高壓水射流旋轉(zhuǎn)噴槍除銹試驗(yàn)及優(yōu)化

陳真，張悅，陸華

(1.南通中遠(yuǎn)克萊芬船舶工程有限公司，江蘇 南通 226006;2.南通大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 南通 226019;3.南通中遠(yuǎn)海運(yùn)船務(wù)工程有限公司，江蘇 南通 226006)

船舶除銹作為船舶修理及涂裝工序重要環(huán)節(jié)，表面除銹質(zhì)量的好壞直接決定了涂層的效果。高壓水射流除銹是通過高壓泵驅(qū)動(dòng)的高壓水的沖擊動(dòng)能去除船舶表面銹層，因其高效、環(huán)保、可控等優(yōu)點(diǎn)已被世界各國廣泛接受和使用。眾多學(xué)者對(duì)于高壓水射流除銹機(jī)理及仿真實(shí)驗(yàn)進(jìn)行了研究[1-2]。目前工業(yè)生產(chǎn)中水射流除銹方式主要是圓盤和手持噴槍旋轉(zhuǎn)射流除銹。旋轉(zhuǎn)射流具有除銹面積大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。關(guān)于多噴嘴旋轉(zhuǎn)射流清洗效率的相關(guān)研究還鮮有報(bào)道，關(guān)于旋轉(zhuǎn)射流清洗參數(shù)的搭配較為混亂，資源利用效率不高。為了提高高壓水射流除銹效率、降低生產(chǎn)成本，對(duì)水射流不同參數(shù)下壓力、靶距、噴嘴直徑等進(jìn)行正交試驗(yàn)分析，探究旋轉(zhuǎn)射流清洗效率的最優(yōu)搭配，同時(shí)綜合考慮電機(jī)功率消耗和除銹質(zhì)量要求對(duì)水射流除銹參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化，得出高壓水射流除銹生產(chǎn)的最優(yōu)方案；顯著提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。

1 制定試驗(yàn)方案

高壓水射流除銹效率主要取決于射流打擊力與除銹范圍，提高射流打擊力則去除銹層所需的時(shí)間變短，同時(shí)增大除銹范圍則除銹效率變高[3]；射流打擊力主要取決于水射流壓力與噴嘴直徑，壓力與噴嘴結(jié)構(gòu)確定之后射流除銹面積主要取決于靶距[4]；靶距同樣是水射流除銹效率重要參數(shù)。文獻(xiàn)[5]認(rèn)為靶距增大，射流動(dòng)壓降低，難以達(dá)到快速除銹效果；靶距降低，射流除銹面積變小，除銹效率降低。經(jīng)過實(shí)驗(yàn)分析得到的經(jīng)驗(yàn)公式如下[6]。

Fmax=120(p/100)1.15d1.75

(1)

Lopt=99.7d0.9(p/100)

(2)

式中：Fmax為水射流打擊力，N；p為水射流壓力，MPa；d為噴嘴出口直徑，mm；Lopt為最佳靶距，mm。

為獲得旋轉(zhuǎn)射流最優(yōu)參數(shù)搭配，試驗(yàn)在船塢內(nèi)進(jìn)行，旋轉(zhuǎn)噴槍配有4個(gè)噴嘴，按照正方形4個(gè)頂點(diǎn)布置，見圖1。船體表面污染物主要為環(huán)氧底漆和鐵銹,多次測量單位時(shí)間的除銹面積，取平均值作為除銹效率；文獻(xiàn)[7]認(rèn)為在水射流壓力達(dá)到180 MPa即可輕松去除銹層及漆皮，噴槍旋轉(zhuǎn)射流最大壓力可達(dá)220 MPa；因此，試驗(yàn)選取射流壓力為180～220 MPa，噴嘴直徑選擇0.2～0.4 mm，靶距選擇10～50 mm。

圖1 噴槍頭

2 正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)

