喷砂除锈机理及参数优化研究.doc

喷砂除锈机理及参数优化研究SPENGINEENG)l_3ONo.12008船舶工程总第3O卷,2008年第1期喷砂除锈机理及参数优化研究周晓君,韩延峰,王法永(中国石油大学(华东)石油工程学院,东营257061)摘要:根据流固两相流理论分析了磨料在喷枪中的运动规律,得到了喷枪长度的计算式;定义了喷砂除锈效率的表达式并利用该表达式分析喷枪内径对除锈效率的影响,得到了最佳喷枪内径的计算式;从锈渍受力的角度分析了喷射倾角对除锈效率的影响,通过计算得到当喷射角度为54.7度时,除锈效果最佳;分析了喷砂机与喷枪之间的软管对除锈效率的影响,分析表明,采用小长径比软管,减小入口喷枪夹角有利于提高除锈效率.关键词:船舶;船舶建造工艺;喷砂除锈;喷枪内径;喷射角度;喷砂机;参数优化中图分类号:U671.1文献标识码:A文章编号:1000-6982(2008)01-0066-03StudyonthemechanismandparameteroptimizationofderustingbysandblastZHOUXiao-jun,HANYanfeng,WANGFa-yong(CollegeofPetroleumEngineering,ChinaUniversityofPetroleum,Dongying257061,China)Abstract:Themovementruleofgrininthejettinggunwasanalyzedaccordingtothetheoryoftwo-phaseflowandtheequationfo,thelengthofjemnggun.Theequationofderustingefficiencyisdeifnedandtheeffectofinternaldiameterofjettinggunisanalyzed,eequationofjemnggunoptimuminternaldiameterwasgot.Theeffectofthejettingangletoderustingefciencyisanalyzedandtheoptimumanglewhichis54.7wasgo,atthisanglethederustingefficiencyisthebest.Theeffectoftheflexiblepipetoderustingefciencywasanalyzedandsomesuggestiontoimprovethederustingefficiencywasgiven.Keywords:ship;shipconstructiontechnics,derustingbysandblast;spraygunbore,sandblastmachine;parameteroptimization0前言喷砂除锈是船舶喷涂前主要的表面处理方法,除锈质量直接影响到喷涂的效果和质量,因此,喷砂除锈在造船和修船过程中都有着重要的应用.与其他除锈方式相比,喷砂除锈具有劳动强度低,机械程度高,除锈质量好等优点,适用于室内,室外等多种场合,除锈等级可控制在Sa2.5NSa3之间lJJ.1除锈机理及喷枪长度计算喷砂除锈设备借助于压缩空气或高压水所形成的高速气流(或气液两相流)将一定浓度,一定粒径的磨料(如砂粒,刚丸,陶粒等)喷射到船体或其他工件表面,利用磨料的冲击,磨削作用将其表面的氧化皮,油漆,油渍等清除干净.适当的调节气体(液体)流速,流量,磨料类型以及磨料含量和其他参数,可以在不同的工件表面达到指定等级的除锈效果.为了扩大工作半径,大多喷砂机和喷枪之间都由一定长度的软管连接,由于软管的长度及弯曲状态不固定,管中的流固两相流动状态十分复杂,因此,选择从喷枪入口处开始对磨料的运动情况进行分析.喷砂机正常工作时,磨料均匀悬浮流动,如图1所示,设喷枪倾角为,内径为D,以长度为,的磨料颗粒群为研究对象,进行受力分析可知(以气力喷砂为例),颗粒群受气体推动力尺,喷枪管壁阻力卿重力的作用.其中,气体推动力R为21:收稿日期:2007-08-23;修回日期:2007.10-29作者简介:周晓君(1963一),男,博士,教授,主要研究方向:海洋石油工程,采油技术与理论一66尺=c(1)为定常流动,即=v?dv,则式(6)可改写为:式中,c为绕流阻力系数,无量纲;为嘏粒群的总的迎风面积,m2;为空气密度,kg/m3;Va为空气在喷枪中的流速,nVs;为,处磨料的运动速度,ngs.