半径与旋转速度论证
在电机转速一定的情况下， 刷盘半径取值越大， 刷盘转动需要克服的阻力矩也越大。 但如果刷盘半径过小， 机器人的清刷效率会降低，因此， 选取刷盘尺寸时要综合考虑功率和效率两者的关系。 为保证履带或轮子在船体表面上的可靠吸附， 在机器人移动的一个行程内要保证先清刷掉履带或轮子前端船体表面附着的海生物， 因此可根据机器人本体履带或驱动轮的宽度或确定刷盘半径的尺寸。我们首先对船体表面接触所产生的摩擦力矩进行分析：
（3-1）
式中：为刷具所受的摩擦阻力矩（）；
为刷具对船体表面的正压力（）；
为刷丝与船体表面的摩擦系数，f=0.6；
为刷丝分布半径()；
为刷盘无刷丝部分半径（）。
水的粘滞阻力矩：
（3-2）
式中：为刷盘受到的海水的粘滞阻力矩()
为水的密度()
为刷盘半径()
v为水的运动粘性系数，v=1.01()
为刷盘旋转的角速度()
惯性阻力矩：
（3-3）
式中：为刷具所受到的惯性阻力矩()
为刷盘转动惯量()
为刷盘角加速度()
为刷具质量()
为刷盘加速时间()
以上是摩擦力矩、粘滞阻力矩、惯性阻力矩的具体运算方法，由以上公式可知要想使刷盘正常工作那么驱动马达的输出转矩T应该买足：
（3-4）
算出后可得刷具在水下作业时所克服的力矩，则：
（3-5）
由公式2-9可得，则：
（3-6）
结合公式2-9，可确定驱动马达的输出功率：
（3-7）
这样我们就确定出驱动马达的最小输出功率P，和最小输出转矩T的大小，进而选定驱动马达。
3.3 刷具的选择论证
由水下清刷装置优化设计及实验结果可知： 刷具选用较硬的钢丝， 即使刷具以较低转速作业， 也可达到高效的清刷效果。 从清刷效果来看， 刷丝直径为 且刷丝分布较稀疏时的清刷效果好。 当刷丝分布较稀疏时， 除了刷丝和被清刷表面之间产生磨削力来清除杂质外， 刷丝还可产生冲击力， 这对船体表面突出的附着海生物具有较好的清除作用。 当然为了达到高效清刷效果， 要求刷丝较硬且弹性好， 因此， 刷丝材料选用淬火不锈钢丝。
3.4 驱动马达及传动方式的选择论证
水下机器人可携带的作业工具重量有限，所以在选取清洗刷具驱动电机时， 除考虑电机功率外，其重量也是要考虑的要素。因此选用轻便的电容起动单相异步电动机或液压马达为清洗刷具的驱动电机皆可。
传动方式：
方案一 齿轮传动
方案二 链传动
方案三 带传动
方案四 直接用联轴器传动
齿轮传动具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点，但是比较笨重。考虑到水下机器人可携带的重量有限，因此不采用齿轮传动的方案。
链传动能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。但是链传动仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。
带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。
论证：链传动和带传动两种方案都可用于水下清刷装置的传动。但是考虑到工作环境是在水下，海水或污水会对传动链造成一定的腐蚀，链传动成本较高，传动平稳性差，且在水下清刷作业中对刷子的传动效率要求不高。
综合考虑水下机器人本体结构尺寸限制，直接用联轴器连接刷盘和驱动电机是最佳选择。那么应该选用什么样的联轴器作为连接驱动马达和刷盘的“纽带”呢？考虑到水下清刷装置的结构要尽量简单，我们可以选用类似法兰盘的凸缘联轴器作为半联轴器来连接驱动马达和圆盘刷，如图所示。不同的是我们只用凸缘联轴器的一半来作为半联轴器使用，一端与刷盘用四个螺钉相连，另一端与轴相连。这样既节省空间，又控制了整个清刷装置的质量。该联轴器采用GB5843-86。
论证结果
根据水下清刷作业装置的工作环境，提出了设计清刷工具时必须满足的特殊要求。通过水下清刷作业工具的动力学分析，建立了清刷作业工具的力学模型，并进行了仿真和实验分析，为刷具设计和驱动系统设计提供了理论和实验依据。该水下清刷作业装置不仅可以用于船舶表面的清洗、除锈等维修工作，而且还可以用于其它海洋工程表面的清刷作业。
四 毕业设计工作进度计划
参考文献：圆盘刷清洗利用驱动马达带动刷子清刷水下船体、管道等设备符合操作简单易懂、清刷工具体积小、结构简单易于维修的特点，且能很好的适应水下作业。
3.2 刷盘半径与旋转速度论证
在电机转速一定的情况下， 刷盘半径取值越大， 刷盘转动需要克服的阻力矩也越大。 但如果刷盘半径过小， 机器人的清刷效率会降低，因此， 选取刷盘尺寸时要综合考虑功率和效率两者的关系。 为保证履带或轮子在船体表面上的可靠吸附， 在机器人移动的一个行程内要保证先清刷掉履带或轮子前端船体表面附着的海生物， 因此可根据机器人本体履带或驱动轮的宽度或确定刷盘半径的尺寸。我们首先对船体表面接触所产生的摩擦力矩进行分析：
（3-1）
