LPG 罐車節(jié)水清洗設備研發(fā)與參數(shù)優(yōu)化研究

邢熙權(quán)，朱海清，張春波，張 雄

（江南大學機械工程學院，江蘇 無錫 214122）

1 引言

液化石油氣（LPG）罐車在年度檢驗、全面檢驗以及段修、廠修、換裝物料前都要進行內(nèi)部清洗，傳統(tǒng)的蒸煮法與化學清洗法等由于存在能耗高、污染重、勞動強度大的諸多弊端，目前已逐步被新型的高壓水射流清洗工藝所淘汰[1-2]。調(diào)研表明，在學術(shù)研究上，目前國內(nèi)對于LPG 罐車水射流自動化清洗系統(tǒng)的研究較少，且一般也只是停留在清洗系統(tǒng)整體功能模塊的搭建上，只做功能設想與模塊組合，并沒有就具體環(huán)節(jié)，如清洗噴頭在內(nèi)設防波板罐體內(nèi)的越障行走、針對強附著力硬質(zhì)污垢刮刷動作的實現(xiàn)以及清洗路徑軌跡的合理規(guī)劃等提出建設性的解決方案；在工程應用上，目前采用較多的三維旋轉(zhuǎn)射流清洗的射流壓力一般為50MPa 左右，射流流量約為（60～120）L/min。其主要弊端為：一是由于LPG 罐車內(nèi)設防波板對射流的阻礙作用，導致射流無法實現(xiàn)罐體內(nèi)壁和防波板表面的全方位無死角清洗；二是單純靠射流打擊力除垢，射流功率較大，水耗能耗大，且設備成本較高，經(jīng)濟效益不高[3-5]。

2 罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)研發(fā)

2.1 整體系統(tǒng)設計

為彌補目前LPG 罐車高壓水射流清洗技術(shù)的不足，本著節(jié)能降耗的原則，提出一種將水射流物理清洗與刮刷機械清洗相結(jié)合的新型液化石油氣罐車清洗方式，并結(jié)合計算機控制技術(shù)和現(xiàn)代傳感技術(shù)，實現(xiàn)了罐車清洗的自動化和智能化。其總體清洗系統(tǒng)原理圖，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，整個清洗系統(tǒng)由四大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為：

圖1 LPG 罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Saving Cleaning System for LPG Car

（1）高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)：主要由過濾器、加熱器、柱塞泵和配套的管路閥門組成。由于污垢破碎力轉(zhuǎn)由機械刮刷力提供，射流壓力可大大降低，因此柱塞泵額定壓力定為15MPa，流量為14L/min。

（2）射流清洗執(zhí)行系統(tǒng)：主要由高壓軟管，爬壁射流清洗小車組成。

（3）清洗控制系統(tǒng)：主要由上位機中控臺、下位機控制器和相應的傳感模塊、導線與信號傳輸線等組成。

（4）污水處理循環(huán)系統(tǒng)：主要由真空泵和管路閥門構(gòu)成，作用是回收污水，過濾分離，凈化處理，循環(huán)利用。

2.2 爬壁射流清洗小車結(jié)構(gòu)設計

為實現(xiàn)水射流物理清洗與刮刷機械清洗的有效結(jié)合，并完成罐體內(nèi)壁和防波板的全面無死角清洗，提出了一種可完成垂直壁面轉(zhuǎn)換的爬壁射流清洗小車。爬壁射流清洗小車主要由七大部分構(gòu)成，分別為車體、四驅(qū)行走機構(gòu)、俯仰曳引機構(gòu)、噴刷機構(gòu)、電磁吸附機構(gòu)、視頻傳輸機構(gòu)、供電與控制機構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 爬壁射流清洗小車外形圖Fig.2 The Figure of the Wall Cleaning Jet Car

從圖2 可以看出，噴刷機構(gòu)是爬壁射流清洗小車的核心，也是清洗的最終執(zhí)行機構(gòu)。其主要由噴頭組件、行星輪組件和鋼絲刷組件三大部分組成，噴頭組件在周向分布的三個射流噴嘴的切向反沖力矩的作用下進行自旋運動，并帶動行星輪組件進行自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，行星輪軸中套有鋼絲刷組件，因此可最終實現(xiàn)環(huán)狀覆蓋的邊沖邊刷清洗作業(yè)。

