炮彈維修表面綜合處理系統(tǒng)研究

張懷智　趙大興　張穎江　謝俊磊　曹宏安　謝全民

1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢，430068　　2.武漢軍械士官學(xué)校，武漢，430075

炮彈維修表面綜合處理系統(tǒng)研究

張懷智1,2趙大興1張穎江1謝俊磊2曹宏安2謝全民2

1.湖北工業(yè)大學(xué)，武漢，4300682.武漢軍械士官學(xué)校，武漢，430075

摘要：為了解決炮彈維修表面處理手工脫脂技術(shù)落后、效率低、質(zhì)量差等問(wèn)題，研制了一種炮彈表面綜合處理系統(tǒng)。針對(duì)炮彈維修主要技術(shù)要求，提出了一種炮彈表面自動(dòng)化綜合處理系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案，介紹了多功能炮彈表面處理劑、自動(dòng)噴淋裝置、自動(dòng)輸送裝置、紅外烘干裝置、自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)及性能，并分析了該處理系統(tǒng)的作用原理及作用可靠性。實(shí)驗(yàn)表明，該系統(tǒng)自動(dòng)化程度高，適用彈種廣，安全可靠，可實(shí)現(xiàn)炮彈表面“脫脂、除銹、磷化、鈍化”綜合處理。

關(guān)鍵詞：炮彈；維修；自動(dòng)化；綜合處理

0引言

炮彈維修是保證炮彈質(zhì)量、延長(zhǎng)炮彈儲(chǔ)存壽命，確保炮彈儲(chǔ)運(yùn)和使用安全的重要技術(shù)手段。炮彈維修涂裝前表面的預(yù)處理是影響炮彈維修質(zhì)量的關(guān)鍵工序。炮彈在儲(chǔ)存及維修過(guò)程中，不可避免地會(huì)接觸各種油污，表面發(fā)生銹蝕，炮彈維修涂裝過(guò)程中如果表面有殘留油污，則會(huì)削弱彈丸表面漆膜的附著力，造成漆膜剝落，從而影響彈藥的長(zhǎng)期儲(chǔ)存。為了滿足金屬表面涂裝的要求，進(jìn)一步提高炮彈表面維修質(zhì)量，炮彈在涂裝前必須進(jìn)行脫脂、除銹、磷化、鈍化預(yù)處理。

目前，炮彈維修所采用的預(yù)處理方法為有機(jī)溶劑擦拭法，即采用松節(jié)油、汽油、乙醇等有機(jī)溶劑分步在炮彈表面擦拭，實(shí)現(xiàn)脫脂的目的。該方法缺點(diǎn)是有機(jī)溶劑易燃、易爆、易揮發(fā)、消耗快且有一定毒性，另外表面擦拭法脫脂需手工進(jìn)行，操作者長(zhǎng)期接觸容易引起神經(jīng)衰弱、皮膚干裂等疾病，且費(fèi)時(shí)費(fèi)力、效率低下，國(guó)外已很少將這種方法用于除油清洗工藝[1]。為滿足現(xiàn)階段炮彈維修表面處理質(zhì)量的要求，實(shí)現(xiàn)炮彈維修表面處理的安全、高效及自動(dòng)化作業(yè)，有必要對(duì)炮彈涂裝前預(yù)處理方法和設(shè)備進(jìn)行研究。

1炮彈表面維修方法研究

目前炮彈維修所采用的涂裝前預(yù)處理方法為松節(jié)油、汽油、乙醇三種有機(jī)溶劑手工擦拭法，只能實(shí)現(xiàn)炮彈表面脫脂的目的。炮彈涂裝時(shí)為了使油漆與彈丸表面有良好的附著力，增強(qiáng)炮彈表面金屬的耐蝕性，除了需對(duì)彈丸表面進(jìn)行脫脂處理外，還需進(jìn)行除銹、磷化和鈍化處理。而工廠對(duì)工件的綜合處理一般采用分步、分槽多級(jí)浸泡處理，共9道工序，設(shè)備投資大，維護(hù)費(fèi)用高，不適合炮彈維修小規(guī)模作業(yè)模式。另外，炮彈內(nèi)裝有烈性炸藥，采用浸泡作業(yè)方式時(shí)若酸堿溶液滲入彈體內(nèi)則與炸藥相互作用，存在燃爆隱患。

