Исследование метода окрашивания комбинированным распылением и разработка на его основе аппаратуры для нанесения лакокрасочных покрытий при строительстве судов тема диссертации и автореферата по ВАК РФ 05.08.04, кандидат технических наук Попов, Алексей Викторович

• Попов, Алексей Викторович
• кандидат технических наук
• 2000

Оглавление диссертации кандидат технических наук Попов, Алексей Викторович

Введение.

1. Современное состояние проблемы нанесения лакокрасочных материалов на изделия.

1.1 Требования к окрасочной аппаратуре, применяемой при. постройке и ремонте судов.

1.2 Анализ основных методов нанесения лакокрасочных материалов.

1.3 Выбор метода нанесения лакокрасочных материалов, оценка уровня его развития и пути модернизации.

1.4 Выводы, постановка задач исследования.

2. Объекты и методика исследования.

3. Экспериментальные исследования.

4. Разработка математической модели факела лакокрасочного материала.

4.1 Описание процессов в факеле лакокрасочного материала.

4.2 Построение расчетной модели факела.

4.3 Метод расчета.

4.4 Постановка численного эксперимента.

5. Исследование процесса комбинированного распыления с помощью математической модели.

5.1 Общая картина течения факела.

5.2 Оптимизация параметров распылительного устройства.

5.3 Исследование влияния технологических параметров процесса комбинированного распыления на свойства факела лакокрасочного материала.

6. Метод определения технологических режимов окрашивания методом комбинированного распыления.

7. Технико - экономический анализ внедрения окрасочной аппаратуры комбинированного распыления.

Введение диссертации (часть автореферата) на тему «Исследование метода окрашивания комбинированным распылением и разработка на его основе аппаратуры для нанесения лакокрасочных покрытий при строительстве судов»

Принципы современного судостроения и судоремонта требуют от лакокрасочных покрытий обеспечения надежной защиты изделий от коррозии в течение всего срока их междоковой эксплуатации и, соответственно, высокого качества окрашивания при ускоренных темпах постройки. Это обусловливает стремление к применению прогрессивных видов лакокрасочных материалов (ЛКМ), эффективных методов нанесения и, естественно, к усовершенствованию окрасочного оборудования. Направления модернизации окрасочного оборудования определяются в основном двумя факторами: увеличением производительности труда и снижением экологической опасности. Установлено, что при применении современных технологий и средств механизации нанесения ЛКМ производительность труда при окрасочных работах увеличивается в 3-15 раз [1].

В настоящее время процесс нанесения ЛКМ является источником существенного загрязнения окружающей среды, поскольку до сих пор окрашивание в большинстве случаев производится методами распыления (пневматическим, безвоздушным и пр.), при которых от 25 до 50% наносимых материалов в виде красочного тумана выбрасывается в окружающую среду, не осаждаясь на поверхности изделий [2]. Конкурентоспособность производств тесно связана не только с успешным развитием технической и технологической базы, но и с решением экологических проблем, что отвечает ужесточению законодательств ряда государств по охране окружающей среды. Например, в США с 1990 года разрешено применять окрасочные установки с коэффициентом переноса ЛКМ не менее 65%, тогда как у традиционных распылителей он составляет около 25%. Подобные законы существуют также в странах ЕС и других государствах. Нарушение этих законов влечет за собой серьезные денежные санкции, и применение экологически несовершенных технологий становится невыгодным экономически [3,4]. Следовательно, промышленное оборудование, не удовлетворяющее экологическим требованиям, не найдет сбыта на рынке средств производства.

Одновременно со снижением загрязнения окружающей среды использование более современных технологий и окрасочного оборудования обусловливает существенную экономию ЛКМ, что является одним из способов их эффективного использования. При применении новых методов экономия ЛКМ на одну установку может достигать 2-4 тонн в год [5].

Еще одним существенным аспектом является улучшение условий труда. При нанесении покрытий рабочие непосредственно контактируют с ЛКМ через кожные покровы, подвергаются вредному воздействию при вдыхании выделяющихся в воздух паров токсичных растворителей. Исследования, проведенные на ряде предприятий, показывают, что применение более совершенных способов окрашивания снижает загазованность на рабочем месте маляра в 2-4 раза, а в общецеховой зоне - в 10 раз [4].

Приведенные факты свидетельствуют об актуальности разработки новых средств технологического оснащения (СТО) для нанесения лакокрасочных покрытий и позволяют сформулировать цель исследований: повышение эффективности использования ЛКМ и качества наносимых покрытий при соблюдении экологической чистоты судостроительного производства.

Заключение диссертации по теме «Технология судостроения, судоремонта и организация судостроительного производства», Попов, Алексей Викторович

Выводы:

1. При течении факела происходит эжектирование воздуха из окружающей среды внутрь потока, а вблизи окрашиваемой поверхности формируется пограничный слой. Вследствие этих явлений происходит торможение частиц аэрозоля. Подача воздушных струй уменьшает эжекцию.

2. Оптимальным способом подачи воздуха в факел является совмещенная подача. Воздушные сопла следует располагать по возможности ближе к форсунке, причем ориентировать их таким образом, чтобы угол между осью факела и направлением струй прямой подачи составлял 30°, а сопла отраженной подачи обеспечивали вдув воздуха в периферийную зону факела. Размер отверстий составляет 0,5 мм.