图1磨料在喷枪中的运动示意图喷枪内壁对磨料粒群的阻力劝嘲:=tA=萼c2式中,为,段的压力差,Pm为喷枪内过流面截面积,m2;为粒群阻力系数,无量纲;为悬浮状态下粒群的密度,kg/m3.,段的粒群重力则可表示为:G:g:g,(3)V式中,为假的磨料的质量,kg;g为重力加速度,ngs.;为磨料质量流量,kg/s;式(1)中的绕流阻力系数C为:=Fo-v1Rek(4)L-J式中,Re为雷诺数,无量纲;为磨料颗粒粒径,m;,k为待定系数和指数,无量纲,不同阻力区内取值不同.根据牛顿第二定律可得到磨料颗粒群在喷枪轴向上的运动方程为:尺一T,一Wsin(5)dl引入颗粒自由悬浮时绕流阻力系数,列和行简化圈.同时考虑磨料利群密度=/Av,则式(5)可表示为:生:f1一_sin(6)gdtVJ2gD在喷砂机稳定工作时,认为磨料在喷枪中的运动生:f一_sin(7)gd/IV/2gD这样,式(6)和式(7)就建立起了磨料颗粒群在喷枪中的运动速度与运动时间f和v与运动距离,的关系式.它们是研究磨料在喷枪中运动规律的基本微分方程.如果确定了磨料喷射运动所在的阻力区,即确定了参数Ij,积分即可得Nv与喷射距离,的关系式.以牛顿阻力区为例,此时=0,式(7)可改写为:,fdfdl:.(8)g(一g.v.:llv.I一2()+(一毒122sn)式(8)为速度比v/v与磨料移动距离,的关系式,对上式进行积分并考虑边界条件,=0时,vv=P.(Po为喷枪入口处,在喷枪轴向上磨料流速与气体流速的比值),可得:,=2gM?rln,()一2+VdVdMp0一2p0+N1In(Mvl,V一_1+-Z)(Mp.o一-l1一+zZ)1z)(MplV+(9)式中,_1一笳;Jv_l一V2sin;Z:xl-MN.确定了喷枪入口和出口处的流固两相的速度比,即可确定喷枪的最佳长度.如果喷枪入口处软管轴向和喷枪轴向垂直,则认为在该处磨料颗粒沿喷枪轴向的速度为0,因此0=0,式(9)将得到简化.2除锈效率及影响因素除锈效率即单位时间内清洗的船体表面面积,其表达式为:f=A,xv,(10)其中,为喷枪的有效清洗面积,Vp;b喷枪的移动速度.以图2所示的操作为例,喷枪倾角为,喷距为,喷嘴直径为D,出喷枪后磨料的有效扩散角度为7.磨料束喷射到船体上的有效面积为一椭圆.椭圆的长,短轴直径可近似表示为:=D+x+=D+一+COSCOS(O+y)COS一67b:D+tgy则椭圆面积可表示为:=a6=(pg,+(p+q)Dl+D)(11)式中:p:;C0SC0Sg=+1COSCOSCOSj.gI+l?(+7将式(11)代入式(10)中,则除锈效率为:/:(pql+(p+q)Dl+DVp(12)喷枪移动速度与磨料喷射速度,锈渍物性,磨料类犁,喷射倾角,喷射距离以及其他人为因素有关.图2磨料喷射示意图2.1喷嘴直径对除锈效率的影响从式(11)中可以看到,随着喷嘴直径D的增大,喷嘴的清洗面积将随之增加.在一定的范围内除锈效率也将随之提高,与此同时,喷枪中的气体流量也将随之增加,当所有喷枪中的总体气体流量超过压气机的额定工作量时,喷枪中的气体流速将迅速减小,磨料的喷射速度,磨料所获取的能量也随之减小,除单位面积的锈渍所需要的时间将增加,即在达到同一除锈等级要求时,喷枪的移动速度v必须减小.最终将影响除锈效率.因此,如果喷砂机所配备的压气机供,z只喷枪同时工作,压气机额定排量为,为达到某一除锈效果所需的最低气体流速为V,则还应满足如下关系式:D:g=Dv:Q则:D因此,为了获取最大的除锈效率可取喷嘴内径需要注意的是,在计算最低气体喷速v时,应该考虑到磨料从喷枪出口到船体表面这一喷射过程中的能量损失.2.2喷枪倾角对除锈效率的影响仅从式(11)可以看到,随着喷枪倾角的增加,P,q值均增加,因此,除锈面积增加,除锈效率也随之提高.但是,磨料颗粒出喷枪后的运动距离也随之增加,能量损失增大,因此,在一定的工况下,会存在一个最优倾角.假设一个质量为m的磨料颗粒,以与水平方向夹角为的速度v冲击到船体表面,如图3所示.