LPG 罐車節(jié)水清洗設(shè)備研發(fā)與參數(shù)優(yōu)化研究

邢熙權(quán)，朱海清，張春波，張 雄

（江南大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 無(wú)錫 214122）

1 引言

液化石油氣（LPG）罐車在年度檢驗(yàn)、全面檢驗(yàn)以及段修、廠修、換裝物料前都要進(jìn)行內(nèi)部清洗，傳統(tǒng)的蒸煮法與化學(xué)清洗法等由于存在能耗高、污染重、勞動(dòng)強(qiáng)度大的諸多弊端，目前已逐步被新型的高壓水射流清洗工藝所淘汰[1-2]。調(diào)研表明，在學(xué)術(shù)研究上，目前國(guó)內(nèi)對(duì)于LPG 罐車水射流自動(dòng)化清洗系統(tǒng)的研究較少，且一般也只是停留在清洗系統(tǒng)整體功能模塊的搭建上，只做功能設(shè)想與模塊組合，并沒有就具體環(huán)節(jié)，如清洗噴頭在內(nèi)設(shè)防波板罐體內(nèi)的越障行走、針對(duì)強(qiáng)附著力硬質(zhì)污垢刮刷動(dòng)作的實(shí)現(xiàn)以及清洗路徑軌跡的合理規(guī)劃等提出建設(shè)性的解決方案；在工程應(yīng)用上，目前采用較多的三維旋轉(zhuǎn)射流清洗的射流壓力一般為50MPa 左右，射流流量約為（60～120）L/min。其主要弊端為：一是由于LPG 罐車內(nèi)設(shè)防波板對(duì)射流的阻礙作用，導(dǎo)致射流無(wú)法實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)壁和防波板表面的全方位無(wú)死角清洗；二是單純靠射流打擊力除垢，射流功率較大，水耗能耗大，且設(shè)備成本較高，經(jīng)濟(jì)效益不高[3-5]。

2 罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)研發(fā)

2.1 整體系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為彌補(bǔ)目前LPG 罐車高壓水射流清洗技術(shù)的不足，本著節(jié)能降耗的原則，提出一種將水射流物理清洗與刮刷機(jī)械清洗相結(jié)合的新型液化石油氣罐車清洗方式，并結(jié)合計(jì)算機(jī)控制技術(shù)和現(xiàn)代傳感技術(shù)，實(shí)現(xiàn)了罐車清洗的自動(dòng)化和智能化。其總體清洗系統(tǒng)原理圖，如圖1 所示。

從圖1 可以看出，整個(gè)清洗系統(tǒng)由四大子系統(tǒng)構(gòu)成，分別為：

圖1 LPG 罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)原理圖Fig.1 Schematic Diagram of Water Saving Cleaning System for LPG Car

（1）高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)：主要由過濾器、加熱器、柱塞泵和配套的管路閥門組成。由于污垢破碎力轉(zhuǎn)由機(jī)械刮刷力提供，射流壓力可大大降低，因此柱塞泵額定壓力定為15MPa，流量為14L/min。

（2）射流清洗執(zhí)行系統(tǒng)：主要由高壓軟管，爬壁射流清洗小車組成。

（3）清洗控制系統(tǒng)：主要由上位機(jī)中控臺(tái)、下位機(jī)控制器和相應(yīng)的傳感模塊、導(dǎo)線與信號(hào)傳輸線等組成。

（4）污水處理循環(huán)系統(tǒng)：主要由真空泵和管路閥門構(gòu)成，作用是回收污水，過濾分離，凈化處理，循環(huán)利用。

2.2 爬壁射流清洗小車結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

為實(shí)現(xiàn)水射流物理清洗與刮刷機(jī)械清洗的有效結(jié)合，并完成罐體內(nèi)壁和防波板的全面無(wú)死角清洗，提出了一種可完成垂直壁面轉(zhuǎn)換的爬壁射流清洗小車。爬壁射流清洗小車主要由七大部分構(gòu)成，分別為車體、四驅(qū)行走機(jī)構(gòu)、俯仰曳引機(jī)構(gòu)、噴刷機(jī)構(gòu)、電磁吸附機(jī)構(gòu)、視頻傳輸機(jī)構(gòu)、供電與控制機(jī)構(gòu)，如圖2 所示。

圖2 爬壁射流清洗小車外形圖Fig.2 The Figure of the Wall Cleaning Jet Car

從圖2 可以看出，噴刷機(jī)構(gòu)是爬壁射流清洗小車的核心，也是清洗的最終執(zhí)行機(jī)構(gòu)。其主要由噴頭組件、行星輪組件和鋼絲刷組件三大部分組成，噴頭組件在周向分布的三個(gè)射流噴嘴的切向反沖力矩的作用下進(jìn)行自旋運(yùn)動(dòng)，并帶動(dòng)行星輪組件進(jìn)行自轉(zhuǎn)與公轉(zhuǎn)，行星輪軸中套有鋼絲刷組件，因此可最終實(shí)現(xiàn)環(huán)狀覆蓋的邊沖邊刷清洗作業(yè)。

