前混合磨料射流船舶除銹裝置設(shè)計

楊淑珍,郭 青

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院,上海200072)

前混合磨料射流船舶除銹裝置設(shè)計

楊淑珍1,2,郭 青2

(1.上海第二工業(yè)大學(xué)智能制造與控制工程學(xué)院,上海201209;2.上海大學(xué)機(jī)電工程與自動化學(xué)院,上海200072)

船舶除銹能夠?qū)︿摬谋砻孢M(jìn)行良好的預(yù)處理,是船舶涂裝工藝的第一步,使船舶表面涂層達(dá)到預(yù)期的保護(hù)效果。通過對幾種船舶除銹方法優(yōu)缺點(diǎn)的比較,得出高壓磨料射流是船舶除銹的主流。在分析前混合高壓磨料射流船舶除銹工作原理和優(yōu)勢的基礎(chǔ)上,研究了基于PLC和觸摸屏控制的前混合磨料射流船舶除銹裝置的設(shè)計,包括裝置的組成、工作過程以及自動控制系統(tǒng)設(shè)計。最后通過正交實驗,研究確定了該裝置工作所需的各影響因素的主次關(guān)系以及合適的參數(shù)組合并進(jìn)行了實際驗證。

船舶除銹;磨料射流;前混合;自動控制;正交實驗

0 引言

隨著中國經(jīng)濟(jì)的騰飛以及世界經(jīng)濟(jì)格局的變化,世界造船、修船的中心逐漸東移,使得我國的修造船業(yè)有了很大的發(fā)展空間。船舶除銹在造船、修船中處于關(guān)鍵地位,修造船業(yè)快速發(fā)展的同時,勢必會帶動船舶除銹技術(shù)的發(fā)展,對其效果要求也會越來越高[1]。

用于船舶除銹的方法有多種,比如手工除銹、化學(xué)除銹和機(jī)械除銹,這些除銹方法各自有不同的優(yōu)缺點(diǎn)[2]。其中,手工除銹勞動強(qiáng)度大且效率低下,現(xiàn)主要用于如修補(bǔ)局部缺陷等作業(yè)困難區(qū)域?；瘜W(xué)除銹是利用酸與船舶鋼板表面的金屬氧化物發(fā)生化學(xué)反應(yīng)去除表面銹層,除銹過程有一定的危險性,反應(yīng)后的化學(xué)物質(zhì)還會造成嚴(yán)重的環(huán)境污染,與倡導(dǎo)的綠色發(fā)展相悖,在船舶除銹中應(yīng)用得越來越少。機(jī)械除銹是目前國內(nèi)外主流的船舶除銹方式,主要有干噴砂除銹、高壓水射流除銹和磨料射流除銹。干噴砂除銹是依靠顆粒噴射的沖蝕作用處理船舶外層表面,使其達(dá)到清潔度和粗糙度的要求,除銹質(zhì)量好且機(jī)械化程度高,但噴射出的磨料一般不能回收,還會因為高速的沖擊作用變成粉塵狀懸浮在空氣中,環(huán)境污染較重。高壓水射流除銹是利用超高壓的加速水流打擊在船舶表面,破壞銹層和船舶表面間的黏附力,使銹層脫落。高壓水射流除銹無粉塵污染,綠色環(huán)保,目前發(fā)達(dá)國家主要采用該法進(jìn)行除銹。但是這種純水射流除銹系統(tǒng)要達(dá)到船舶除銹要求的效果和效率所需的壓力很高,相應(yīng)地對設(shè)備要求也高,且增大了除銹的危險性,而且工作時易產(chǎn)生尖銳的嘯叫、噪聲較大[3-4]。故考慮在純水射流中添加一些有磨削作用的固體顆粒,形成磨料射流,實現(xiàn)在相對較低壓力下取得較好除銹效果。