2.3 總結(jié)

綜上可知，新型罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)的優(yōu)勢在于：

（1）將機械刮刷清洗與高壓水射流清洗方式有效結(jié)合，污垢破碎力轉(zhuǎn)由刮刷力提供，可有效降低高壓水射流門限壓力，成本和水耗能耗也可大大降低；

（2）爬壁射流清洗小車作為清洗執(zhí)行機構(gòu)，依靠電磁吸附作用可實現(xiàn)罐體內(nèi)壁無死角運動，小車前端搭載俯仰磁輪機構(gòu)，可實現(xiàn)清洗壁面垂直轉(zhuǎn)換，從而可完成防波板表面的清洗工作，使清洗更為全面徹底；

（3）傳感技術(shù)，視頻傳輸技術(shù)和計算機控制技術(shù)的應用，可實現(xiàn)罐體內(nèi)壁的全自動化清洗，無需工人下罐作業(yè)，提高清洗效率的同時，有效保證了清洗工作人員的安全和健康。

3 射流清洗小車工作參數(shù)優(yōu)化研究

3.1 噴頭轉(zhuǎn)速研究與參數(shù)優(yōu)化

噴刷機構(gòu)簡圖，如圖3 所示。三個周向均布的噴嘴射流提供反沖力矩，帶動噴刷機構(gòu)實現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運動。

圖3 噴刷機構(gòu)簡圖Fig.3 Sketch of Brush Mechanism

式中：J—噴刷機構(gòu)轉(zhuǎn)動慣量，kg·m2；

ρ—射流密度，kg/m3；

Q—射流流量，m3/s；

ω—噴刷機構(gòu)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

R1—噴嘴旋轉(zhuǎn)半徑，m；

F1—射流反沖力，N；

d—噴嘴直徑，mm；

P—射流壓力，MPa；

α—射流入射角，°；

μ—鋼絲刷與罐體內(nèi)壁的動摩擦因數(shù)；

F2—鋼絲刷壓緊力，N；

R2—鋼絲刷旋轉(zhuǎn)半徑，m。

由式（1）可推導出噴刷機構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度方程為：

式中：t—噴刷機構(gòu)從起動算起的時間，s。

對射流工作參數(shù)的研究以及噴刷機構(gòu)三維模型尺寸參數(shù)可知，式（2）中的各參數(shù)的數(shù)值對應表，如表1 所示。

將表1 參數(shù)值代入式（2）化簡可得：

表1 參數(shù)對照表Tab.1 Parameter Comparison Table

取α=0～90°，F(xiàn)2=（0～10）N，可繪制旋轉(zhuǎn)角速度ω 與射流入射角α 和鋼絲刷壓緊力F2的關(guān)系圖象，如圖4 所示。從圖4 可以看出，噴刷機構(gòu)轉(zhuǎn)速隨射流入射角的增大而增加，隨壓緊力的增大而減小。因此增大入射角和減小壓緊力均有助于提高清洗速度，但同時也會導致射流打擊力和鋼絲刷破壞力下降，需要優(yōu)化入射角與壓緊力的最佳組合。工程實踐表明，污垢層在循環(huán)噴射頻率為15Hz 左右的射流作用下，既可避免水層堆積造成“水墊作用”，又能使污垢層在單位時間內(nèi)獲得更多的沖刷次數(shù)。由于噴刷機構(gòu)為三噴嘴結(jié)構(gòu)，因此旋轉(zhuǎn)速度為5r/s，此轉(zhuǎn)速下入射角和壓緊力關(guān)系，如圖5 所示。從圖5 可以得出，當污垢層較薄時，可適當減小壓緊力，選取入射角α=10°，壓緊力F2=5N 為宜；當污垢層較厚時，因適當增加壓緊力，選取入射角α=41°，壓緊力F2=20N 為宜。

圖4 轉(zhuǎn)速與入射角和壓緊力關(guān)系圖Fig.4 Relationship Between Speed and Incident Angle and Compressing Force

