论文题目: 超高压水射流自动爬壁除锈机理与成套设备技术
论文类型: 博士论文
论文专业: 化工过程机械
作者: 薛胜雄
导师: 王乐勤
关键词: 超高压水射流,除锈机理,爬壁机器人,成套技术,应用研究
文献来源: 浙江大学
发表年度: 2005
论文摘要: 船舶除锈乃至大型罐槽除锈至今仍是工程难题,钢质材料在海水中腐蚀、在空气中氧化,这种氧化层称之为锈,金属表面涂装前必须除去锈层,标准术语叫做表面预处理。笔者承担了“超高压水射流自动爬壁除锈成套设备”科技部科研院所基金,编号为NCSTE-2-1-JK2X-132,本课题的目标是:利用200-250 MPa超高压旋转水射流自动爬壁除锈作业,除锈质量达到Sa2. 5级“白金”,且除锈不返锈、锈渣回收,除锈速度50m2/h。这一成套技术主要包括以下三部分:250MPa、160kW超高压泵机组、自动爬壁机器人系统和真空吸附与排渣系统。这是一项二十一世纪初发达国家的高新应用技术,以取代传统的人工锤击除锈和干气喷砂除锈,降低劳动强度,避免环境污染,减少作业成本,确保除锈质量。因此,大面积钢质金属表面预处理的应用市场潜力巨大,是一项典型的高技术附加值的应用成套技术。本文从以下八个方面予以阐述并得出结论:1. 概述本课题的市场背景、技术目标、理论研究和技术路线,得出结论:超高压水射流除锈的技术参数为:压力200-250MPa、流量30L/min,本课题实现了这一目标。2. 讨论各种形式的水射流除锈方法利弊,综述国际通行标准,得出结论:超高压水射流自动爬壁除锈成套技术是当今世界上除锈技术的先进生产力,提出这一技术研究的内容及思路。3. 研讨水射流除锈相关系列的理论,从水射流的内在与外在特征入手,揭示水射流微观破坏机理:射流打击力和最佳靶距是射流破坏的直观参数。4. 超高压水射流除锈的工况是:在单束圆柱射流的基础上,使用相同的几束射流旋转,形成雾化流场;同时因超高压水射流的温升,真空抽吸能力作用,流场产生温升与汽化,本文提出这一湍流条件下多相流的数学模型和数值模拟。结论:数值模拟与实验结果是吻合的:比较而言,k-ω模型的稳定性和收敛性都更适合应用。5. 以数学手段建立超高压水射流对除锈层的破坏机理模型,经数值分析得出结论:除锈机理是因水射流的法向打击力产生的弯矩应力和因喷嘴安装角度、旋转运动形成的切向力产生的剪应力复合作用,锈层内部主要为拉伸破坏。经验模型揭示了除锈能力与水射流参数之间的关系。 6.详细论述成套设备技术,从超高压泵、爬壁机器人、真空系统和整体设计四方面论述成套设备的关键技术问题。本课题的运行可靠性在于超高压往复动密封、旋转动密封和进出水阀组设计等,笔者单独剖析这三部分理论设计,系统解读设备可靠性设计经验; 7.应用技术必须经过试验的检验,笔者以实用目标建立试验条件,从微观与宏观分析试验情况,从压力、流量、靶距、速度与质量的统一诸方面研讨试验的过程、影响因素,从而得出水射流除锈的优化参数和质量与速度统一的判据,提出提高除锈效率的方法; 8.结合本课题综述理论研究、设计经验和试验研究结论,对本项成果技术商品化和推广应用提出问题及其措施。同时就超高压可压缩液体端湍流理论的进一步研究提出新的研究方向与思路。 本文研究的技术创新点为: 1.提出超高压水射流自动爬壁除锈成套设备整体设计、参数匹配和施工设计,实现了机器人爬壁作业,用水除锈不返锈的目标; 2.对于受限空间的多孔超高压冲击射流的复杂流场进行了数值模拟,采用汽液两相流的k一。模型较好模拟了冲击射流的各向异性特征; 3.建立超高压水射流除锈机理数学模型和经验模型并结合试验参数验证之; 4.完成超高压纯水往复密封和旋转密封的设计与试验,应用有限元法和间隙理论解析上述两类密封。关键词:超高压水射流除锈机理爬壁机器人成套技术应用研究
