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(zhuān)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(lèi)對(duì)于保護(hù)海洋環(huán)境的呼吁越來(lái)越高，傳統(tǒng)除銹方法已經(jīng)無(wú)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(lái)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(wèn)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(wèn)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(méi)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(guò)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(guò)噴嘴6噴向船舶船體，進(jìn)行船體除銹的預(yù)處理。其中過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)視覺(jué)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(guò)縱觀整體目測(cè)船體銹跡面積，來(lái)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(guò)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(guò)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(guò)程中，首先對(duì)船體表面進(jìn)行的預(yù)除銹處理，即通過(guò)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(lái)進(jìn)行的便是對(duì)船體表面的在PLC智能除銹操作，打開(kāi)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(lái)觀察除銹的效率以及除銹的效果。PLC智能除銹裝置通過(guò)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(lái)控制除銹裝置的，通過(guò)對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度來(lái)選擇恰當(dāng)?shù)某P方案，進(jìn)一步設(shè)計(jì)方案來(lái)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。控制回路接通24 V直流電源后：

（1）按下按鈕SB4，繼電器KA1得電，其常開(kāi)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(kāi)觸點(diǎn)閉合，接觸器KM3得電，其常開(kāi)觸點(diǎn)閉合，常閉觸點(diǎn)斷開(kāi)，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(guò)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(guò)視覺(jué)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(guò)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(kāi)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(guò)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(lái)控制除銹裝置的。通過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(guò)視覺(jué)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(guò)縱觀整體目測(cè)船體銹跡面積，來(lái)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(guò)程中，首先對(duì)船體表面進(jìn)行的預(yù)除銹處理，即通過(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)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(lái)控制除銹裝置的，通過(guò)對(duì)船體表面某一部分的銹跡面積以及銹跡厚度來(lái)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(guò)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(kāi)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(guò)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(guò)程中，產(chǎn)生的氣體會(huì)在逸出的過(guò)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(wèn)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。