采用正交試驗(yàn)法對(duì)3種因素：射流壓力、噴嘴直徑、靶距進(jìn)行試驗(yàn)；各個(gè)因素選取3種水平[8]：射流壓力選擇180、200、220 MPa；噴嘴直徑選擇0.2、0.3、0.4 mm;靶距選擇10、30、50 mm。由于本試驗(yàn)采用3個(gè)因素3種水平，選取L9(34)正交表，按照正交表進(jìn)行試驗(yàn)。不同參數(shù)下水射流除銹效率見表1。

表1 除銹效率試驗(yàn)結(jié)果

正交試驗(yàn)結(jié)果分析見表2：Kmj代表因素m的第j列水平對(duì)應(yīng)的試驗(yàn)指標(biāo)和；kmj代表Kmj的平均值，反映了因素m的第j列水平的平均值，其值的大小可以用來判斷第j列水平的最優(yōu)值及其組合；Rj代表第j列因素的極差，等于kmj中極大值與極小值之差，反映了第j列水平變化時(shí)對(duì)試驗(yàn)結(jié)果造成的影響；其值越大，則該因素的變化對(duì)試驗(yàn)造成的影響越大。

表2 極差分析

對(duì)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)極差加以分析：R射流壓力>R靶距>R噴嘴直徑，即除銹效率的影響因素依次為射流壓力、靶距和噴嘴直徑，且射流壓力與靶距影響相差不多，噴嘴直徑影響相對(duì)較?。粚?duì)水射流除銹壓力的3個(gè)水平進(jìn)行比較：K11

3 水射流除銹實(shí)際生產(chǎn)優(yōu)化方案

3.1 水射流除銹壓力、流量參數(shù)優(yōu)化方案

上述正交試驗(yàn)分析是在理想狀態(tài)下進(jìn)行，壓力越大、噴嘴直徑越大、靶距一定時(shí)則清洗效率越高；沒有考慮到水射流流量及清洗質(zhì)量要求，在實(shí)際除銹過程中同樣還需要考慮到功率消耗的問題。理論上射流噴嘴直徑越大，水射流清洗效率越高，當(dāng)高壓泵壓力、流量一定時(shí)，噴嘴直徑就有一個(gè)最大值，噴嘴直徑與壓力流量計(jì)算公式如下[9]。

(3)

式中：D為噴嘴直徑，mm；Q為流量，L/min；n為噴嘴數(shù)量，n=4；p為射流壓力，bar；η為噴嘴效率系數(shù)(本例為噴槍效率系數(shù)η選為1.1)。

電機(jī)功率與壓力流量的計(jì)算公式[10]為

(4)

式中：P為電機(jī)功率，kW；p為壓力，MPa；η為電機(jī)工作效率，一般取0.875。

由式(4)可知，電機(jī)功率僅與水射流壓力和流量(或是噴嘴直徑)相關(guān)，而與靶距無關(guān)；表2列出了不同壓力和噴嘴直徑下電機(jī)所需功率。水射流壓力為180 MPa時(shí)，噴嘴直徑從0.2 mm增加到0.3 mm，電機(jī)功率由10.73 kW增至24.16 kW，增加了125%；噴嘴直徑從0.3 mm增至0.4 mm，電機(jī)功率由24.16 kW增至42.96 kW，增加了77.8%；當(dāng)水射流壓力為200 MPa、220 MPa時(shí)，電機(jī)功率隨噴嘴直徑變化規(guī)律相同；當(dāng)水射流壓力一定時(shí)，噴嘴直徑越大，則所需流量越大，電機(jī)消耗功率越大；噴嘴直徑逐漸變大的同時(shí)，電機(jī)功率隨之變大的趨勢(shì)減小。水射流噴嘴直徑為0.2 mm，射流壓力從180 MPa增至200 MPa時(shí)，電機(jī)功率由10.73 kW增至12.54 kW，增加了16.9%；射流壓力從200 MPa增至220 MPa時(shí)，電機(jī)功率由12.54 kW增長到14.51 kW，增加了15.7%；當(dāng)水射流噴嘴直徑為0.3 mm或0.4 mm時(shí)，電機(jī)功率隨射流壓力變化具有類似規(guī)律；水射流噴嘴一定時(shí)，射流壓力越大，流量越大，則電機(jī)功率越大；同樣射流壓力逐漸變大的同時(shí)，電機(jī)功率增大的趨勢(shì)逐漸減小。