磨料射流是20世紀(jì)80年代迅速發(fā)展起來的一種新型射流,其除銹效率高且無污染,符合綠色發(fā)展的要求,與高壓純水射流相比,對設(shè)備的要求也不高,所以被廣泛關(guān)注[5],相關(guān)學(xué)者也展開了一定的研究。例如張東速等[6]利用漿體輸送灌裝方法和淹沒式篩分裝置解決了縮短裝料時間和回收復(fù)用磨料的問題;曹琨等[7]提出磨料射流清洗裝備利用高壓軟管解決了壓力損失及使用方便的問題。磨料射流除銹技術(shù)雖被廣泛關(guān)注,但設(shè)備自動化程度普遍不高。實現(xiàn)對磨料射流除銹裝置的自動控制,實時監(jiān)測工作壓力、流量等重要參數(shù),是該新型射流除銹技術(shù)發(fā)展的必然要求。此外,船舶除銹的銹蝕程度較嚴(yán)重、除銹面積大,這就要求除銹裝置需要通過選用合適的工藝參數(shù)組合在獲得較好的除銹能力同時達(dá)到較高的除銹效率。查閱相關(guān)文獻(xiàn),目前針對船舶除銹的磨料射流裝置合適的除銹工作參數(shù)研究得較少。成鵬飛等[8]對合金盤條高壓磨料水射流除鱗系統(tǒng)進(jìn)行了優(yōu)化,得到了壓力、靶距、移動速度等參數(shù)與除凈率之間的關(guān)系,但未得到各影響因素的主次關(guān)系,而且由于合金條的除銹面積小、銹蝕程度低,故其得到的最佳參數(shù)組合對船舶除銹不太適用;同樣,沈忠厚等[9]對磨料射流清洗油管涂料進(jìn)行了實驗研究,得出了噴嘴直徑、靶距、噴射角度和磨料直徑與清洗效率之間的關(guān)系,但未研究壓力和噴嘴移動速度與清洗效率之間的關(guān)系,而這2個因素正是研究船舶除銹效率所必須的。為此,本文提出了一種基于PLC和觸摸屏控制的前混合磨料射流船舶除銹裝置,并通過正交實驗研究了該裝置工作所需的各影響因素的主次關(guān)系以及合適的參數(shù)組合,經(jīng)實驗驗證,效果較好。

1 前混合磨料射流船舶除銹工作原理

磨料射流是一種在高壓水中混入一定的磨料顆粒形成的混合射流,磨料顆粒帶著高壓水的動能,不斷地對船體表面進(jìn)行高頻率的沖擊和磨削作用,射流品質(zhì)和工作效率都很高。

磨料射流分為前混合和后混合磨料射流,兩者的區(qū)別是磨料與水的混合點(diǎn)不同。前混合磨料射流是指先將磨料與水在磨料罐中混合,通過管路加速后,將磨料送至噴嘴進(jìn)行船舶除銹作業(yè)(見圖1),其磨料與水的混合點(diǎn)在水噴嘴之前。后混合磨料射流是依靠噴嘴射出高壓水射流時形成的虹吸作用,將磨料罐內(nèi)的干磨料吸入管道內(nèi)與水混合,再通過細(xì)小的噴嘴形成高速磨料射流(見圖2)[10],其磨料與水的混合點(diǎn)在水噴嘴之后。

后混合磨料射流系統(tǒng)簡單,加料方式簡單、方便,比較容易實現(xiàn),管路的穩(wěn)定性也較高;但磨料粒子很難進(jìn)入射流中心區(qū)域,不能有效地吸收高壓水的能量,所以所需的射流壓力較高,也會造成瞬時磨料供給不確定性的現(xiàn)象。前混合磨料射流工作壓力較低、磨粒獲得的動能大、效率高,磨粒進(jìn)入管路中靜壓水流的內(nèi)部比較容易,能夠形成混合均勻的磨料射流束,但系統(tǒng)復(fù)雜程度較高,管壁承受高壓水流作用的同時,還要受到磨料粒子的摩擦和擠壓作用,所以管路和噴嘴處易發(fā)生磨損和堵塞[11-12]。表1所示為兩種混合方式的特點(diǎn)的對比情況,可以看出,前混合磨料射流優(yōu)于后混合磨料射流,所以本船舶除銹設(shè)備選擇前混合的混合方式。

圖1 前混合磨料射流的系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic diagram of pre-mixed abrasive jet

圖2 后混合磨料射流的系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of post-mixed abrasive jet

表1 兩種磨料射流的特點(diǎn)對比表Tab.1 Comparative table of characteristics of two kinds of abrasive jet

