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1、一种改进的海洋环境腐蚀模拟试验装置一种改进的海洋环境腐蚀模拟试验装置的研制的研制Research of an improved simulation test device for corrosion in marine environment浙江海洋学院机电工程学院 施勤龙，赵晓栋，周 枫，谢亚胜，范细秋School of Electromechanical Engineering, Zhejiang Ocean University Shi Qinlong, Zhao Xiaodong, Zhou Feng, Xie Yasheng, Fan Xiqiu摘要：本文综述了一种改进的海洋环境腐
2、蚀模拟试验装置的研制，并依据海洋实际环境结合计算机辅助制造设计技术对装置原动机的选择、传动机构、水循环系统和试片架进行了设计。关键词：海洋环境；腐蚀模拟；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
3、based on the marine environment combined with CAD technology. Key words: Marine environment; corrosion simulation; design引言引言研究海洋环境下钢结构构筑物的腐蚀规律，发展海洋腐蚀控制的新方法和新技术，对于保障海洋设施安全、促进循环经济、保护海洋环境、发展节约型社会具有重大意义。发展海洋腐蚀控制的新方法和新技术需要以海洋环境中钢铁材料的腐蚀行为规律和相关的腐蚀数据积累为依据。而实海试验是一种可靠的方法，但是这种方法的缺点也是显而易见的。现场试验需要大量的人力、物力，工作量大，
4、不便于随时观察和测试，周期较长。另外，由于恶劣的海洋条件，试样很容易丢失也给工作造成困难，甚至失败。因此，为了解决这些问题，本研究旨在开发一套海洋环境腐蚀模拟试验装置。本装置能够在室内模拟外海真实腐蚀环境，并且通过水循环系统真正实现全天候自动化作业，实现在实验室内模拟海洋环境，尤其是对潮差区的模拟。通过实验室挂片试验，实时监测腐蚀数据，研究钢铁材料在海洋环境下五个不同区带的腐蚀行为及规律，为发展海洋腐蚀控制的新方法和新技术提供理论依据。1. 装置的装置的设计设计思想及方案确定思想及方案确定1.1 设计思想本研究的设计思想就是使整个机构尽可能简捷，整体装置使用方便，工作时，能够实现水循环使用，准
5、确模拟潮起潮落。整体思路上，首先明确该机构所要实现的功能，确定一个总体轮廓，然后根据各个零部件的特点和功能分别对其进行设计，再综合已有模型优化系统的总体布局。最后利用 UG 软件对各零部件进行三维设计和运动仿真，完成整个机构的工作仿真和实物制作。1.2 装置性能指标和总体构成本试验装置要求能够模拟出外海海洋腐蚀环境，并且结构简单、试验成本低、操作简单。要求根据海洋实际情况来完成试验装置的总体设置，要拟合海洋环境中的五个腐蚀区，尤其是试验的重点区域潮差区和飞溅区。装置的另一特点就是要实现水的循环使用，即在有限的空间里利用有限的资源来完成实验。海洋环境腐蚀模拟实验装置的主要机构是造波系统、水循环系
6、统、传动系统及试片架四部分构成，实现造波和海水的循环利用是本装置的关键所在。（1）造波系统迄今为止，造波机以机械式为主，即通过造波部件的机械运动对水体施加扰动产生波动。常见的有一下几种：摇板式。通过机械驱动使摇板绕固定轴摆动，使池中水产生波动。摇板的摆动幅度控制波高，波长或周期则由摆动的频率来确定。活塞式。通过连杆驱动设在水槽一端的活塞进行往复运动，使池中水产生波动。波高取决于活塞冲程和速度，波长则取决于往复频率。冲箱式。造波部件为断面呈特殊形状的柱体，通过该柱体沿垂直水面方向围绕水面作往复运动达到造波目的。转桶式。转桶式则是通过设置在水面的圆柱体绕偏心轮旋转使水产生波动。（2）水循环系统目前
7、，在开展此类实验时，还没有一个装置能够实现水的自动循环，水循环也是本装置的一个独特之处。为了实现水的循环使用和模拟海洋潮汐情况，流量控制方式必须是间断性的，所以本装置中水循环系统主要由动力元件、管道、定时开关和流量控制器三部分组成。（3）传动系统目前，造波机的传动类型有两种：液压传动和机械传动。由于液压传动价格较高，加上某些液压元件质量难以保证及维修复杂，漏油现象难以消除，因此选择了价格较低，性能可靠的机械传动。由于本装置是在室内模拟海洋环境，对于传动系统要求结构简单。所以在选用减速器的时候必须要有较大的传动比，执行机构的选择也很重要，目前，在造波系统里通常情况下选择四杆机构来完成此动作。因此
8、本装置选用四杆机构作为传动机构。（4）试片架根据实验环境要求制作试片架的材料必须是耐腐蚀的材料。根据海洋腐蚀区域的不同，设计的试片架在每个不同区域放置不同试片，以便取得更好的实验效果。2. 机构的机构的优优化化选择设计选择设计2.1 原动机的选择表 1 选择电动机的原则一根据机械负载特性、生产工艺、电网要求、运行费用等指标，合理选择二根据机械负载所要求的过载能力、起动转矩、工作制及工况条件案件，合理选择电机功率，使功率匹配合理三根据使用场所的环境，选择电动机的防护等级和结构形式四根据生产机械的最高机械运转和传动调速系统的要求，选择电机转速五根据使用环境温度，维护检修方便、安全可靠等要求，选择电
