船舶智能除銹裝置的優(yōu)化設(shè)計(jì)

王銀炯，周斌強(qiáng)，任月平，楊金超

（1.寧波市鄞州盛飛專利代理事務(wù)所（特殊普通合伙）舟山分所，浙江 舟山 316000；2.舟山長(zhǎng)宏國(guó)際船舶修造有限公司普陀船廠，浙江 舟山 316000；3.尚海海洋科技（浙江自貿(mào)區(qū)）有限公司，浙江 舟山 316000；4.企智數(shù)科（南京）科創(chuàng)服務(wù)有限公司，江蘇 南京 210005）

0 引 言

隨著社會(huì)大眾對(duì)海洋環(huán)保意識(shí)的不斷提高，以及人類對(duì)于保護(hù)海洋環(huán)境的呼吁越來越高，傳統(tǒng)除銹方法已經(jīng)無法達(dá)到人們對(duì)環(huán)保理念、環(huán)保質(zhì)量、節(jié)能智能除銹的要求，所以急需一種快速精準(zhǔn)除銹的方法和設(shè)備。而按照目前海運(yùn)發(fā)展的前景來看，PLC船舶智能除銹裝置將會(huì)具備非常美好的前景，它不僅可以預(yù)估對(duì)于待估除銹船舶的時(shí)間周期，進(jìn)一步預(yù)估其經(jīng)濟(jì)成本，更重要的是可以除銹干凈徹底，不會(huì)造成二次污染。針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械清洗法、高壓水除銹法、激光除銹法等所存在的問題與不足，PLC船舶智能除銹裝置可以處理具有復(fù)雜結(jié)構(gòu)和形狀的船體表面，并且可以在惡劣或狹窄的空間中執(zhí)行除銹和清潔操作等[1-3]。

1 船舶智能除銹裝置的設(shè)計(jì)要求分析

針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械清洗法、高壓水除銹法、激光除銹法等所存在的問題與不足，并參考其他船舶涂料除銹的設(shè)計(jì)等資料，確立了船舶涂料除銹裝置的設(shè)計(jì)要求[6-11]，具體如下：

（1）操作方便，除銹效率高；

（2）除銹效果好，沒有二次污染；

（3）智能化程度高，惡劣條件下可以正常作業(yè)。

2 船舶智能除銹裝置的設(shè)計(jì)

2.1 船舶智能除銹裝置的工作原理

船體智能除銹的工作原理主要包括預(yù)處理、PLC智能化學(xué)及電化學(xué)除銹兩部分。

2.1.1 預(yù)處理

如圖1所示，船體除銹首先采取高壓水預(yù)處理，高壓泵3從水箱1中吸水，排出高壓水，經(jīng)過可調(diào)節(jié)流閥4調(diào)節(jié)流量，同時(shí)高壓水的壓力也得到經(jīng)調(diào)整，再通過噴嘴6噴向船舶船體，進(jìn)行船體除銹的預(yù)處理。其中過濾器2濾出水箱中的雜質(zhì)，避免雜質(zhì)進(jìn)入高壓泵3，使得高壓泵3損壞。安全閥5起著安全保護(hù)的作用，避免高壓泵3排出的水壓力過大，損壞管路等其他部件。船體除銹的預(yù)處理主要是除去已經(jīng)風(fēng)化或者將要脫落的船舶銹跡，此方法可以除去一般的海洋垃圾、少量的油漬以及部分船舶涂料等一般的附著物，仍有生銹的部分鐵銹（Fe2O3·nH2O、FeO(OH)、Fe(OH)3）存在于船體表面上。

圖1 船體除銹預(yù)處理的工作原理圖

預(yù)處理可以除去船體表面的部分不牢固銹跡，對(duì)于除去船體表面的銹跡有一定實(shí)際意義，這樣不僅加快的船體表面除銹工程的總進(jìn)度，還可以減少工人的勞動(dòng)時(shí)間。