另外,磨料水射流的磨料主要是起磨削作用的顆粒狀材料,可以是山砂、河沙、石英砂、棕剛玉、鐵屑、鋼砂等,綜合考慮硬度、強(qiáng)度、韌性、塑性和成本等因素,并在能達(dá)到船舶除銹效果和效率的前提下[13],本船舶除銹裝置采用不會引起船塢所在河道環(huán)境污染的河沙作為磨料顆粒。

2 前混合磨料射流船舶除銹裝置設(shè)計

2.1 裝置組成和工作過程

本船舶除銹裝置主要由動力系統(tǒng)、磨料供給系統(tǒng)、噴射裝置以及電氣控制系統(tǒng)組成。

動力系統(tǒng)包括驅(qū)動電動機(jī)、柱塞水泵以及緩沖水箱等,主要為裝置提供工作所需的壓力;磨料供給系統(tǒng)包括設(shè)備自帶的料斗、閥門、砂罐以及輸送管路等,采用直接供料方式為裝置提供所需的磨料;噴射裝置由進(jìn)水閥、混合腔、出料閥、噴槍以及連接管路組成。進(jìn)水閥打開后在工作壓力作用下磨料和水經(jīng)由混合腔混合后通過磨料閥從噴槍中噴出進(jìn)行除銹;電氣控制系統(tǒng)包括控制器、按照一定邏輯動作的所有電動或氣動元件以及進(jìn)行壓力、液位等狀態(tài)監(jiān)控所需的傳感器,對裝置的工作過程進(jìn)行自動控制。

裝置的工作原理如圖3所示。泵的流量進(jìn)而調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力,當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到工作壓力時,打開進(jìn)水閥5和出料閥18即可進(jìn)行船舶除銹作業(yè)。

當(dāng)料罐11內(nèi)磨料用完時,關(guān)閉進(jìn)水閥5和出料閥18,打開進(jìn)水閥6和出料閥19,使用料罐12內(nèi)磨料進(jìn)行除銹;同時打開加料閥7和加料溢水閥9,向料罐11加料。當(dāng)料罐12內(nèi)磨料用完時,關(guān)閉進(jìn)水閥6和出料閥19,打開進(jìn)水閥5和出料閥18,使用料罐11內(nèi)磨料進(jìn)行除銹;同時打開加料閥8和加料溢水閥10,向料罐12加料,如此循環(huán)進(jìn)行下去。圖4所示為系統(tǒng)的自動工作流程圖。

圖4 系統(tǒng)工作流程圖Fig.4 Flow chart of automatic processing

圖3 前混合磨料射流船舶除銹系統(tǒng)原理圖Fig.3 Schematic diagram of ship rust removal system of pre mixed abrasive waterjet

為保證系統(tǒng)的連續(xù)供料,采用雙儲料罐的交替式工作方式。具體工作過程是:系統(tǒng)上電后,按下噴槍17上的“啟動除銹”按鈕,則啟動柱塞泵電動機(jī)3進(jìn)行系統(tǒng)升壓,電動機(jī)采用變頻器控制轉(zhuǎn)速以調(diào)節(jié)

2.2 自動控制系統(tǒng)設(shè)計

自動控制系統(tǒng)的基本組成如圖5所示,包括PLC、觸摸屏、外部信號輸入部分和輸出部分。

選取西門子S7-200 PLC作為控制系統(tǒng)的控制中心,與觸摸屏配合使用。通過PLC實現(xiàn)升壓、調(diào)壓、換罐、加料、除銹等過程的自動控制以及壓力、物位等狀態(tài)數(shù)據(jù)的采集。通過觸摸屏,實現(xiàn)參數(shù)設(shè)置和狀態(tài)顯示等人機(jī)交互功能。圖6所示為設(shè)計的船舶除銹裝置自動控制人機(jī)界面,能夠直觀地顯示和監(jiān)測整個系統(tǒng)的運(yùn)行狀態(tài)以及各元件的工作狀態(tài)。

