流体机械

压力/N	接触面	摩擦力f/N	摩擦系数
640	无水	415	0.65
416
414

640	注水	352	0.55
350
351

压力/N	接触面	摩擦力f/N	摩擦系数
640	无水	415	0.65
416
414

640	注水	352	0.55
350
351

钢板厚度 h/mm	间距 d/mm	磁铁吸附力F_c/N	最大磁质比/(N⋅kg^-1)
6	7	1 387.2	516.06
9	1 238
11	1 098

8	7	1 622	663.47
9	1 390
11	1 194

10	7	1 800	723.12
9	1 453
11	1 214

钢板厚度 h/mm	间距 d/mm	磁铁吸附力F_c/N	最大磁质比/(N⋅kg^-1)
6	7	1 387.2	516.06
9	1 238
11	1 098

8	7	1 622	663.47
9	1 390
11	1 194

10	7	1 800	723.12
9	1 453
11	1 214

加速度/(m⋅s^-2)	驱动转矩/(N·m)
0	82.79
0.2	84.39
0.4	85.98
0.6	87.58
0.8	89.18
1.0	90.77

加速度/(m⋅s^-2)	驱动转矩/(N·m)
0	82.79
0.2	84.39
0.4	85.98
0.6	87.58
0.8	89.18
1.0	90.77

阶段	状态a	状态b	状态c	状态d	状态e
衰减率	0	41.8%	77.2%	51.7%	53.8%

阶段	状态a	状态b	状态c	状态d	状态e
衰减率	0	41.8%	77.2%	51.7%	53.8%

货舱水射流清洗机器人设计与应用研究

巴胜富 ¹ , 王为周 ² , 李虎 ³ , 李晓俊 ⁴ , 刘祥杰 ³ , 任启乐 ¹ , 庞雷 ¹ , 陈正文 ¹ , 王志强 ⁵

流体机械 | 应用技术 2025,53(6): 111-118

收起

流体机械 |应用技术 2025 , 53 (6) : 111 -118

货舱水射流清洗机器人设计与应用研究

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巴胜富¹, 王为周², 李虎³, 李晓俊⁴, 刘祥杰³, 任启乐¹, 庞雷¹, 陈正文¹, 王志强⁵

作者信息

¹合肥通用机械研究院有限公司国家通用机械基础件创新中心，合肥 230031

²连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏连云港 222062

³中远海运（青岛）有限公司，山东青岛 266071

⁴浙江理工大学机械工程学院，杭州 310018

⁵中交一公局集团有限公司，北京 100020

作者简介:

巴胜富（1983），男，高级工程师，主要从事高压水射流及往复泵技术研究、流体机械成套设备研发工作，通信地址：230031安徽省合肥市长江西路888号合肥通用机械研究院有限公司，E-mail：175826579@qq.com。

Design and application research of ship cargo hold water jet cleaning robot

Shengfu BA¹, Weizhou WANG², Hu LI³, Xiaojun LI⁴, Xiangjie LIU³, Qile REN¹, Lei PANG¹, Zhengwen CHEN¹, Zhiqiang WANG⁵

Affiliations

¹National Innovation Center for Basic Components of General Machinery，Hefei General Machinery Research Institute Co.，Ltd.，Hefei 230031，China

²Lianyungang Ocean Fluid Handling Equipment Co.，Ltd.，Lianyungang 222062，China

³COSCO SHIPPING（Qingdao） Co.，Ltd.，Qingdao 266071，China

⁴College of Mechanical Engineering，Zhejiang Sci-Tech University，Hangzhou 310018，China

⁵China First Highway Engineering Co.，Ltd.，Beijing 100020，China

出版时间: 2025-06-30 doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.015

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摘要

收起

为了满足散货船货舱高效、安全的清洗需求，从四驱机器人力学特性分析出发，开展机器人关键部件设计。详细介绍了机器人通过货舱钝角壁面、反斜面爬行及越障等过程的力和力矩特性，构建了综合考虑转轮摩擦力和磁铁吸附力的力学平衡方程，结合现场实际工况进行机器人吸附能力分析验证，研制出一款携带自适应清洗机械臂的货舱水射流清洗机器人，并进行现场应用。结果表明，所研制的清洗机器人的安全系数达到1.98，机器人附壁能力优良；清洗作业时，1 MPa额定压力下射流半径可达25 m。与人工清洗相比，清洗效率提升到900 m²/h，清洗时间减少约50%。研究成果可为散货船货舱自动化清洗应用提供参考。