2.1.2 化學(xué)及電化學(xué)除銹工作原理

本文采用化學(xué)以及電化學(xué)處理法除去鐵銹，具體如下：

智能除銹裝置內(nèi)部的工作原理為：

智能除銹裝置電化學(xué)反應(yīng)原理如下：

2.2 船舶智能除銹裝置的主要組成部件介紹

2.2.1 智能除銹裝置

本文設(shè)計(jì)的基于PLC智能操作的電化學(xué)除銹裝置如圖2所示。

圖2 基于PLC的船舶智能除銹裝置

圖2中，本套智能除銹裝置不僅可以通過PLC智能操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)儀器看出智能除銹的除銹速率，還可以通過視覺效果觀察出需要除銹的船體表面的銹跡在PLC智能除銹裝置中所正在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，以及被除去船體表面的銹跡的效果。從而可以精準(zhǔn)判斷船體表面的銹跡的速率，進(jìn)而通過縱觀整體目測(cè)船體銹跡面積，來預(yù)估判斷對(duì)整個(gè)船體表面除銹作業(yè)所需要的大致時(shí)間周期。這樣不僅保證了工程進(jìn)度和工作周期的準(zhǔn)確性，更可以保證船東以及船廠的切身利益。

首先，預(yù)估船舶表面的銹跡面積，通過目測(cè)預(yù)估船體表面的銹跡面積；然后為了進(jìn)一步對(duì)預(yù)估做出合理的判斷，可以采取一定的數(shù)學(xué)方法，如空間網(wǎng)狀按比例縮放求值等，對(duì)船體銹跡的表面積的做出預(yù)估判斷出；最后通過對(duì)PLC智能操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)儀器看出智能除銹的除銹速率，如此便可以對(duì)船體表面積除銹的工程進(jìn)度以及除銹周期做一個(gè)比較詳細(xì)的計(jì)劃。

在PLC智能除銹裝置中，CuSO4電解質(zhì)溶液是放在PLC智能除銹裝置對(duì)應(yīng)的容器中，可以根據(jù)除銹的需要，定期更換CuSO4電解質(zhì)溶液。在除銹過程中，首先對(duì)船體表面進(jìn)行的預(yù)除銹處理，即通過高壓水沖擊洗刷船體表面，可以出去船體表面的部分不牢固銹跡，對(duì)于除去船體表面的銹跡有一定實(shí)際意義。這樣不僅加快的船體表面除銹工程的總進(jìn)度，還可以減少工人的勞動(dòng)時(shí)間。預(yù)處理結(jié)束后，接下來進(jìn)行的便是對(duì)船體表面的在PLC智能除銹操作，打開PLC智能除銹裝置，選擇船體表面的某一處銹跡的地方，進(jìn)行智能化除銹。此時(shí)只需要看著PLC智能除銹裝置的操作面板來觀察除銹的效率以及除銹的效果。PLC智能除銹裝置通過控制對(duì)應(yīng)除銹儀器中電信號(hào)反饋和化學(xué)信號(hào)反饋的相互作用來控制除銹裝置的，通過對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度來選擇恰當(dāng)?shù)某P方案，進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案來使PLC智能除銹裝置可以更高效率的實(shí)現(xiàn)除銹效果。

2.2.2 PLC智能操作系統(tǒng)

除銹裝置中動(dòng)作程序（指令：前進(jìn)除銹、后退、前進(jìn)除銹、停止）：

如圖3所示，PLC智能操作系統(tǒng)上有三個(gè)操縱按鈕，即“前進(jìn)（SB4）”“后退（SB5）”“停止（SB3）”。

圖3 PLC智能操作系統(tǒng)

該系統(tǒng)操作簡(jiǎn)便靈活，控制原理如下所述?？刂苹芈方油?4 V直流電源后：

（1）按下按鈕SB4，繼電器KA1得電，其常開觸點(diǎn)閉合，接觸器KM2得電，電機(jī)勵(lì)磁繞組L1中電流從A到B，電機(jī)4正轉(zhuǎn)，電機(jī)4牽引前進(jìn)；