對(duì)于炮彈自動(dòng)脫脂系統(tǒng)的研制，必須尋求一種工序簡(jiǎn)單、設(shè)備投入少、運(yùn)行成本低、安全程度高又能實(shí)現(xiàn)炮彈涂裝前“脫脂、除銹、磷化、鈍化”綜合處理的清洗方法。經(jīng)理論論證和大量實(shí)驗(yàn)研究，最終確定采用多功能炮彈表面處理劑以自動(dòng)噴淋方式對(duì)炮彈表面進(jìn)行處理，一道工序?qū)崿F(xiàn)炮彈表面“脫脂、除銹、磷化、鈍化”綜合處理，該方法具有操作簡(jiǎn)便、成本低、安全、可靠、環(huán)保等優(yōu)點(diǎn)，可實(shí)現(xiàn)炮彈表面處理的自動(dòng)化、綠色化和高效化。

2系統(tǒng)組成及原理

炮彈維修表面綜合處理系統(tǒng)主要由多功能炮彈表面處理劑、自動(dòng)噴淋子系統(tǒng)、紅外烘干子系統(tǒng)、自動(dòng)輸送子系統(tǒng)、自動(dòng)控制子系統(tǒng)等組成，其設(shè)備組成如圖1所示。

圖1　炮彈表面綜合處理系統(tǒng)設(shè)備組成

2.1多功能表面處理劑配方及最佳使用工藝

綜合運(yùn)用表面活性劑復(fù)配技術(shù)、化學(xué)除銹技術(shù)、金屬材料保護(hù)技術(shù)，采用多因素正交試驗(yàn)法，經(jīng)大量實(shí)驗(yàn)和對(duì)比分析，確定了適合炮彈維修的多功能表面處理劑配方和最佳使用工藝，如表1、表2所示。該處理劑可在常溫下使用，一步實(shí)現(xiàn)炮彈表面“脫脂、除銹、磷化、鈍化”綜合處理。

表1　多功能炮彈表面處理劑配方　%

注：“*”表示適量(暫不公開)。

表2　多功能炮彈表面處理劑最佳使用工藝

2.2變壓噴淋子系統(tǒng)

變壓噴淋子系統(tǒng)是炮彈自動(dòng)脫脂系統(tǒng)的重要組成部分，主要目的是為多功能炮彈表面處理劑對(duì)炮彈的清洗提供空間、動(dòng)力及最佳工藝條件，主要由噴淋系統(tǒng)、噴淋室及儲(chǔ)液槽組成，系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2　變壓噴淋子系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

噴淋子系統(tǒng)主要功能是將儲(chǔ)液槽內(nèi)的多功能炮彈表面處理劑以最佳的壓力和速度噴淋到需處理的炮彈表面，實(shí)現(xiàn)最佳的清洗效果。通過(guò)管路壓力控制及噴嘴設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)噴淋參數(shù)分區(qū)控制。噴淋室采用厚1.5 mm經(jīng)防腐處理的鍍鋅板制成。棚體頂部運(yùn)行區(qū)用柔性尼龍毛刷密封，既可確保吊掛具順利通過(guò)，又能阻止大部分噴淋劑水氣外溢。棚體頂部設(shè)有通排風(fēng)裝置，將工作時(shí)產(chǎn)生的霧氣及時(shí)排出車間。儲(chǔ)液槽用以貯存多功能炮彈表面處理劑溶液，槽內(nèi)分主槽、副槽兩部分。整個(gè)槽底設(shè)計(jì)成具有一定斜度的坡底，在槽底最低處側(cè)面，開有法蘭排渣口和排污閥，用于清洗廢液的排放。自動(dòng)噴淋子系統(tǒng)流程如圖3所示。

圖3　自動(dòng)噴淋子系統(tǒng)流程圖

2.3自動(dòng)輸送子系統(tǒng)

自動(dòng)輸送子系統(tǒng)的主要功能是實(shí)現(xiàn)炮彈的自動(dòng)輸送，設(shè)計(jì)時(shí)既要考慮滿足炮彈自動(dòng)脫脂系統(tǒng)的需求，又要適用于炮彈自動(dòng)噴漆、自動(dòng)烘干等作業(yè)環(huán)節(jié)的輸送需求，可拓展性強(qiáng)。自動(dòng)輸送子系統(tǒng)采用無(wú)極變速機(jī)械傳輸裝置，輸送速度連續(xù)可調(diào)，可滿足不同彈種工藝維修要求。經(jīng)大量工程計(jì)算，工件自動(dòng)輸送鏈采用進(jìn)口專用方軌輸送鏈條，配專用68 mm×72 mm標(biāo)準(zhǔn)承重軌道，100 mm×100 mm×4 mm方鋼支架支撐，間隔2000 mm設(shè)一個(gè)支撐點(diǎn)。配用獨(dú)立無(wú)級(jí)變速電磁電動(dòng)機(jī)及WX100型減速機(jī)，工件輸送速度范圍為0.5～2.0 m/min，可根據(jù)噴淋工藝自由調(diào)節(jié)。