关键词

货舱清洗 / 机器人 / 射流 / 附壁 / 力学特性

Abstract

收起

In response to the efficient and safe cleaning needs of bulk cargo holds，starting from the analysis of the mechanical characteristics of the four‑wheel drive robot，key components of the robot were designed.A detailed analysis was conducted on the force and torque characteristics during the process of crawling through obtuse angled walls，reverse inclined surfaces，and obstacle crossing in cargo holds.A mechanical equilibrium equation was then constructed considering the friction force of the wheels and the magnetic adsorption force.Combined with the actual working conditions on site，the adsorption ability of the robot was analyzed and verified.A cargo hold water jet cleaning robot carrying an adaptive cleaning robotic arm is developed and applied on site.The results show that the safety factor of the developed cleaning robot is 1.98，indicating excellent wall attachment ability of the robot.During cleaning operations，the jet radius can reach 25 m at a rated pressure of 1 MPa.Compared with manual cleaning，the cleaning efficiency has been improved to 900 m²/h，and the cleaning time has been reduced by about 50%.The research results can provide reference for the application of automated cleaning of cargo holds in bulk carriers.

Key words

hold cleaning / robot / water jet / wall attachment / mechanical characteristics

引用本文

巴胜富, 王为周, 李虎, 李晓俊, 刘祥杰, 任启乐, 庞雷, 陈正文, 王志强. 货舱水射流清洗机器人设计与应用研究. 流体机械, 2025 , 53 (6) : 111 -118 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.015

Shengfu BA, Weizhou WANG, Hu LI, Xiaojun LI, Xiangjie LIU, Qile REN, Lei PANG, Zhengwen CHEN, Zhiqiang WANG. Design and application research of ship cargo hold water jet cleaning robot[J]. Fluid Machinery, 2025 , 53 (6) : 111 -118 . DOI: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.015

正文

收起

0　引言

收起

我国是世界海运大国，船舶运力位于世界第二。散货船作为主力船型，数量占比近40%，在国际物流运输中承担着重要角色。散货船卸货后，舱壁上常会残留大量货物和污垢，进行换货装舱前，必须对舱壁进行清理^［1-2］。散货船货舱内部是纵横交错的骨架混合结构，存在大量的筋板与钝角过渡面，面临船舱清洗不彻底、高处清洁困难和大块污渍难以清除等一系列问题^［3-4］。近年来，国内外多个机构对舱内清洗机器人开展研究^［5-7］。德国Hammelmann公司采用高压水射流技术提高了清洗机器人的清洗效率。丹麦VertiDrive公司研制了碳纤维机身的船舶货舱清洗机器人，自重45 kg，有效降低对舱壁的负载压力。国内科研机构，如哈尔滨工业大学、上海交通大学，在磁吸附和真空复合吸附领域取得突破，解决了大型金属船舱壁面适应性问题。然而，国内清洗机器人面对船舱内复杂空间壁面，仍存在着倾覆、下滑和清洗不彻底等诸多问题^［8-11］。尤其是在钝角壁面通过能力、反斜面爬行及越障等方面的研究还存在不足，尚未见针对骨架筋板的专用清洗机构。

针对散货船货舱复杂空间结构的高效安全清洗需求，本文设计开发了基于水射流清洗的四驱爬壁机器人，研究了四驱爬壁机器人的受力特性，提出了机器人自重、负载、射流反冲力等综合载荷下机器人关键部件设计方法，并给出了清洗机械臂和长射程喷头方案。对研制的四驱机器人进行了吸附力验证和工程试用，可为散货船舱高效安全清洗提供参考。

1　机器人关键部件设计

收起

为解决机器人在货舱内壁爬行过程的钝角壁面打滑、反斜面爬行及越障倾覆等问题，需要开展力学特性综合分析和关键部件结构设计。本文将传统机器人的前轮驱动改为四轮驱动形式，并增加了射流清洗机械臂。