2.3 總結(jié)

綜上可知，新型罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)的優(yōu)勢(shì)在于：

（1）將機(jī)械刮刷清洗與高壓水射流清洗方式有效結(jié)合，污垢破碎力轉(zhuǎn)由刮刷力提供，可有效降低高壓水射流門限壓力，成本和水耗能耗也可大大降低；

（2）爬壁射流清洗小車作為清洗執(zhí)行機(jī)構(gòu)，依靠電磁吸附作用可實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)壁無(wú)死角運(yùn)動(dòng)，小車前端搭載俯仰磁輪機(jī)構(gòu)，可實(shí)現(xiàn)清洗壁面垂直轉(zhuǎn)換，從而可完成防波板表面的清洗工作，使清洗更為全面徹底；

（3）傳感技術(shù)，視頻傳輸技術(shù)和計(jì)算機(jī)控制技術(shù)的應(yīng)用，可實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)壁的全自動(dòng)化清洗，無(wú)需工人下罐作業(yè)，提高清洗效率的同時(shí)，有效保證了清洗工作人員的安全和健康。

3 射流清洗小車工作參數(shù)優(yōu)化研究

3.1 噴頭轉(zhuǎn)速研究與參數(shù)優(yōu)化

噴刷機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，如圖3 所示。三個(gè)周向均布的噴嘴射流提供反沖力矩，帶動(dòng)噴刷機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。

圖3 噴刷機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖Fig.3 Sketch of Brush Mechanism

式中：J—噴刷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量，kg·m2；

ρ—射流密度，kg/m3；

Q—射流流量，m3/s；

ω—噴刷機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)角速度，rad/s；

R1—噴嘴旋轉(zhuǎn)半徑，m；

F1—射流反沖力，N；

d—噴嘴直徑，mm；

P—射流壓力，MPa；

α—射流入射角，°；

μ—鋼絲刷與罐體內(nèi)壁的動(dòng)摩擦因數(shù)；

F2—鋼絲刷壓緊力，N；

R2—鋼絲刷旋轉(zhuǎn)半徑，m。

由式（1）可推導(dǎo)出噴刷機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)速度方程為：

式中：t—噴刷機(jī)構(gòu)從起動(dòng)算起的時(shí)間，s。

對(duì)射流工作參數(shù)的研究以及噴刷機(jī)構(gòu)三維模型尺寸參數(shù)可知，式（2）中的各參數(shù)的數(shù)值對(duì)應(yīng)表，如表1 所示。

將表1 參數(shù)值代入式（2）化簡(jiǎn)可得：

表1 參數(shù)對(duì)照表Tab.1 Parameter Comparison Table

取α=0～90°，F(xiàn)2=（0～10）N，可繪制旋轉(zhuǎn)角速度ω 與射流入射角α 和鋼絲刷壓緊力F2的關(guān)系圖象，如圖4 所示。從圖4 可以看出，噴刷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速隨射流入射角的增大而增加，隨壓緊力的增大而減小。因此增大入射角和減小壓緊力均有助于提高清洗速度，但同時(shí)也會(huì)導(dǎo)致射流打擊力和鋼絲刷破壞力下降，需要優(yōu)化入射角與壓緊力的最佳組合。工程實(shí)踐表明，污垢層在循環(huán)噴射頻率為15Hz 左右的射流作用下，既可避免水層堆積造成“水墊作用”，又能使污垢層在單位時(shí)間內(nèi)獲得更多的沖刷次數(shù)。由于噴刷機(jī)構(gòu)為三噴嘴結(jié)構(gòu)，因此旋轉(zhuǎn)速度為5r/s，此轉(zhuǎn)速下入射角和壓緊力關(guān)系，如圖5 所示。從圖5 可以得出，當(dāng)污垢層較薄時(shí)，可適當(dāng)減小壓緊力，選取入射角α=10°，壓緊力F2=5N 為宜；當(dāng)污垢層較厚時(shí)，因適當(dāng)增加壓緊力，選取入射角α=41°，壓緊力F2=20N 為宜。

圖4 轉(zhuǎn)速與入射角和壓緊力關(guān)系圖Fig.4 Relationship Between Speed and Incident Angle and Compressing Force