由表3可見，噴嘴直徑的變化引起電機(jī)功率的變化要遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于壓力變化所引起的電機(jī)功率的變化，與正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)得到的清洗效率變化較大程度地取決于射流壓力，噴嘴直徑影響較小的結(jié)論正好相反。因此，在實(shí)際除銹過程中水射流壓力應(yīng)盡可能選擇較大值，選用較小噴嘴直徑可以減少功率消耗；然而噴嘴直徑越小，水射流流量越小，清洗效率變低。因此,在使用大流量水箱時(shí)的情況下，可以選擇將流量分散連接多個(gè)噴槍，相對(duì)于提高噴嘴直徑以加大流量從而提高效率的方式，多噴槍方案可以顯著提高除銹效率和經(jīng)濟(jì)效益。

表3 不同壓力和噴嘴直徑下的電機(jī)功率

3.2 水射流除銹靶距參數(shù)優(yōu)化

對(duì)射流壓力220 MPa、噴嘴直徑0.4 mm、不同靶距下船舶除銹試驗(yàn)，得到的除銹效率見圖2。當(dāng)靶距由10 mm增加到30 mm時(shí)，水射流除銹效率從8.14 m2/h提高到12.15 m2/h，提高了49.2%；當(dāng)靶距由30 mm增加到50 mm時(shí)，水射流除銹效率降低到10.02 m2/h,降低了17.55%；當(dāng)靶距提高到70 mm時(shí)，清洗效率降為7.86 m2/h，又降低了21.5%。分析可知，當(dāng)靶距在30 mm之前水射流除銹打擊力足夠大，影響除銹效率的主要因素是除銹面積，靶距越大，水射流發(fā)散面積越大，除銹效率越高；當(dāng)靶距在30 mm以外水射流作用面積變大，此時(shí)影響水射流除銹效率主要因素是水射流打擊力，射流打擊力降低，單位面積除銹時(shí)間變長，除銹速度變慢，效率降低；隨著靶距逐漸增加除銹效率逐漸降低，且降低幅度越來越大。當(dāng)水射流除銹靶距達(dá)到50 mm及以上時(shí)，不僅除銹效率急劇下降，除銹質(zhì)量也較低，難以達(dá)到涂裝要求的WJ-2除銹等級(jí)；即表面清潔至啞光，至少95%的表面區(qū)域不含以前所有可見殘留物，其余5%只包含隨機(jī)分散的附著物。即使延長水射流沖擊時(shí)間，船舶表面較頑固的銹層仍然無法清除，這是因?yàn)榘芯嗟脑黾訉?dǎo)致射流打擊力小于部分銹層與船體表面的結(jié)合力，無法達(dá)到除銹質(zhì)量要求。

圖2 水射流清洗效率隨靶距變化

4 結(jié)論

1)正交試驗(yàn)設(shè)計(jì)分析得出影響水射流除銹效率的主次因素分別為水射流壓力、靶距、噴嘴直徑；射流壓力、噴嘴直徑越大，除銹效率越高；除銹效率最高的參數(shù)搭配為壓力220 MPa、靶距30 mm、噴嘴直徑0.4 mm。

2)綜合考慮除銹效率與電機(jī)功率消耗，提出一種水射流除銹壓力、流量優(yōu)化方案：選用較小直徑噴嘴，并在流量充足的情況下連接多個(gè)噴槍以提高除銹效率、降低電機(jī)功率。

3)對(duì)壓力220 MPa、噴嘴直徑0.4 mm水射流除銹實(shí)驗(yàn)研究表明：水射流除銹靶距在30 mm以內(nèi)效率逐漸增加，30 mm以外逐漸降低，且在50 mm以外船舶表面除銹質(zhì)量難以達(dá)到涂裝要求。