1.1　四驱机器人力学特性分析

四轮驱动情况下，处于水平壁面的机器人上坡时的受力情况如图1所示。若使机器人爬上货舱45°斜坡且不发生打滑，要求总摩擦力与驱动力之和大于沿斜坡方向的分力。整体系统需满足下式：

f = μ F c + G + F g - F 4 s i n α c o s 45 ° + T - F 2 c o s α c o s 45 ° f + (T - F 2 c o s α) c o s 45 ° > F c + G + F g - F 4 s i n α c o s 45 ° F = 0.745 q p

（1）

式中，f为机器人车轮与斜坡面的摩擦力，N；

μ

为车轮与斜坡面的摩擦系数；

F c

为磁铁的磁吸力，N；G为机器人重量，N；

F g

为机器人负载物的重量，N；F为水射流反冲力，N；α为水射流与水平面的夹角，（°）；T为机器人驱动力，N；q为清洗流量，L/min；p为清洗压力，MPa。

同时，接触点的力矩平衡方程需要确保机器人不倾覆，相关关系式表示如下：

M + M 1 - M 2 ≥ 0 M 1 = T - (F c o s α) / 2 R c o s 45 ° M 2 = F c + G - (F s i n α) / 4 l

（2）

式中，M为电机提供的转矩，N·m；M₁，M₂分别为接触点与电机同向、反向方向复合力矩，N·m；R为车轮半径，mm；l为车轮接触点与重心的距离，mm。

考虑到壁面摩擦系数μ对机器人力学特性影响显著，搭建了双轮-钢板摩擦副试验系统。试验装置采用50 mm宽的双轮与钢板构成摩擦副，利用液压伺服加载系统对摩擦副施加640 N法向载荷，并实时采集摩擦力。无水工况下3次测量值分别为415，416，414 N，计算得到摩擦系数为0.65；而注水工况下测得摩擦力数据分别为352，350，351 N，摩擦系数降为0.55。试验结果如表1所示。当机器人爬上反斜面时，其附壁受力特性如图2所示。由于水射流反冲击力对机器人的力学平衡具有重要影响，特别是水射流方向垂直向上时，水射流反冲力产生的阻力最大，要保持机器人在反斜面上稳定且不下滑，需要满足以下条件：

F f ≥ G + F g + F / 4 c o s α F f = μ F N F N = 4 F c - G + F g + F / 4 s i n α

（3）

此外，吸附在货舱反斜面时，由于机器人自身及其负载的重力与壁面间存在夹角，可能会产生倾覆力矩，导致机器人在后轮与壁面接触处发生翻转。为了防止机器人因吸附力不足而向后翻转，必须确保前轮始终与壁面接触，则每个磁块组合提供的吸附力F_c需要满足：

F c ≥ G s i n α 4 + G H c o s α 2 L + F g L 1 s i n α 2 L + F g H 1 c o s α 2 L

（4）

式中，H为机器人重心与壁面之间的距离，m；L为机器人前、后轮与机器人重心沿壁面方向的距离，m；L₁为负载物重力与后轮重力沿着壁面方向的距离，m；H₁为机器人负载物重心与壁面之间的距离，m。

基于机器人小车参数（G=800 N，R=150 mm，µ=0.55，L₁=106 mm），反斜面与竖直面的夹角为135°，对四驱机器人力学特性进行建模和数值求解，每个磁块需要提供的吸附力至少为817.9 N。

1.2　磁铁模块设计

基于上述分析可知，为保证爬壁机器人稳定吸附于壁面，同时提供足够的驱动摩擦力，设计了一种弧形磁铁，如图3所示。使用磁铁组成立磁路阵列，壁面钢板厚度为h，钢板与壁面间距为d。以壁面钢板厚度10 mm、与壁面间距7 mm为例，实测磁铁模块最大吸附力为1 883 N。