圖5 入射角和壓緊力關(guān)系圖Fig.5 Relation Between Incident Angle and Compressing Force

3.2 小車行進速度研究

爬壁射流清洗小車的行進速度直接決定了清洗作業(yè)的耗時長短，行進速度越大，清洗耗時越短，能耗水耗也越低，但同時可能導致清洗覆蓋不全面，出現(xiàn)漏洗或噴刷作用時間短除垢質(zhì)量不佳等情況。因此，在保證清洗質(zhì)量的前提下，盡可能的縮短清洗耗時，就需要對小車的行進速度進行優(yōu)化研究。運用FLUENT 軟件對射流靶距為85mm，射流入射角在（0～25）°范圍內(nèi)的射流內(nèi)外流場進行仿真模擬計算，結(jié)果表明，當射流入射角為10°時，射流打擊壁面的有效覆蓋寬度最寬，約為7.5mm。為保證相鄰兩條噴嘴清洗軌跡之間始終有重合，將其最小重合寬度取為0.5mm，則相鄰兩條清洗軌跡間距應為7mm。由前文可知，噴刷機構(gòu)轉(zhuǎn)速為5r/s，所以可推知小車行進速度應為105mm/s，因此對小車噴刷機構(gòu)進行清洗運動仿真可得三噴嘴的清洗路徑，如圖6 所示。從圖6可以看出，當小車行進速度為105mm/s 時，每個噴嘴清洗路徑為螺旋線軌跡，相鄰兩個螺旋線軌跡之間的最大間距為7mm，相鄰清洗軌跡的最小重合寬度為0.5mm，確保了清洗作業(yè)的無遺漏與全覆蓋，有效保證了罐體內(nèi)壁的清洗質(zhì)量。

圖6 噴嘴運動仿真軌跡圖Fig.6 Trajectory Diagram of Nozzle Movement Simulation

4 清洗效益分析

以56.1m3液化石油氣罐車為例，罐體內(nèi)表面積S1=8.666×107mm2，內(nèi)部8 組防波板的總表面積為S2=3.06×107mm2，總清洗面積為S=11.726×107mm2。清洗覆蓋直徑b=200mm，小車行進速度v=105mm/s。因此，一次完整清洗所用時長的計算公式如下：

以市面上較為常見的三維旋轉(zhuǎn)清洗設備為例，將兩種清洗方式各自的能效參數(shù)對比，如表2 所示。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出：新型刮刷與射流相結(jié)合的清洗工藝，相比于三維旋轉(zhuǎn)射流自動沖洗，雖然在清洗時間上稍長一些，但清洗用水量可以下降約77%，總能耗也降為原來的1/4，且射流壓力下降70%，有效減少了高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟成本，也提高了清洗安全性，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。

表2 能效參數(shù)對照表Tab.2 Energy Efficiency Parameter Comparison Table

5 結(jié)論

（1）提出了一種將機械刮刷清洗與高壓水射流清洗相結(jié)合的新型液化石油氣罐車節(jié)水清洗技術(shù)，開發(fā)了一套自動化清洗系統(tǒng)，設計了一種具備磁吸附爬壁行走和壁面轉(zhuǎn)換功能的爬壁射流清洗小車，可實現(xiàn)罐體內(nèi)壁和防波板的全方位無死角清洗；

（2）通過推導噴刷機構(gòu)旋轉(zhuǎn)方程，確定了在轉(zhuǎn)速為300r/min時射流入射角與壓緊力的最優(yōu)組合為：入射角為10°和壓緊力5N時用于清洗較薄污垢層；入射角為41°和壓緊力為20N 時用于清洗較厚污垢層；

（3）對噴刷機構(gòu)進行運動仿真，得出相鄰清洗軌跡間的最小重合寬度為0.5mm，小車行進速度為105mm/s；

（4）對罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)設備進行能效分析表明，相比于傳統(tǒng)高壓三維旋轉(zhuǎn)射流清洗，清洗水耗下降約77%，總能耗下降3/4，節(jié)水節(jié)能的同時，由于射流壓力下降70%，有效降低了系統(tǒng)經(jīng)濟成本，提高了清洗的安全性，社會效益和經(jīng)濟效益顯著。