1、Research of an improved simulation test device for corrosion in marine environment浙江海洋學(xué)院機電工程學(xué)院施勤龍，趙曉棟，周 楓，謝亞勝，范細秋School of Electromechanical Engineering, ZhejiangOceanUniversityShi Qinlong, Zhao Xiaodong, Zhou Feng, Xie Yasheng, Fan Xiqiu摘要：本文綜述了一種改進的海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置的研制，并依據(jù)海洋實際環(huán)境結(jié)合計算機輔助制造設(shè)計技術(shù)對裝置原動機的選擇、傳

2、動機構(gòu)、水循環(huán)系統(tǒng)和試片架進行了設(shè)計。關(guān)鍵詞：海洋環(huán)境；腐蝕模擬；研制Abstract: In this paper, the research of an improved simulation test device for corrosion in marine environment were reviewed, and designed the selection of the motor, transmission, water cycle system and specimen frame based on the marine environment combined with

3、 CAD technology. Key words: Marine environment; corrosion simulation; design引言研究海洋環(huán)境下鋼結(jié)構(gòu)構(gòu)筑物的腐蝕規(guī)律，發(fā)展海洋腐蝕控制的新方法和新技術(shù)，對于保障海洋設(shè)施安全、促進循環(huán)經(jīng)濟、保護海洋環(huán)境、發(fā)展節(jié)約型社會具有重大意義。發(fā)展海洋腐蝕控制的新方法和新技術(shù)需要以海洋環(huán)境中鋼鐵材料的腐蝕行為規(guī)律和相關(guān)的腐蝕數(shù)據(jù)積累為依據(jù)。而實海試驗是一種可靠的方法，但是這種方法的缺點也是顯而易見的?，F(xiàn)場試驗需要大量的人力、物力，工作量大，不便于隨時觀察和測試，周期較長。另外，由于惡劣的海洋條件，試樣很容易丟失也給工作造成困難，甚至

4、失敗。因此，為了解決這些問題，本研究旨在開發(fā)一套海洋環(huán)境腐蝕模擬試驗裝置。本裝置能夠在室內(nèi)模擬外海真實腐蝕環(huán)境，并且通過水循環(huán)系統(tǒng)真正實現(xiàn)全天候自動化作業(yè)，實現(xiàn)在實驗室內(nèi)模擬海洋環(huán)境，尤其是對潮差區(qū)的模擬。通過實驗室掛片試驗，實時監(jiān)測腐蝕數(shù)據(jù)，研究鋼鐵材料在海洋環(huán)境下五個不同區(qū)帶的腐蝕行為及規(guī)律，為發(fā)展海洋腐蝕控制的新方法和新技術(shù)提供理論依據(jù)。1.裝置的設(shè)計思想及方案確定1.1設(shè)計思想本研究的設(shè)計思想就是使整個機構(gòu)盡可能簡捷，整體裝置使用方便，工作時，能夠?qū)崿F(xiàn)水循環(huán)使用，準(zhǔn)確模擬潮起潮落。整體思路上，首先明確該機構(gòu)所要實現(xiàn)的功能，確定一個總體輪廓，然后根據(jù)各個零部件的特點和功能分別對其進行設(shè)計

5、，再綜合已有模型優(yōu)化系統(tǒng)的總體布局。最后利用UG軟件對各零部件進行三維設(shè)計和運動仿真，完成整個機構(gòu)的工作仿真和實物制作。1.2裝置性能指標(biāo)和總體構(gòu)成本試驗裝置要求能夠模擬出外海海洋腐蝕環(huán)境，并且結(jié)構(gòu)簡單、試驗成本低、操作簡單。要求根據(jù)海洋實際情況來完成試驗裝置的總體設(shè)置，要擬合海洋環(huán)境中的五個腐蝕區(qū)，尤其是試驗的重點區(qū)域潮差區(qū)和飛濺區(qū)。裝置的另一特點就是要實現(xiàn)水的循環(huán)使用，即在有限的空間里利用有限的資源來完成實驗。海洋環(huán)境腐蝕模擬實驗裝置的主要機構(gòu)是造波系統(tǒng)、水循環(huán)系統(tǒng)、傳動系統(tǒng)及試片架四部分構(gòu)成，實現(xiàn)造波和海水的循環(huán)利用是本裝置的關(guān)鍵所在。（1）造波系統(tǒng)迄今為止，造波機以機械式為主，即通過造