对磁铁模块进行磁力仿真，得到内部磁通量方向分布及剖面磁感线，如图4所示。

从图中可以看出，弧形磁铁模块产生的磁感线饱满、分布密集，降低了异性磁极间的磁场损耗。仿真得到磁铁模块的最大吸附力为1 800 N，与实测值1 883 N相比，磁力计算误差为5%，也验证了数值模拟的准确性。表2列出不同钢板厚度与间距情况下磁铁的吸附力对比。钢板厚度相同时，磁块的磁吸力随间距d增大而减小，而衰减速率随着间距增大而增大，呈现出非线性特性。钢板厚度h对磁块的磁吸力影响较大，当间距相同时，磁块的磁吸力随钢板厚度增加而增加，衰减速率随着钢板厚度h增大而减小。钢板厚度大于10 mm时，钢板厚度对磁块吸力的影响较小，可以忽略不计。

由于磁块可提供的磁吸附力都大于需要提供的最小吸附力值817.9 N。通常，机器人应用现场的壁面钢板厚度8 mm，与壁面间距为7 mm，得到磁铁吸附力的预测值为1 622 N，据此可知研制的货舱水射流清洗机器人的安全系数是1.98，设计的磁铁模块保证了四驱清洗机器人完成爬坡、附壁等动作。

1.3　电机驱动转矩分析

机器人吸附货舱壁自由运动需要电机提供足够的驱动转矩。针对机器人的直线和转向运动过程，对电机驱动转矩进行仿真分析^［12-14］。

1.3.1　直线运动

当机器人进行直线运动时，通过仿真得到不同加速度和不同壁面倾斜角度下每个电机的驱动转矩，如图5所示。

从图中可以看出，随着壁面倾斜角度的增大，每个电机的驱动转矩减小；而当机器人运动加速度增大时，驱动转矩随之增大。为了更清晰地描述直线运动时清洗机器人的电机驱动转矩特性，表3列出了壁面倾斜角度为0°时的驱动转矩。当机器人加速度为1 m/s²时，驱动转矩最大，为90.77 N·m。

1.3.2　转向运动

当机器人转向运动时，壁面倾斜角及驱动扭矩的关系如图6所示。在壁面倾斜角度为0°时，左侧轮所需的驱动转矩最大约258.79 N·m；而右侧轮最大驱动转矩时的壁面倾斜角度为90°，转矩约为131.47 N·m。

通过电机驱动扭矩分析可知，在明确机器人不会出现下滑和倾覆的前提下，机器人满足直线和转向运动功能需要的电机最小驱动转矩为258.8 N·m。

1.4　机械臂及喷头设计

为彻底清洗两舷侧板和舱口周围的顶板，清洗机器人需从侧壁爬至高处，并沿肋板做上下往复爬行。爬行过程中，喷头需要越过肋板高度，确保射流覆盖机器人路径，从而提高清洗效率。根据以上作业需求，设计了一套具有2个旋转关节的自适应清洗机械臂，针对性解决舱舱内部因纵横骨架多、水射流清洗被弦板肋骨遮挡而产生的清洗难题，增强机器人清洗适用性。同时，为配合清洗效果，减少每一条轨迹清洗死角，机器人喷头设置为上下摆动，与水平周向摆动复合转动，形成三维清洗轨迹。所设计的自适应清洗臂可对肋板背面死角进行清洗，实现定点精准清洗。机械臂及喷头的设计方案如图7所示。

机器人搭载1.0 MPa低压清洗水炮，射流流量为215 L/min，长射程喷头结构如图8所示。喷嘴孔径为14 mm，射流反冲力为160 N，喷头内部通过增加整流结构，保证其具有足够的覆盖射程，满足货舱上部两舷侧舱壁及顶板的清洁需求。经过测试，得到1 MPa额定压力下射流半径为25 m，大大提高喷头射程，也增强了射流打击力^［15-21］。

2　越障吸附能力分析

收起

船壁与舱底竖板合拢处通常有40 mm的凸起筋板。机器人在经过障碍物时会影响磁块的吸附力和附壁稳定性。因此，为确定机器人越障时是否具有良好的附壁性能，针对越障阶段开展力学分析，获得机器人越障过程与磁力衰减程度的关联关系。以某现场实际工况为例，机器人吸附于垂直壁面上，障碍物为高度40 mm、顶宽15 mm、底宽40 mm的梯形结构。机器人越过障碍分为5个阶段，如图9所示。

对每个阶段货舱底板受到的磁铁吸附力进行仿真，结果如表4所示，车轮行至障碍物最高点（状态c），磁力的衰减幅度最大，约为77.2％。此时，可认为是机器人越障最危险状态。因此，需要对状态c的机器人的滑移和倾覆等力学特性进行分析。