9、机的绝缘等级和安装方式六根据电网电压、频率，选择电机的额定电压、频率根据实验的要求及安装环境，选择小型三相异步电动机（封闭式）表 2 电机型号说明名称型号结构特征用途小型三相异步电动机（封闭式）Y自扇冷却、封闭式结构，能防止灰尘、水滴大量进入电机内部作一般用途的驱动源，即用于驱动对启动性能、调速性能及转差率无特殊要求的机器和设备；亦可用于灰尘较多、水土飞溅的场所表 3 电动机的机座号与转速及功率的对应关系机座号: 132M同步转速/(r/min)|1500|功率/kW: 7.57.5图 1 电机安装示意图2.2 传动机构的设计2.2.1 减速器的选用因为电动机转速较高，此造波板的造波周期 T=
10、2s。因此需要选择一传动比较大的减速器，考虑实际情况之后选用传动比为 1：40，型号为 WD53 的涡轮蜗杆减速器。2.2.2 机构形式选择根据本体结构的需要，综合考虑传动性能、成本等方面的原因，这里选用四杆机构传动方式。典型的四杆机构有曲柄摇杆、曲柄滑块等，如图 2 所示。图 2 典型机构经过比较，本装置采用曲柄摇杆机构。2.2.3 机构主要参数的确定描述铰链四杆机构的主要参数为压力角 、传动角 、极位夹角 、形成速度变化系数图 3 铰链四杆机构参数示意对于铰链四杆机构，要求压力角越小越好。通常，把在机构的运动过程中从动件摇杆往复摆动平均速度不等的运动称为急回运动。在本装置中，急回运动容易造
11、成受力不均匀，导致装置损坏加剧，所以要尽量减少其急回特性7。行程速度变化系数 K：从动件往复摆动平均速度的比值，即 =从动件快速行程平均速度 从动件慢速行程平均速度 = 180 1 + 1根据本装置的整体尺寸本铰链四杆机构主要参数：图 4 曲柄摇杆机构示意a=150mm b=600mm c=530mm d=680mmK = 1.08 = 7造波板的摆角为 352.3 水循环系统的设计目前，在开展此类实验时，还没有一个装置能够实现水的全自动循环，水循环也是本装置的一个独特之处。为了实现水的循环使用和模拟海洋潮汐情况，本装置中水循环系统主要由动力元件、管道、定时开关和流量控制器三部分组成。2.3.
12、1 动力源选择考虑到动力源必须放到水下，且海水具有一定的腐蚀性，所以所选择的动力必须是防水且耐腐蚀的设备。经过考虑选择常用于鱼缸的小型水泵，此类水泵能适应水下环境，而且材质是非金属具有一定的抗腐蚀能力。市场上常见水泵如图 5。图 5 典型水泵主要参数：电压:220/240V；频率:50Hz；功率:56W；扬程:3.8 米；流量:2200 升/小时特性：（1）本潜水泵可用于抽水，喷氧，过滤，喷泉等多重用途；（2）适用于淡水、海水使用,安全耐用，超静，节能高效，维护简易等众多优点2.3.2 管道设计为了实现海水循环使用，必须设计一种管道连通两个盛放海水的容器来实现海水循环。在同类型的模拟试验装置中
13、通常采用虹吸原理来实现潮涨潮落：在试验中通过调节进水管阀门，向容器中恒流注水，当液面达到 HTL 时，海水便通过虹吸管自动排出；通过调节虹吸管的阀门，使排水量大于注水量时，页面开始下降，当液面降至虹吸管底部时（LTL），排水自动停止，液面开始回升。由于容器本身比较小，流量也随之减少，为了更好的控制流量和模拟潮汐涨落，本装置采用定时器来达到控制的目的，即用定时器来控制水泵的开关，在调节好流量的同时以自然界潮汐涨落的周期来设置定时器，这样便可以完成在规定时间内潮汐涨落。管道结构形式设计如图 6。图 6 管道形式和布局图由于管道与水泵出口之间口径大小不一，为了实现管道与水泵之间的紧密连接，另外，流量
14、调节在实验过程中很重要，这样就需要设计管接头，具体形式如图 7。图 7 管接头另外，为了模拟海洋潮汐涨落自然现象，不仅需要控制流量还要控制进出水时间以便实现水位涨落现象。根据两容器体积及海洋实际各区带的分布情况，各区带分布如图 8，计算水流量。图 8 区带分布潮差区L = 190 mm L1 = 65 + 9(4457) = 71.947 cmL2 = 65 + 9(2557) = 68.947 cml1 = 45 + 9(4457) = 51.947 cml2 = 45 + 9(2557) = 48.947 cm =11 + 22 2 =71.947 51.947 + 68.947 48.9
15、47 2= 67565.7063 = 6 60= 187.68332.4 试片架的设计试片架的设计要求使用方便，结构简单。本装置试片架采用 PVC 水管作为主体框架，试片作为一个相对独立的整体固定在框架上。试片整体对框架相对独立的设计，这样对试片的操作很方便，易于实验的实施和实验效果的观察。试片连接方式如图 9。图 9 试片连接形式2.5 装置整体效果经后期借助计算机辅助设计技术，完成对装置的整体参数化造型，具体见图 10。图 10 管道系统和整体布局3 致致谢谢本工作得到浙江省科技厅优先主题重点项目（2008C14096，2009C11148）以及浙江省高校优秀青年教师资助的大力支持，在此表示感谢！