图3磨料颗粒对锈渍的力学作用分析磨料颗粒对锈渍的冲击力可以分解为一个主应力口一个切应力设磨料碰撞到船体表面锈渍后的速度降为0,则根据冲量定理可知,磨料对锈渍的冲击力为F=mv,则z分别表示为:仃=FC0S=ml;c0sf=Fsin=mvsin则锈渍单元体所受到的最大正应力为:一导+将玳入式(13)中并整理化简,有:,厂一,=F【C0SCg+卜J4)可以求得当a=54.7.时,的值最大.即在该倾角下工作时,锈渍最容易破裂变形,而被清除掉.考虑到磨料从喷枪中喷射出来后,存在一定角度的扩散,喷枪倾角应该控制在4570.之间.2.3软管对除锈效率的影响喷枪入口处的空气压力称为工作压力,该压力越大,磨料颗粒就越容易获取大的喷射速度,除锈效率也将随之提高.记压缩空气储气罐内的压力为,喷枪工作压力为,则根据伯诺利方程I3】可得:Po=yah+P+V+P(15Z式中,为两点高度差;为气体重度,值很小,所以的值可以忽略;vl为喷枪入口处的空气流速;为从储气罐到喷枪入口的压力损失.该压力损失包括软管入口等处的局部压力损失,沿程压力损失,流固混合压力损失等其他形式的压力损失,故(下转第29页)68一夏,Y,V的比转速进行了计算,计算结果如下:1)普通导管桨比转速,z在1600至3500之间;2)带前置导叶的导管桨LLgSgns在2700至3800之间;3)带后置导叶的导管桨比转速,z在1100左右.计算结果进一步表明导管桨是高比转速轴流泵.经比较还发现,导管桨与同样比转速的轴流泵相比效率要低,因而提高导管桨的性能存在着较大空间./-/=365(?)nD)5138975341-d)4JZKrjKo(13)4结论翻阅所有关于导管桨的文献资料,都没有相应的理论推导和详细的设计方法介绍,只有为数不多的导管螺旋桨系列试验及设计图谱介绍.文献I6】对导管桨的工作原理作了探讨,但忽略了尾流中水流的旋转,不考虑周向诱导速度的回收,因而没有导叶,得出的结果显然比较粗糙,尚可用以定性地分析导管螺旋桨的性能.另外叶轮和导管的配合间隙取得太大,所有这些致使率效下降.既然导管桨是高比转速轴流泵,就可借鉴叶片泵的理论体系,设计方法以及成熟的经验来完善导管桨的研究和设计.有两条途径可走:第一条途径是按导管桨的(上接第68页),12P=PgI+J一(16)/zg式中,D为软管的长度和内径,m;,备,墨为沿程阻力系数,局部阻力系数,其他阻力系数,无量纲.从式(16)中可以看到,在满足工作要求的情况下,缩短软管长度,采用大内径软管有利于降低压力损失,提供喷枪工作压力,以提高除锈效率.此外,还要尽量保持软管顺直,以减小因管内流向发生改变而导致的压力损失.另外,从式(9)中可以看到,在喷枪长度一定的情况下,如果入口处的固流速度Lepo增大,则喷枪出口处的固流速度比也将增大.即磨料颗粒的喷射速度得到了提高,有利于提高除锈效率.软管与喷枪的轴向夹角越小,越能提高喷枪入口处的固流速度比,因此在喷砂除锈操作中应尽量减小夹角设计思路,先确定进速系数,推力系数和扭矩系数,再通过式(12)计算得到流量,扬程等泵的参数,按轴流泵的设计方法设计叶轮或者有必要时设计导叶;第二条途径是完全按喷水推进泵的设计思路和方法,优化选取推进泵的主要参数后,再按轴流泵的设计方法进行设计.上述两条途径都可用螺旋桨升力面理论来进行力特性的预测和评估.这样既能进行流量,扬程等性能的宏观调控,又能进行流场和压力分布微观细节的把握.这是一种结合了导管桨和轴流泵各自设计长处新的工程应用设计思路和方法.参考文献:1】金平仲主编,船舶喷水推进M.北京:北京国防工业出版社,1986.2】JL.Allison,.ChangbenJiang,JGStricker,MMAthavale,JKerwln,TTaylor.Internationalconferenceon,vatedpropulsion,latestdevelopmentsIA1TheRoyalInstitutionofNavalArchitectsCAmsterdam,Proceedings,22-23October1998.3】金平仲,王立祥等.喷水推进轴流泵的设计【A】.船舶喷水推进及轴流式推进泵论文集C】,1992.4】A?A洛马金.离心泵与轴流泵M.北京:机械工业出版社,1978.5】李世煌.叶片泵的非设计工况及其优化设计M.北京:机械工业出版社,2006.6】王国强,盛振邦.船舶推进M1.北京:国防工业