论文目录:
摘要
Abstract
图例索引
列表索引
目录
第一章 绪论
第一节 提示一个市场背景
第二节 提交一种除锈工艺
第三节 提出一组射流理论
第四节 提供一套设备技术
一、 成套技术
二、 超高压泵机组
二、 爬壁机器人
四、 真空系统
五、 成套设备输出参数
本章小结
第二章 超高压水射流技术的应用与现状
第一节 水射流技术的应用现状(UHP Water Jet)
第二节 除锈之“锈”(Rust)
第三节 传统的除锈技术(Traditional Way)
第四节 磨料射流技术(Abrasive Jet)
第五节 超高压纯水射流技术(UHP Pure Water Jet)
第六节 自动爬壁除锈成套技术(Hydro-Robot)
第七节 脉冲射流技术(Rulse Jet)
第八节 表面预处理标准综述(Standard)
本章小结
第三章 超高压水射流结构的研究
第一节 射流的特性研究
一、水的可压缩性
二、 射流结构
三、 射流轴心线上速度的变化规律
四、 射流的稳定性
第二节 射流速度衰减的理论解析
一、 射流理论描述的基本条件
二、 射流从喷嘴设出的解析描述
三、 射流速度的结构理论关系
第三节 射流的微观破坏机理
一、 射流破坏的基本物理模型
二、 液滴与材料的相互作用
三、 射流打击力
四、 自由剪切湍流
第四节 射流破坏理论
本章小结
第四章 超高压水射流流场数值模拟
第一节 湍流概述
第二节 湍流模型
一、 雷诺平均的N-S方程
二、 标准k-ε模型的方程
三、RNG k-ε模型
四、 带旋流修正k-ε模型
五、 k-ω模型
第三节 多相流模型
一、 多相流模型的选择
二、 考虑空化效应的混合模型
三、 非定常空化射流控制方程组
第四节 数值模拟计算及分析
一、 问题原型及计算方法
二、 边界条件及网格划分
三、 模拟结果
四、 分析及结论
本章小结
第五章 超高压水射流除锈机理研究
第一节 冲击湍射流理论
一、 射流雾化
二、 湍流冲击射流
三、 旋转射流
第二节 除锈机理流固作用数学模拟
一、 水射流控制方程
二、 锈层孔隙介质控制方程
三、 孔隙流体流动控制方程
四、 射流与锈层相互作用控制方程
第三节 流固作用模型计算方法
一、 锈层控制方程的数值解法
二、 流固作用问题的数值解法
第四节 数值计算结果与分析
第五节 除锈机理经验模型及其验证
本章小结
第六章 成套设备技术
第一节 系统设计
一、 系统方案论证
二、 系统能量损失
三、 国外同类产品技术水平
第二节 超高压泵机组
一、 整体设计
二、 超高压往复动密封
三、 进山水阀组的设计
四、 自增强处理工艺
第三节 爬壁机器人
一、 整体设计
二、 超高压旋转密封设计
三、 喷嘴的设计
第四节 真空系统
本章小结
第七章 试验研究
第一节 除锈机理图解
第二节 氯化物试验
一、 气动磨头砂纸打磨(Abrasive paper Pneumatic Grinder)
二、 气动锤击(Pneumatic Needle)
三、 干喷铜矿渣(Copper Slag Blasting)
四、 超高压水射流(Hydroblasting)
五、 试验研究
第三节 显微研究
一、 未经清洗的钢质表面
二、 砂纸打磨
三、 气动锤击
四、 超高压水射流
第四节 试验研究
一、 试验研究
二、 试验过程
三、 试验的影响因素
本章小结
第八章 结论与展望
第一节 结论
第二节 展望
致谢
参考文献
攻读博士期间获奖与发表主要论文情况
发布时间: 2005-04-29
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