2.1　向下滑移

机器人向下滑移是指越障时吸附在垂直壁面上的机器人受力稳定而不发生下滑，需要满足以下条件：

F f ≥ G + F g F f = μ F N F N = 2 F c + 2 F c'

（5）

式中，

F c'

为越障位置磁铁的磁吸力，N。

2.2　向后倾覆

由于机器人本体和负载重量与货舱壁面存在一定的夹角，可能会产生倾覆力矩，从而导致机器人在后轮与壁面接触点C处发生翻转。对接触点C进行受力分析，其力矩平衡方程为：

∑ M C = M 1 - M 2 - M 3 ≥ 0 M 1 = 2 F C' L M 2 = G H M 3 = F g H 1

（6）

将机器人各项参数带入可得，当负载的重量小于82.15 kg时进行越障，不会发生下滑。机器人负载的重量小于16.6 kg进行越障时，不会发生向后倾覆。

3　清洗机器人现场应用

收起

优化设计的货舱水射流清洗机器人由4组磁铁模块、4组电机驱动模块及搭载了机械臂与喷头的机器人壳体等组成。机器人总重量80 kg，负载80 kg，清洗压力1 MPa，清洗流量215 L/min。货舱水射流清洗机器人于某船厂成功完成2条散货船的实船测试应用，在长30 m、宽25 m、高17 m的典型货舱空间内，搭载自主研发的高压水射流系统对舱室结构展开全方位清洗作业，如图10所示。经过实船货舱的清洗，完成了两侧纵向肋骨壁面和前后横舱壁的越障、过钝角爬行、肋骨间纵向爬行、平移爬行等测试。通过现场应用试验，研发的机器人通过各项力学性能验证，能有效保证在各工作状态下稳定运行。相较于传统人工清洗，设计的机器人提升了货舱清洗安全性，也大幅提高了货舱清洗效率。

如图11所示，相较于人工清洗，机器人清洗的清洗面积提升至900 m²/h，效率提升近1倍，清洗时间可减少约50%。

4　结论

收起

（1）通过力学特性分析获取了四轮驱动机器人的关键工作参数，完成机器人关键部件设计，包括磁铁模块设计、电机驱动选型、机械臂及喷头设计等，研制出一款搭载1.0 MPa低压长射程清洗喷头的机器人，最大覆盖半径达25 m。

（2）对机器人越障能力进行了力学分析并验证，获得了防止机器人下滑和倾覆的条件，设计的机器人安全系数为1.98。

（3）开展了货舱水射流清洗机器人的吸附能力和清洗效率的验证，清洗面积提升至900 m²/h，清洗效率提升近1倍，实现了高效、安全的散货船舱清洗。

参考文献

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文献

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参考文献引证文献

排序方式：

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2025年第53卷第6期

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doi: 10.3969/j.issn.1005-0329.2025.06.015

接收时间：2024-12-15
首发时间：2026-10-20
出版时间：2025-06-30

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收稿日期：2024-12-15
修回日期：2025-03-25

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¹合肥通用机械研究院有限公司国家通用机械基础件创新中心，合肥 230031

²连云港远洋流体装卸设备有限公司，江苏连云港 222062

³中远海运（青岛）有限公司，山东青岛 266071

⁴浙江理工大学机械工程学院，杭州 310018

⁵中交一公局集团有限公司，北京 100020

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本文的引用情况

2种不同金属材料的力学参数

科 Family	属数 Number of genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)	属 Genus	种数 Number of species	占总种数比例 Percentage of total species (%)
鹅膏菌科Amanitaceae	2	11	5.26	鹅膏菌属 Amanita	10	4.78
小菇科 Mycenaceae	2	12	5.74	丝盖伞属 Inocybe	5	2.39
多孔菌科 Polyporaceae	8	14	6.70	蜡蘑属 Laccaria	5	2.39
红菇科 Russulaceae	3	23	11.00	小皮伞属 Marasmius	6	2.87
				小菇属 Mycena	11	5.26
				光柄菇属 Pluteus	5	2.39
				红菇属 Russula	17	8.13
				栓菌属 Trametes	5	2.39

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