圖5 控制系統(tǒng)組成Fig.5 Components of the control system

圖6 觸摸屏自動控制界面Fig.6 Touch screen automatic control interface

外部信號的輸入部分包括壓力開關(guān)、液位開關(guān)、監(jiān)測砂罐內(nèi)磨料含量的γ射線密度計以及急停信號和報警信號等;輸出控制部分包括電動機(jī)、電磁閥、電動球閥、控制電機(jī)轉(zhuǎn)速的變頻器、信號燈以及中間繼電器等。

3 加工參數(shù)確定

選擇合適的加工參數(shù)并以其進(jìn)行作業(yè)是裝置能夠高效除銹的關(guān)鍵。

影響除銹過程的因素很多,比如壓力、流量、磨料、噴嘴、噴射角度、噴射靶距、噴射速度等,除銹效果是受這些因素共同作用的結(jié)果,如果對每個影響因素都全面展開單因素實驗,勢必導(dǎo)致實驗規(guī)模龐大,實驗效率較低。為了能準(zhǔn)確、有效地獲得合適的加工參數(shù),本文基于自主開發(fā)的樣機(jī)(見圖7)采用正交實驗法對加工參數(shù)進(jìn)行研究。正交實驗法是一種安排多因素實驗以便得到最優(yōu)水平組合的方式,能夠在大幅度地減少實驗次數(shù)的同時保證實驗的可行度[14-15]。

圖7 船舶自動除銹裝置樣機(jī)Fig.7 Prototype of automatic ship rust removal equipment

3.1 實驗設(shè)計

影響除銹效果的因素較多,在大量實驗研究的基礎(chǔ)上,筆者認(rèn)為工作壓力、磨料粒徑、靶距、噴槍移動速度、噴射角度是最主要的影響因素。其中,噴射角度與其他幾個因素之間的耦合作用較小,通過查閱相關(guān)的文獻(xiàn)資料,加之單因素實驗的驗證,發(fā)現(xiàn)噴射角度即噴射射流與銹蝕鋼板形成的角度為60°時除銹效果最佳[16],所以本實驗取噴射角度固定為60°。因此,本文最終選擇工作壓力、靶距、噴槍移動速度和磨料粒徑作為影響因素進(jìn)行正交實驗分析。

噴射的除銹效果一般用Sa表示,Sa分為Sa1、Sa2、Sa2.5、Sa3 4個等級,為了對除銹效果進(jìn)行量化,將這4個等級分別對應(yīng)到不同的分?jǐn)?shù),如表2所示,除銹效果根據(jù)不同等級的評價標(biāo)準(zhǔn)給出相應(yīng)的分?jǐn)?shù)。

本次實驗采用4因素4水平的正交實驗方案。正交實驗參數(shù)水平設(shè)計如表3所示,根據(jù)初步實驗,當(dāng)工作壓力超過7 MPa時除銹效果較好,但若壓力過大,噴槍的后坐力也會快速增大,持槍者很難把握,因此本實驗初定工作壓力在7～10 MPa;靶距初定在300 mm以上;噴槍移動速度過小時,雖能更好地除去銹斑,但除銹效率不高,在保證一定除銹效率的前提下,暫定噴槍移動速度在400 mm/min以上[17]。

表2 除銹效果評判標(biāo)準(zhǔn)Tab.2 Evaluation standard of derusting effect

表3 正交實驗參數(shù)水平表Tab.3 Parameter level of orthogonal test

3.2 實驗分析

根據(jù)正交實驗因素水平表進(jìn)行了相關(guān)實驗,實驗結(jié)果如表4所示。

選擇極差分析法分析本次正交實驗,其優(yōu)勢在于過程簡單、容易理解,分析的結(jié)果也較為可靠。先計算出正交表中各列的極差R值,再根據(jù)R的大小來判斷本次實驗影響因素的主次關(guān)系,同時找到最佳的參數(shù)組合。

從圖8可以很直觀地看出,隨著壓力的變大,曲線呈大幅度上升趨勢,除銹效果越好;隨著靶距的增加,曲線先上升再下降,存在拐點(diǎn),但整體很平緩,對除銹的效果影響不大;隨著噴槍移動速度的增加,曲線呈下降趨勢,除銹效果越差。目數(shù)越大,表示顆粒越細(xì),可以看出,隨著目數(shù)的增加,及隨著磨料粒徑的減小,曲線先上升再下降,存在拐點(diǎn),目數(shù)為20(粒徑為830μm)時,除銹效果最好。