6、波部件的機械運動對水體施加擾動產(chǎn)生波動。常見的有一下幾種：搖板式。通過機械驅(qū)動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產(chǎn)生波動。搖板的擺動幅度控制波高，波長或周期則由擺動的頻率來確定。活塞式。通過連桿驅(qū)動設(shè)在水槽一端的活塞進行往復(fù)運動，使池中水產(chǎn)生波動。波高取決于活塞沖程和速度，波長則取決于往復(fù)頻率。沖箱式。造波部件為斷面呈特殊形狀的柱體，通過該柱體沿垂直水面方向圍繞水面作往復(fù)運動達到造波目的。轉(zhuǎn)桶式。轉(zhuǎn)桶式則是通過設(shè)置在水面的圓柱體繞偏心輪旋轉(zhuǎn)使水產(chǎn)生波動。（2）水循環(huán)系統(tǒng)目前，在開展此類實驗時，還沒有一個裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水的自動循環(huán)，水循環(huán)也是本裝置的一個獨特之處。為了實現(xiàn)水的循環(huán)使用和模擬海洋潮汐情況，

7、流量控制方式必須是間斷性的，所以本裝置中水循環(huán)系統(tǒng)主要由動力元件、管道、定時開關(guān)和流量控制器三部分組成。（3）傳動系統(tǒng)目前，造波機的傳動類型有兩種：液壓傳動和機械傳動。由于液壓傳動價格較高，加上某些液壓元件質(zhì)量難以保證及維修復(fù)雜，漏油現(xiàn)象難以消除，因此選擇了價格較低，性能可靠的機械傳動。由于本裝置是在室內(nèi)模擬海洋環(huán)境，對于傳動系統(tǒng)要求結(jié)構(gòu)簡單。所以在選用減速器的時候必須要有較大的傳動比，執(zhí)行機構(gòu)的選擇也很重要，目前，在造波系統(tǒng)里通常情況下選擇四桿機構(gòu)來完成此動作。因此本裝置選用四桿機構(gòu)作為傳動機構(gòu)。（4）試片架根據(jù)實驗環(huán)境要求制作試片架的材料必須是耐腐蝕的材料。根據(jù)海洋腐蝕區(qū)域的不同，設(shè)計的試

8、片架在每個不同區(qū)域放置不同試片，以便取得更好的實驗效果。2. 機構(gòu)的優(yōu)化選擇設(shè)計原動機的選擇表1選擇電動機的原則一根據(jù)機械負載特性、生產(chǎn)工藝、電網(wǎng)要求、運行費用等指標(biāo)，合理選擇二根據(jù)機械負載所要求的過載能力、起動轉(zhuǎn)矩、工作制及工況條件案件，合理選擇電機功率，使功率匹配合理三根據(jù)使用場所的環(huán)境，選擇電動機的防護等級和結(jié)構(gòu)形式四根據(jù)生產(chǎn)機械的最高機械運轉(zhuǎn)和傳動調(diào)速系統(tǒng)的要求，選擇電機轉(zhuǎn)速五根據(jù)使用環(huán)境溫度，維護檢修方便、安全可靠等要求，選擇電機的絕緣等級和安裝方式六根據(jù)電網(wǎng)電壓、頻率，選擇電機的額定電壓、頻率根據(jù)實驗的要求及安裝環(huán)境，選擇小型三相異步電動機（封閉式）表2電機型號說明名稱型號結(jié)構(gòu)特征

9、用途小型三相異步電動機（封閉式）Y自扇冷卻、封閉式結(jié)構(gòu)，能防止灰塵、水滴大量進入電機內(nèi)部作一般用途的驅(qū)動源，即用于驅(qū)動對啟動性能、調(diào)速性能及轉(zhuǎn)差率無特殊要求的機器和設(shè)備；亦可用于灰塵較多、水土飛濺的場所表3電動機的機座號與轉(zhuǎn)速及功率的對應(yīng)關(guān)系機座號: 132M圖1 電機安裝示意圖2.2傳動機構(gòu)的設(shè)計減速器的選用因為電動機轉(zhuǎn)速較高，此造波板的造波周期T=2s。因此需要選擇一傳動比較大的減速器，考慮實際情況之后選用傳動比為1：40，型號為WD53的渦輪蝸桿減速器。機構(gòu)形式選擇根據(jù)本體結(jié)構(gòu)的需要，綜合考慮傳動性能、成本等方面的原因，這里選用四桿機構(gòu)傳動方式。典型的四桿機構(gòu)有曲柄搖桿、曲柄滑塊等，如圖