工件自動(dòng)輸送鏈采用活動(dòng)張緊方式。張緊座的一端設(shè)計(jì)成可自由滑動(dòng)的套管，另一端采用螺桿壓縮可調(diào)的強(qiáng)力彈簧，確保炮彈自動(dòng)、安全輸送。在室溫下用可調(diào)螺桿張緊輸送鏈，在輸送鏈?zhǔn)軣岷螅揽繌?qiáng)力彈簧的張力拉緊輸送鏈，保證輸送鏈正常運(yùn)轉(zhuǎn)，確保炮彈輸送安全。自動(dòng)輸送子系統(tǒng)輸送裝置結(jié)構(gòu)如圖4所示。

圖4　自動(dòng)輸送子系統(tǒng)輸送裝置結(jié)構(gòu)

2.4紅外烘干子系統(tǒng)

紅外烘干子系統(tǒng)主要功能是實(shí)現(xiàn)炮彈表面處理后的快速烘干，使其滿足下一步炮彈表面噴漆的工藝要求，提高維修效率。紅外烘干系統(tǒng)由箱體、定向熱風(fēng)噴嘴、紅外加熱器、溫控系統(tǒng)等組成。紅外加熱器采用紅外能量供熱源，定向熱風(fēng)噴嘴利用防爆鼓風(fēng)機(jī)將熱風(fēng)輸送到炮彈表面，在紅外和熱風(fēng)共同作用下實(shí)現(xiàn)炮彈表面的快速烘干，溫控裝置實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)炮彈表面溫度，始終把溫度控制在50 ℃以內(nèi)，確保炮彈烘干作業(yè)安全。箱體起密閉作用，通過(guò)內(nèi)部齒條和齒輪的配合，可實(shí)現(xiàn)炮彈在輸送鏈上向前運(yùn)動(dòng)的同時(shí)進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，提高烘干效率。

2.5自動(dòng)控制子系統(tǒng)

為實(shí)現(xiàn)炮彈維修自動(dòng)化作業(yè)，降低人力成本，確保作業(yè)安全，系統(tǒng)電氣控制采用PLC中央集成控制，整個(gè)系統(tǒng)有正常和維修兩種狀態(tài)，當(dāng)系統(tǒng)處于維修狀態(tài)時(shí)，各個(gè)設(shè)備均能單獨(dú)控制；當(dāng)系統(tǒng)處于正常狀態(tài)時(shí)，各設(shè)備按既定程序動(dòng)作，并且有一定的聯(lián)鎖功能。各個(gè)設(shè)備均有良好的電氣保護(hù)，當(dāng)設(shè)備出現(xiàn)故障時(shí)，均能實(shí)現(xiàn)安全可靠的保護(hù)，并自動(dòng)停止下級(jí)運(yùn)行和發(fā)出報(bào)警信息，故障排除并發(fā)出正常指令后才能重新啟動(dòng)。設(shè)有一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)控制柜，集成控制輸送速度、噴淋壓力和烘干溫度。

3系統(tǒng)性能測(cè)試與分析

3.1多功能炮彈表面處理劑性能測(cè)試

多功能炮彈表面處理劑性能測(cè)試主要依據(jù)GB/T12612-2005要求及實(shí)驗(yàn)方法進(jìn)行，分別對(duì)處理劑的除銹性能、脫脂性能、磷化膜質(zhì)量、磷化膜耐蝕性及處理后基體表面漆膜附著力進(jìn)行了測(cè)試，測(cè)試結(jié)果如表3所示。

表3　多功能炮彈表面處理劑性能測(cè)試結(jié)果

測(cè)試結(jié)果表明，多功能炮彈表面處理劑具有除銹效果好，脫脂率高，所形成磷化膜耐蝕性強(qiáng)，處理后彈丸表面漆膜附著力高等特點(diǎn)，各項(xiàng)指標(biāo)均優(yōu)于GB/T12612-2005的要求。該處理劑采用SDBS、OP-10、TX-10陰離子-非離子表面活性劑復(fù)配方法，可提高表面活性劑的潤(rùn)濕、分散、乳化、增溶等效果，可以顯著降低彈藥保護(hù)脂等油污的表面張力，將保護(hù)脂大顆粒固態(tài)油污乳化成易溶于水的小顆粒，實(shí)現(xiàn)了保護(hù)脂的高效去除[2-3]。除銹功能上，該處理劑選擇與成膜劑一致的H3PO4作除銹劑，在除銹的同時(shí)生成具有保護(hù)性的磷化膜成分，實(shí)現(xiàn)除銹功能與磷化功能相互協(xié)同；利用磷酸除銹作用過(guò)程產(chǎn)生的氫氣沖擊炮彈表面油污，可促進(jìn)脫脂作用；利用脫脂過(guò)程表面活性劑的潤(rùn)濕、滲透作用，使磷酸滲透到銹漬與金屬的界面，促進(jìn)炮彈表面銹蝕的去除，實(shí)現(xiàn)脫脂功能與除銹功能相互協(xié)同[4]。