（2）按下按鈕SB5，繼電器KA2得電，其常開觸點(diǎn)閉合，接觸器KM3得電，其常開觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開，電機(jī)勵(lì)磁繞組L1中電流從B到A，電機(jī)4反轉(zhuǎn)，電機(jī)4牽引后退；

（3）SB3為停止按鈕，當(dāng)按下SB3時(shí)，制動(dòng)離合器YB動(dòng)作，直到電機(jī)4停轉(zhuǎn)，牽引停止。

3 船舶智能除銹裝置的可行性分析

3.1 結(jié)構(gòu)可行性分析

本套智能除銹裝置不僅可以通過PLC智能操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)儀器查看智能除銹的除銹速率，還可以通過視覺效果觀察需要除銹的船體表面的銹跡在PLC智能除銹裝置中所正在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，以及被除去船體表面的銹跡的效果，基于此便可以對(duì)船體表面積除銹的工程進(jìn)度以及除銹周期做一個(gè)比較詳細(xì)的計(jì)劃。

在PLC智能除銹操作系統(tǒng)中，首先對(duì)船體表面進(jìn)行預(yù)除銹處理，即通過高壓水沖擊洗刷船體表面，可以除去船體表面的部分不牢固銹跡，對(duì)于除去船體表面的銹跡有一定實(shí)際意義。這樣不僅加快的船體表面除銹工程的總進(jìn)度，還可以減少工人的勞動(dòng)時(shí)間。預(yù)處理結(jié)束后，進(jìn)行對(duì)船體表面的PLC智能除銹操作。打開PLC智能除銹裝置，選擇船體表面的某一處銹跡的地方，進(jìn)行智能化除銹。此時(shí)，只需要查看PLC智能除銹裝置的操作面板，便可以觀察到除銹的效率以及除銹的效果。PLC智能除銹裝置是通過控制對(duì)應(yīng)除銹儀器中電信號(hào)反饋和化學(xué)信號(hào)反饋的相互作用來控制除銹裝置的。通過對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度選擇恰當(dāng)?shù)某P方案，進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案使PLC智能除銹裝置可以實(shí)現(xiàn)更高效率的除銹效果。

PLC智能除銹系統(tǒng)操作下，通過PLC智能除銹電信號(hào)和PLC智能除銹化學(xué)信號(hào)的相互作用，使PLC智能操作系統(tǒng)做出應(yīng)答，分析綜合、做出反應(yīng)，使裝置前進(jìn)除銹、后退除銹、再次除銹以及除銹完畢，停止等一系列過程。

3.2 經(jīng)濟(jì)可行性分析

本文系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)花費(fèi)小、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，可以適應(yīng)不同環(huán)境下作業(yè)，具有良好的實(shí)用性，符合經(jīng)濟(jì)性要求。另外，本套智能除銹裝置不僅可以通過PLC智能操作系統(tǒng)的對(duì)應(yīng)儀器查看智能除銹的除銹速率，還可以通過視覺效果觀察到需要除銹的船體表面的銹跡在PLC智能除銹裝置中所正在發(fā)生的化學(xué)反應(yīng)和電化學(xué)反應(yīng)，以及被除去船體表面的銹跡的效果，從而可以精準(zhǔn)判斷船體表面的銹跡的速率，進(jìn)而通過縱觀整體目測(cè)船體銹跡面積，來預(yù)估判斷對(duì)整個(gè)船體表面除銹作業(yè)所需要的大致時(shí)間周期。這樣不僅保證了工程進(jìn)度和工作周期的準(zhǔn)確性，更可以保證船東以及船廠的切身利益。