10、2所示。圖2 典型機構(gòu)經(jīng)過比較，本裝置采用曲柄搖桿機構(gòu)。機構(gòu)主要參數(shù)的確定描述鉸鏈四桿機構(gòu)的主要參數(shù)為壓力角、傳動角、極位夾角、形成速度變化系數(shù)圖3鉸鏈四桿機構(gòu)參數(shù)示意對于鉸鏈四桿機構(gòu)，要求壓力角越小越好。通常，把在機構(gòu)的運動過程中從動件搖桿往復(fù)擺動平均速度不等的運動稱為急回運動。在本裝置中，急回運動容易造成受力不均勻，導(dǎo)致裝置損壞加劇，所以要盡量減少其急回特性7。行程速度變化系數(shù)K：從動件往復(fù)擺動平均速度的比值，即根據(jù)本裝置的整體尺寸本鉸鏈四桿機構(gòu)主要參數(shù)：圖4曲柄搖桿機構(gòu)示意a=150mm b=600mmc=530mm d=680mm = 7造波板的擺角為352.3水循環(huán)系統(tǒng)的設(shè)計目前，在

11、開展此類實驗時，還沒有一個裝置能夠?qū)崿F(xiàn)水的全自動循環(huán)，水循環(huán)也是本裝置的一個獨特之處。為了實現(xiàn)水的循環(huán)使用和模擬海洋潮汐情況，本裝置中水循環(huán)系統(tǒng)主要由動力元件、管道、定時開關(guān)和流量控制器三部分組成。2動力源選擇考慮到動力源必須放到水下，且海水具有一定的腐蝕性，所以所選擇的動力必須是防水且耐腐蝕的設(shè)備。經(jīng)過考慮選擇常用于魚缸的小型水泵，此類水泵能適應(yīng)水下環(huán)境，而且材質(zhì)是非金屬具有一定的抗腐蝕能力。市場上常見水泵如圖5。圖5典型水泵主要參數(shù)：電壓:220/240V；頻率:50Hz；功率:56W；揚程:；流量:2200升/小時特性：（1）本潛水泵可用于抽水，噴氧，過濾，噴泉等多重用途；（2）適用于淡

12、水、海水使用,安全耐用，超靜，節(jié)能高效，維護簡易等眾多優(yōu)點2管道設(shè)計為了實現(xiàn)海水循環(huán)使用，必須設(shè)計一種管道連通兩個盛放海水的容器來實現(xiàn)海水循環(huán)。在同類型的模擬試驗裝置中通常采用虹吸原理來實現(xiàn)潮漲潮落：在試驗中通過調(diào)節(jié)進水管閥門，向容器中恒流注水，當(dāng)液面達到HTL時，海水便通過虹吸管自動排出；通過調(diào)節(jié)虹吸管的閥門，使排水量大于注水量時，頁面開始下降，當(dāng)液面降至虹吸管底部時（LTL），排水自動停止，液面開始回升。由于容器本身比較小，流量也隨之減少，為了更好的控制流量和模擬潮汐漲落，本裝置采用定時器來達到控制的目的，即用定時器來控制水泵的開關(guān)，在調(diào)節(jié)好流量的同時以自然界潮汐漲落的周期來設(shè)置定時器，這

13、樣便可以完成在規(guī)定時間內(nèi)潮汐漲落。管道結(jié)構(gòu)形式設(shè)計如圖6。圖6管道形式和布局圖由于管道與水泵出口之間口徑大小不一，為了實現(xiàn)管道與水泵之間的緊密連接，另外，流量調(diào)節(jié)在實驗過程中很重要，這樣就需要設(shè)計管接頭，具體形式如圖7。圖7 管接頭另外，為了模擬海洋潮汐漲落自然現(xiàn)象，不僅需要控制流量還要控制進出水時間以便實現(xiàn)水位漲落現(xiàn)象。根據(jù)兩容器體積及海洋實際各區(qū)帶的分布情況，各區(qū)帶分布如圖8，計算水流量。圖8 區(qū)帶分布潮差區(qū)L = 190 mmL1 = 65 + 9(4457) = 71.947 cmL2 = 65 + 9(2557) = 68.947 cml1 = 45 + 9(4457) = 51.947 cml2 = 45 + 9(2557) = 48.947 cm2.4試片架的設(shè)計試片架的設(shè)計要求使用方便，結(jié)構(gòu)簡單。本裝置試片架采用PVC水管作為主體框架，試片作為