式中：为刷具所受的摩擦阻力矩（）；
为刷具对船体表面的正压力（）；
为刷丝与船体表面的摩擦系数，f=0.6；
为刷丝分布半径()；
为刷盘无刷丝部分半径（）。
水的粘滞阻力矩：
（3-2）
式中：为刷盘受到的海水的粘滞阻力矩()
为水的密度()
为刷盘半径()
v为水的运动粘性系数，v=1.01()
为刷盘旋转的角速度()
惯性阻力矩：
（3-3）
式中：为刷具所受到的惯性阻力矩()
为刷盘转动惯量()
为刷盘角加速度()
为刷具质量()
为刷盘加速时间()
以上是摩擦力矩、粘滞阻力矩、惯性阻力矩的具体运算方法，由以上公式可知要想使刷盘正常工作那么驱动马达的输出转矩T应该买足：
（3-4）
算出后可得刷具在水下作业时所克服的力矩，则：
（3-5）
由公式2-9可得，则：
（3-6）
结合公式2-9，可确定驱动马达的输出功率：
（3-7）
这样我们就确定出驱动马达的最小输出功率P，和最小输出转矩T的大小，进而选定驱动马达。
3.3 刷具的选择论证
由水下清刷装置优化设计及实验结果可知： 刷具选用较硬的钢丝， 即使刷具以较低转速作业， 也可达到高效的清刷效果。 从清刷效果来看， 刷丝直径为 且刷丝分布较稀疏时的清刷效果好。 当刷丝分布较稀疏时， 除了刷丝和被清刷表面之间产生磨削力来清除杂质外， 刷丝还可产生冲击力， 这对船体表面突出的附着海生物具有较好的清除作用。 当然为了达到高效清刷效果， 要求刷丝较硬且弹性好， 因此， 刷丝材料选用淬火不锈钢丝。
3.4 驱动马达及传动方式的选择论证
水下机器人可携带的作业工具重量有限，所以在选取清洗刷具驱动电机时， 除考虑电机功率外，其重量也是要考虑的要素。因此选用轻便的电容起动单相异步电动机或液压马达为清洗刷具的驱动电机皆可。
传动方式：
方案一 齿轮传动
方案二 链传动
方案三 带传动
方案四 直接用联轴器传动
齿轮传动具有结构紧凑、效率高、寿命长等特点，但是比较笨重。考虑到水下机器人可携带的重量有限，因此不采用齿轮传动的方案。
链传动能在高温、潮湿、多尘、有污染等恶劣环境中工作。但是链传动仅能用于两平行轴间的传动；成本高，易磨损，易伸长，传动平稳性差，运转时会产生附加动载荷、振动、冲击和噪声，不宜用在急速反向的传动中。
带传动具有结构简单、传动平稳、能缓冲吸振、可以在大的轴间距和多轴间传递动力，且其造价低廉、不需润滑、维护容易等特点，在近代机械传动中应用十分广泛。
论证：链传动和带传动两种方案都可用于水下清刷装置的传动。但是考虑到工作环境是在水下，海水或污水会对传动链造成一定的腐蚀，链传动成本较高，传动平稳性差，且在水下清刷作业中对刷子的传动效率要求不高。
综合考虑水下机器人本体结构尺寸限制，直接用联轴器连接刷盘和驱动电机是最佳选择。那么应该选用什么样的联轴器作为连接驱动马达和刷盘的“纽带”呢？考虑到水下清刷装置的结构要尽量简单，我们可以选用类似法兰盘的凸缘联轴器作为半联轴器来连接驱动马达和圆盘刷，如图所示。不同的是我们只用凸缘联轴器的一半来作为半联轴器使用，一端与刷盘用四个螺钉相连，另一端与轴相连。这样既节省空间，又控制了整个清刷装置的质量。该联轴器采用GB5843-86。
论证结果
根据水下清刷作业装置的工作环境，提出了设计清刷工具时必须满足的特殊要求。通过水下清刷作业工具的动力学分析，建立了清刷作业工具的力学模型，并进行了仿真和实验分析，为刷具设计和驱动系统设计提供了理论和实验依据。该水下清刷作业装置不仅可以用于船舶表面的清洗、除锈等维修工作，而且还可以用于其它海洋工程表面的清刷作业。
四 毕业设计工作进度计划
| 起 迄 日 期 | 工 作 内 容 |
| 2013年1月25日~ 3月1日 | 文献检索，完成外文翻译 |
| 2013年3月1日~ 3月20日 | 参观、实习、调研、搜集资料，完成方案论证报告 |
| 2013年3月21日~ 4月20日 | 完成方案分析比较和论证等内容，确定总体方案 |
| 2013年4月21 日~ 5月20日 | 详细设备设计和绘图 |
| 2013年5月21 日~ 5月26日 | 图纸修改完善，编写设计说明书 |
| 2013年5月27日~ 5月31日 | 完善、修改所有设计材料，准备答辩 |
[1] H. Schlichting [德] 著.徐燕候, 徐立功等译.边界层理论.
科学出版社, 1998
[2]王立春．新一代的超高压水清洗工具一Hydroc砒(清洗猫)[J]．
化学清洗，2000，16(1)：40—41．
[3] 王丽惠．水下船体表面清刷机器人及相关技术研究[D]．哈尔
滨工程人学博士论文，2002，6．
[4] 袁夫彩，盂庆鑫，王立权，等．水下清刷装置的优化设计及实验
(J)．船舶工程，2004，26(12)：86～90．
[5]金海涛．水下船体表面清刷机器人控制系统的研究[D]．哈尔滨工程入学硕士论文，2003，3．
[6]王丽慧 盂庆鑫，水下机器人清刷作业装置研究[B].上海大学机电工程学院