3.3 操作可行性分析

在PLC智能除銹操作系統(tǒng)中，CuSO4電解質(zhì)溶液是放在PLC智能除銹裝置對(duì)應(yīng)的容器中，可以根據(jù)除銹的需要，定期更換CuSO4電解質(zhì)溶液。在除銹過程中，首先對(duì)船體表面進(jìn)行的預(yù)除銹處理，即通過高壓水沖擊洗刷船體表面可以出去船體表面的部分不牢固銹跡，對(duì)于除去船體表面的銹跡有一定實(shí)際意義。這樣不僅加快了船體表面除銹工程的總進(jìn)度，還可以減少工人勞動(dòng)時(shí)間。預(yù)處理結(jié)束后再進(jìn)行船體表面的PLC智能除銹操作。打開PLC智能除銹裝置，選擇船體表面的某一處銹跡的地方，即可智能化除銹。此時(shí)，通過PLC智能除銹裝置的操作面板便可觀察除銹的效率以及除銹的效果。PLC智能除銹裝置通過控制對(duì)應(yīng)除銹儀器中電信號(hào)反饋和化學(xué)信號(hào)反饋的相互作用來控制除銹裝置的，通過對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度來選擇恰當(dāng)?shù)某P方案。

改進(jìn)后采用PLC控制系統(tǒng)智能化地實(shí)現(xiàn)控制除銹裝置的前進(jìn)、后退、再前進(jìn)以及除銹完畢后停止等一系列過程，不但使操作更加簡(jiǎn)單，同時(shí)對(duì)于技術(shù)的要求大大降低，節(jié)省了大量勞動(dòng)力，使操作更加容易，工作效率大大提高。

3.4 技術(shù)可行性分析

智能除銹裝置電信號(hào)傳遞到PLC智能操作系統(tǒng)，PLC智能除銹裝置系統(tǒng)對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度做出反饋，發(fā)布對(duì)應(yīng)指令，根據(jù)已有的設(shè)計(jì)方案，智能除銹裝置運(yùn)行，并進(jìn)行預(yù)定作業(yè)，智能除銹作業(yè)開始，直至智能除銹作業(yè)完成。

由于的船舶局部需要除銹的生銹部分預(yù)處理已經(jīng)除去表面易脫落的部分，而PLC智能除銹裝置可以進(jìn)一步進(jìn)行除銹作業(yè)，直至除銹已經(jīng)完成。除銹完成以后，除銹裝置會(huì)發(fā)出化學(xué)信號(hào)，對(duì)應(yīng)的化學(xué)信號(hào)傳遞到PLC智能除銹操作系統(tǒng)中。PLC智能操作系統(tǒng)發(fā)出指令，除銹任務(wù)已完成，并進(jìn)行下一步預(yù)定作業(yè)，除銹裝置退出已除銹的船體部分。

本反應(yīng)是在船體表面的鐵銹上進(jìn)行的，在電化學(xué)反應(yīng)的作用下，會(huì)逐漸將船體表面生銹的部分逐漸溶解。由于銹的成分和結(jié)構(gòu)相對(duì)比較復(fù)雜，溶解的過程不是均勻的向深處推進(jìn)，而是活性部分首先溶解。而在電極反應(yīng)的過程中，產(chǎn)生的氣體會(huì)在逸出的過程中對(duì)銹產(chǎn)生很強(qiáng)烈的剝離作用，從而使大部分銹不僅僅是靠溶解，而是靠剝離除去，進(jìn)而提高除銹效率。

4 結(jié) 語(yǔ)

本文從船舶智能除銹裝置的設(shè)計(jì)要求出發(fā)出，針對(duì)傳統(tǒng)的機(jī)械清洗法、高壓水除銹法、激光除銹法等所存在的問題與不足，設(shè)計(jì)出了船舶智能除銹裝置，并從結(jié)構(gòu)、技術(shù)、經(jīng)濟(jì)性、操作等方面論證了船舶智能除銹裝置的可行性。本文在新材料的發(fā)掘方面以及新型涂料方面仍需要進(jìn)一步完善。