圖5 入射角和壓緊力關(guān)系圖Fig.5 Relation Between Incident Angle and Compressing Force

3.2 小車行進(jìn)速度研究

爬壁射流清洗小車的行進(jìn)速度直接決定了清洗作業(yè)的耗時(shí)長(zhǎng)短，行進(jìn)速度越大，清洗耗時(shí)越短，能耗水耗也越低，但同時(shí)可能導(dǎo)致清洗覆蓋不全面，出現(xiàn)漏洗或噴刷作用時(shí)間短除垢質(zhì)量不佳等情況。因此，在保證清洗質(zhì)量的前提下，盡可能的縮短清洗耗時(shí)，就需要對(duì)小車的行進(jìn)速度進(jìn)行優(yōu)化研究。運(yùn)用FLUENT 軟件對(duì)射流靶距為85mm，射流入射角在（0～25）°范圍內(nèi)的射流內(nèi)外流場(chǎng)進(jìn)行仿真模擬計(jì)算，結(jié)果表明，當(dāng)射流入射角為10°時(shí)，射流打擊壁面的有效覆蓋寬度最寬，約為7.5mm。為保證相鄰兩條噴嘴清洗軌跡之間始終有重合，將其最小重合寬度取為0.5mm，則相鄰兩條清洗軌跡間距應(yīng)為7mm。由前文可知，噴刷機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)速為5r/s，所以可推知小車行進(jìn)速度應(yīng)為105mm/s，因此對(duì)小車噴刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行清洗運(yùn)動(dòng)仿真可得三噴嘴的清洗路徑，如圖6 所示。從圖6可以看出，當(dāng)小車行進(jìn)速度為105mm/s 時(shí)，每個(gè)噴嘴清洗路徑為螺旋線軌跡，相鄰兩個(gè)螺旋線軌跡之間的最大間距為7mm，相鄰清洗軌跡的最小重合寬度為0.5mm，確保了清洗作業(yè)的無(wú)遺漏與全覆蓋，有效保證了罐體內(nèi)壁的清洗質(zhì)量。

圖6 噴嘴運(yùn)動(dòng)仿真軌跡圖Fig.6 Trajectory Diagram of Nozzle Movement Simulation

4 清洗效益分析

以56.1m3液化石油氣罐車為例，罐體內(nèi)表面積S1=8.666×107mm2，內(nèi)部8 組防波板的總表面積為S2=3.06×107mm2，總清洗面積為S=11.726×107mm2。清洗覆蓋直徑b=200mm，小車行進(jìn)速度v=105mm/s。因此，一次完整清洗所用時(shí)長(zhǎng)的計(jì)算公式如下：

以市面上較為常見的三維旋轉(zhuǎn)清洗設(shè)備為例，將兩種清洗方式各自的能效參數(shù)對(duì)比，如表2 所示。

從表2 數(shù)據(jù)可以看出：新型刮刷與射流相結(jié)合的清洗工藝，相比于三維旋轉(zhuǎn)射流自動(dòng)沖洗，雖然在清洗時(shí)間上稍長(zhǎng)一些，但清洗用水量可以下降約77%，總能耗也降為原來(lái)的1/4，且射流壓力下降70%，有效減少了高壓水射流發(fā)生系統(tǒng)的經(jīng)濟(jì)成本，也提高了清洗安全性，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。

表2 能效參數(shù)對(duì)照表Tab.2 Energy Efficiency Parameter Comparison Table

5 結(jié)論

（1）提出了一種將機(jī)械刮刷清洗與高壓水射流清洗相結(jié)合的新型液化石油氣罐車節(jié)水清洗技術(shù)，開發(fā)了一套自動(dòng)化清洗系統(tǒng)，設(shè)計(jì)了一種具備磁吸附爬壁行走和壁面轉(zhuǎn)換功能的爬壁射流清洗小車，可實(shí)現(xiàn)罐體內(nèi)壁和防波板的全方位無(wú)死角清洗；

（2）通過推導(dǎo)噴刷機(jī)構(gòu)旋轉(zhuǎn)方程，確定了在轉(zhuǎn)速為300r/min時(shí)射流入射角與壓緊力的最優(yōu)組合為：入射角為10°和壓緊力5N時(shí)用于清洗較薄污垢層；入射角為41°和壓緊力為20N 時(shí)用于清洗較厚污垢層；

（3）對(duì)噴刷機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)仿真，得出相鄰清洗軌跡間的最小重合寬度為0.5mm，小車行進(jìn)速度為105mm/s；

（4）對(duì)罐車節(jié)水清洗系統(tǒng)設(shè)備進(jìn)行能效分析表明，相比于傳統(tǒng)高壓三維旋轉(zhuǎn)射流清洗，清洗水耗下降約77%，總能耗下降3/4，節(jié)水節(jié)能的同時(shí)，由于射流壓力下降70%，有效降低了系統(tǒng)經(jīng)濟(jì)成本，提高了清洗的安全性，社會(huì)效益和經(jīng)濟(jì)效益顯著。