3.2自動(dòng)輸送子系統(tǒng)性能測(cè)試分析

通過(guò)理論核算和實(shí)彈維修實(shí)驗(yàn)對(duì)其性能進(jìn)行測(cè)試?？估瓘?qiáng)度核算[5]：①鋼與鋼之間滾動(dòng)摩擦因素μk=0.05，生產(chǎn)線滿負(fù)荷吊重T=8000kg(78.4kN)；②滿負(fù)荷驅(qū)動(dòng)力F=μkT=0.05×78.4kN=3.92kN；③鏈條許用拉伸載荷Q0=30kN，即F

3.3紅外烘干子系統(tǒng)性能測(cè)試

采用155 mm口徑彈丸模型(內(nèi)部無(wú)炸藥) 進(jìn)行烘干系統(tǒng)測(cè)試實(shí)驗(yàn)，實(shí)驗(yàn)彈丸數(shù)量60發(fā)，實(shí)驗(yàn)結(jié)果如表4所示。

表4　紅外烘干系統(tǒng)性能測(cè)試結(jié)果

實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，紅外烘干子系統(tǒng)采用紅外、熱風(fēng)復(fù)合烘干技術(shù)，可實(shí)現(xiàn)彈丸表面快速烘干，溫控范圍為28.5～49.5 ℃，溫控精度為0.04 ℃，滿足炮彈烘干安全要求。

4結(jié)語(yǔ)

炮彈維修表面綜合處理系統(tǒng)將PLC控制技術(shù)、自動(dòng)輸送技術(shù)、紅外烘干技術(shù)應(yīng)用到彈藥維修領(lǐng)域，具有自動(dòng)化程度高、拓展性強(qiáng)等特點(diǎn)，實(shí)現(xiàn)了炮彈表面處理的自動(dòng)化作業(yè)；該系統(tǒng)適用于37～155 mm口徑后裝炮彈的維修，滿足炮彈大修、中修要求，適用彈種廣且可實(shí)現(xiàn)炮彈表面綜合化處理，提高炮彈表面耐蝕性，優(yōu)化維修工藝，延長(zhǎng)彈藥儲(chǔ)存壽命。

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(編輯蘇衛(wèi)國(guó))

Research on Surface Integrated Processing System for Shell Maintenance

Zhang Huaizhi1,2Zhao Daxing1Zhang Yingjiang1Xie Junlei2Cao Hong’an2Xie Quanmin2

1.Hubei University of Technology,Wuhan,430068 2.Wuhan Ordance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan,430075

Abstract:In order to solve the artillery maintenance manual skim backward technology, low efficiency and poor quality problem, a shell surface integrated processing system was developed. In view of the main technical requirements of artillery maintenance, a kind of shell surface automation integrated processing system design scheme was put forward, the multi-function shell surface treatment agent, automatic spray equipment, automatic transmission device, infrared drying device, the design and performance of the automatic control system were introduced, and the action principles and action reliability of the processing system were analyzed . Experimental results show that the system is of high degree of automation, it is suitable for projectiles, safe and reliable, which can realize the “shell surface degreasing, derusting, phosphating, passivation” comprehensive processing.

Key words:shell; maintenance; automation;integrated processing

收稿日期：2014-05-26修回日期：2015-12-07

中圖分類號(hào)：TJ410;TP23

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.009

作者簡(jiǎn)介：張懷智，男，1965年生。湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院碩士研究生，武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉(cāng)儲(chǔ)系教授。主要研究方向?yàn)榕趶椌S修技術(shù)。趙大興，男，1962年生。湖北工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院教授。張穎江，男，1959年生。湖北工業(yè)大學(xué)計(jì)算機(jī)學(xué)院教授。謝俊磊，男，1983年生。武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉(cāng)儲(chǔ)系講師。曹宏安，男，1981年生。武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉(cāng)儲(chǔ)系講師。謝全民，男，1981年生。武漢軍械士官學(xué)校彈藥與倉(cāng)儲(chǔ)系講師。