1、Research of an improved simulation test device for corrosion in marine environment浙江海洋學院機電工程學院施勤龍，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境腐蝕模擬試驗裝置的研制，并依據海洋實際環境結合計算機輔助制造設計技術對裝置原動機的選擇、傳

2、動機構、水循環系統和試片架進行了設計。關鍵詞：海洋環境；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引言研究海洋環境下鋼結構構筑物的腐蝕規律，發展海洋腐蝕控制的新方法和新技術，對于保障海洋設施安全、促進循環經濟、保護海洋環境、發展節約型社會具有重大意義。發展海洋腐蝕控制的新方法和新技術需要以海洋環境中鋼鐵材料的腐蝕行為規律和相關的腐蝕數據積累為依據。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。現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，本研究旨在開發一套海洋環境腐蝕模擬試驗裝置。本裝置能夠在室內模擬外海真實腐蝕環境，并且通過水循環系統真正實現全天候自動化作業，實現在實驗室內模擬海洋環境，尤其是對潮差區的模擬。通過實驗室掛片試驗，實時監測腐蝕數據，研究鋼鐵材料在海洋環境下五個不同區帶的腐蝕行為及規律，為發展海洋腐蝕控制的新方法和新技術提供理論依據。1.裝置的設計思想及方案確定1.1設計思想本研究的設計思想就是使整個機構盡可能簡捷，整體裝置使用方便，工作時，能夠實現水循環使用，準確模擬潮起潮落。整體思路上，首先明確該機構所要實現的功能，確定一個總體輪廓，然后根據各個零部件的特點和功能分別對其進行設計

5、，再綜合已有模型優化系統的總體布局。最后利用UG軟件對各零部件進行三維設計和運動仿真，完成整個機構的工作仿真和實物制作。1.2裝置性能指標和總體構成本試驗裝置要求能夠模擬出外海海洋腐蝕環境，并且結構簡單、試驗成本低、操作簡單。要求根據海洋實際情況來完成試驗裝置的總體設置，要擬合海洋環境中的五個腐蝕區，尤其是試驗的重點區域潮差區和飛濺區。裝置的另一特點就是要實現水的循環使用，即在有限的空間里利用有限的資源來完成實驗。海洋環境腐蝕模擬實驗裝置的主要機構是造波系統、水循環系統、傳動系統及試片架四部分構成，實現造波和海水的循環利用是本裝置的關鍵所在。（1）造波系統迄今為止，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生波動。常見的有一下幾種：搖板式。通過機械驅動使搖板繞固定軸擺動，使池中水產生波動。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。通過連桿驅動設在水槽一端的活塞進行往復運動，使池中水產生波動。波高取決于活塞沖程和速度，波長則取決于往復頻率。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運動達到造波目的。轉桶式。轉桶式則是通過設置在水面的圓柱體繞偏心輪旋轉使水產生波動。（2）水循環系統目前，在開展此類實驗時，還沒有一個裝置能夠實現水的自動循環，水循環也是本裝置的一個獨特之處。為了實現水的循環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系統主要由動力元件、管道、定時開關和流量控制器三部分組成。（3）傳動系統目前，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量難以保證及維修復雜，漏油現象難以消除，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模擬海洋環境，對于傳動系統要求結構簡單。所以在選用減速器的時候必須要有較大的傳動比，執行機構的選擇也很重要，目前，在造波系統里通常情況下選擇四桿機構來完成此動作。因此本裝置選用四桿機構作為傳動機構。（4）試片架根據實驗環境要求制作試片架的材料必須是耐腐蝕的材料。根據海洋腐蝕區域的不同，設計的試

8、片架在每個不同區域放置不同試片，以便取得更好的實驗效果。2. 機構的優化選擇設計原動機的選擇表1選擇電動機的原則一根據機械負載特性、生產工藝、電網要求、運行費用等指標，合理選擇二根據機械負載所要求的過載能力、起動轉矩、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使用場所的環境，選擇電動機的防護等級和結構形式四根據生產機械的最高機械運轉和傳動調速系統的要求，選擇電機轉速五根據使用環境溫度，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電網電壓、頻率，選擇電機的額定電壓、頻率根據實驗的要求及安裝環境，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構特征

9、用途小型三相異步電動機（封閉式）Y自扇冷卻、封閉式結構，能防止灰塵、水滴大量進入電機內部作一般用途的驅動源，即用于驅動對啟動性能、調速性能及轉差率無特殊要求的機器和設備；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速及功率的對應關系機座號: 132M圖1 電機安裝示意圖2.2傳動機構的設計減速器的選用因為電動機轉速較高，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。機構形式選擇根據本體結構的需要，綜合考慮傳動性能、成本等方面的原因，這里選用四桿機構傳動方式。典型的四桿機構有曲柄搖桿、曲柄滑塊等，如圖

10、2所示。圖2 典型機構經過比較，本裝置采用曲柄搖桿機構。機構主要參數的確定描述鉸鏈四桿機構的主要參數為壓力角、傳動角、極位夾角、形成速度變化系數圖3鉸鏈四桿機構參數示意對于鉸鏈四桿機構，要求壓力角越小越好。通常，把在機構的運動過程中從動件搖桿往復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K：從動件往復擺動平均速度的比值，即根據本裝置的整體尺寸本鉸鏈四桿機構主要參數：圖4曲柄搖桿機構示意a=150mm b=600mmc=530mm d=680mm = 7造波板的擺角為352.3水循環系統的設計目前，在

11、開展此類實驗時，還沒有一個裝置能夠實現水的全自動循環，水循環也是本裝置的一個獨特之處。為了實現水的循環使用和模擬海洋潮汐情況，本裝置中水循環系統主要由動力元件、管道、定時開關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備。經過考慮選擇常用于魚缸的小型水泵，此類水泵能適應水下環境，而且材質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：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，節能高效，維護簡易等眾多優點2管道設計為了實現海水循環使用，必須設計一種管道連通兩個盛放海水的容器來實現海水循環。在同類型的模擬試驗裝置中通常采用虹吸原理來實現潮漲潮落：在試驗中通過調節進水管閥門，向容器中恒流注水，當液面達到HTL時，海水便通過虹吸管自動排出；通過調節虹吸管的閥門，使排水量大于注水量時，頁面開始下降，當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，在調節好流量的同時以自然界潮汐漲落的周期來設置定時器，這

13、樣便可以完成在規定時間內潮汐漲落。管道結構形式設計如圖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，為了實現管道與水泵之間的緊密連接，另外，流量調節在實驗過程中很重要，這樣就需要設計管接頭，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象，不僅需要控制流量還要控制進出水時間以便實現水位漲落現象。根據兩容器體積及海洋實際各區帶的分布情況，各區帶分布如圖8，計算水流量。圖8 區帶分布潮差區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試片架的設計試片架的設計要求使用方便，結構簡單。本裝置試片架采用PVC水管作為主體框架，試片作為