表4 正交實驗極差分析表Tab.4 Range analysis of orthogonal test

圖8 除銹效果的極差圖Fig.8 Range diagram of rust removal effect

根據(jù)曲線的陡峭及平緩程度,分析得出:壓力水平(A)對實驗結(jié)果的影響最大,磨料粒徑水平次之(D),接著是噴槍移動速度水平(C),靶距水平(B)最小。各因素對實驗結(jié)果的影響順序是:

且參數(shù)組合為A4B2C1D2時,除銹效果最好。

4 結(jié)果驗證

取一與船舶銹蝕程度相當(dāng)?shù)匿摪?如圖9(a)所示,鋼板尺寸為1 m×0.95 m,表面全部銹蝕、附著較牢、并已發(fā)生較多點(diǎn)蝕。在實驗樣機(jī)上采用第3節(jié)分析的最優(yōu)參數(shù)進(jìn)行除銹實驗:取20目的河沙作為磨料,在10 MPa壓力下,由工人手持噴槍以60°噴射角度、350 mm靶距、約400 mm/min的移動速度進(jìn)行除銹。經(jīng)285 s后,鋼板上的銹蝕全部清除,效果如圖9(b)所示,鋼板表面沒有可見的油脂、污垢以及氧化皮、鐵銹和油漆等附著物,僅殘留輕微的點(diǎn)狀或條狀色斑。由此可見,本文設(shè)計的裝置采用無附加環(huán)境污染的河沙作為磨料的情況下,除銹效果可達(dá)Sa2.5、除銹效率可達(dá)12 m2/h,能較好地滿足大型遠(yuǎn)洋船舶除銹的要求。

圖9 除銹效果對比Fig.9 Comparison of rust removal effect

5 結(jié) 語

利用PLC和觸摸屏設(shè)計的前混合磨料射流船舶除銹裝置,選用無附加環(huán)境污染的河沙作為磨料,采用雙料罐,實現(xiàn)了對系統(tǒng)升壓、加料和噴射除銹的連續(xù)作業(yè)的自動控制以及對工作壓力、流量、料罐中磨料使用情況等狀態(tài)參數(shù)的實時動態(tài)監(jiān)測。在通過正交實驗得到的加工參數(shù)下的除銹效果能達(dá)到Sa2.5以上。應(yīng)用表明,該裝置自動化程度高、可靠性好、人機(jī)界面友好、易于操作、所需的壓力小、噪聲小、安全性高、效率高、環(huán)境污染小,能夠很好地滿足船舶除銹的工業(yè)化生產(chǎn)要求。

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Study of Ship Rust Removal Equipment Based on Premixed Abrasive Jet

YANG Shuzhen1,2,GUO Qing2
(1.School of Intelligent Manufacturing and Control Engineering,Shanghai Polytechnic University,Shanghai 201209,China;2.School of Mechatronmic Engineering and Automation,Shanghai University,Shanghai 200072,China)

Ship rust removal can be a good surface pretreatment for steel,and it is the f i rst step of ship painting process so as to achieve the desired protective effect of ship surface coating.By comparing the advantages and disadvantages of several rust removal methods,it was concluded that high pressure abrasive jet was the mainstream of ship rust removal in the future.On the basis of analyzing the working principle and advantage of high pressure abrasive jet ship rust removal,the system of ship rust removal based on PLC controlled combined with HMI was studied including its composition,working process and the automatic control system.Finally,the relationship between the primary and secondary factors of the control system and the optimum parameters were determined by the orthogonal test to make the equipment work more effectively.

ship rust removal;abrasive jet;premixed;automatic control;orthogonal test

TP 273

A

1001-4543(2017)04-0251-07

10.19570/j.cnki.jsspu.2017.04.001

2017-08-21

楊淑珍(1978–),女,江西玉山人,副教授,博士在讀,主要研究方向為機(jī)電測控技術(shù)、磨料流加工技術(shù)。E-mail:szyang@sspu.edu.cn。

上海市科委科技攻關(guān)項目(17511107302),上海第二工業(yè)大學(xué)校重點(diǎn)學(xué)科項目(XXKZD1603)資助