-993. Вязкость ЛКМ не оказывает прямого влияния на степень воздействия воздушных струй на факел. Большее влияние оказывает поверхностное натяжение распыляемой жидкости. 4. Влияние воздушных струй на факел ослабляется с ростом производительности, причем степень влияния определяется, в основном, скоростью истечения материала. Влияние геометрических размеров форсунки значительно меньше.

6. Метод определения технологических режимов окрашивания методом комбинированного распыления.

Режим нанесения покрытий с помощью КР определяется вязкостью ЖМ, поскольку с этим параметром связано давление ЛКМ в гидросистеме аппарата, типоразмером применяемой форсунки и давлением воздуха в головке краскораспылителя.

Вязкость ЛКМ назначается в соответствии с нормативной документацией.

Типоразмер применяемой форсунки определяется условиями применения. Для окрашивания больших поверхностей рационально использование форсунок, образующих широкий факел и обеспечивающих большой расход наносимого материала. При обработке решетчатых и мелких конструкций целесообразно применять форсунки с узким факелом и пониженной производительностью. В случае окрашивания предметов, сочетающих в себе и те, и другие элементы, следует применять форсунки с широким факелом, но при переходе к узким участкам корректировать ширину факела за счет подачи воздуха с одновременным снижением производительности дросселированием потока ЛКМ.

Минимальный размер форсунки определяется вязкостью применяемого ЛКМ и степенью перетира пигмента в нем. Максимальный размер определяется мощностью блока нагнетания аппарата (максимальной производительностью и развиваемым давлением).

Для обеспечения качества наносимого покрытия, сочетающего высокую адгезию со сплошностью, следует получать аэрозоль с определенной дисперсностью материала. В настоящей работе за оптимальные принимались значения дисперсности, полученные при исследовании БВР [8].

Для получения капель заданного размера необходимо обеспечить заданную скорость истечения жидкости из форсунки, которая, в свою очередь, связана с производительностью и выбранным типоразмером форсунки.

В гл. 4.4 размер капель, получаемых при истечении жидкости из форсунки, определялся исходя из скорости элементарных струек. С учетом того, что при правильной подаче воздуха происходит практически полное превращение крупной фракции материала в мелкую, дисперсность материала во всем потоке будет определяться размером капель, образуемых из материала только центральных струек форсунки.

Поиск требуемого давления ЛКМ происходит в следующем порядке. Задается некоторая производительность через форсунку требуемого типоразмера, рассчитывается размер капель, получаемый при данных условиях распыления. Рассчитанный размер сравнивается с оптимальным, и, в зависимости от результата, задается новая величина производительности, увеличенная или уменьшенная. Описанная процедура повторяется до тех пор, пока расхождение между оптимальной и рассчитанной дисперсностью не уменьшится до заранее заданного предела.

Зная оптимальную производительность и коэффициент расхода форсунки, можно определить требуемое давление ЛКМ в гидросистеме аппарата по известной формуле (2Ф = л]2Рф / р . При расчетах допускается принимать коэффициент расхода форсунки ^=0,66 [8].

При этом необходимо учитывать потери давления в шлангах, величина шл, ¿пщ 1- скорость течения жидкости по шлангу, диаметр шланга и его которых приближенно определяется по формуле АР

Ъ2у1ш длина. Или, с учетом того, что = ()шл / Гшл = Щшл 1{лс12шл) шл ) > потери давления

АР = 1

7Ш1А /илШЛ

По понятным причинам, <Зшл=0ф

Давление, развиваемое насосом, складывается из давления на форсунке и потерь в шланге: Рн=Рф+АР. Потерями в пистолете пренебрегают.

Давление воздуха в головке краскораспылителя назначается таким, чтобы обеспечить разрушение капель крупной фракции жидкости (см. рис. 5.30) при минимальном уносе капель из факела. Для его количественного определения рассчитывается суммарный поток фракций жидкой фазы в направлении от оси факела через некоторую контрольную поверхность, ей параллельную (рис.6.1): р2УУыг + р31¥тЩАВ) тш

АВ

Здесь - проекция вектора скорости ьй фракции на нормаль к оси факела. Процедура оптимизации давления аналогична той, что применялась при поиске дисперсности распыления. В настоящей работе для определения параметров потока использовалась разработанная математическая модель факела. Интегралы при расчете потерь материала брались численно, методом прямоугольников.

При оптимизации необходим также учет потерь давления в воздушном шланге. Экспериментальные кривые потерь давления воздуха, снятые для краскораспылителя разработанной конструкции, показаны на рис. 6.2. Из рисунка следует, что применять шланги с условным диаметром меньше 6мм нецелесообразно по причине больших потерь давления. Применение шлангов с Ду= 6 мм обеспечивает давление воздуха в головке распылителя в пределах рабочего диапазона при давлении в цеховой магистрали около 5 атм. Применять шланги большего диаметра также нецелесообразно, поскольку это уменьшает подвижность 6.1 Расположение контрольной поверхности при оптимизации технологических режимов

-104

Ркон,, атм.

1 2 3 4 5 6

Рис.6.2 Давление в начале и конце шлангов различных диаметров и длины

-о-Ду=4мм, 1=2м -*-Ду=6мм, 1=2м -*-Ду=6мм, !=9м краскораспылителя и, следовательно, отрицательно сказывается на удобстве работы с ним. Ниже приводится пример расчета.

Пример Необходимо разработать режим нанесения эмали ПФ-223 через форсунку С-310. Диаметр проходного сечения шланга подачи ЛКМ б мм, длина шлангов 9 м.

1. Эмаль ПФ-223 наносится при вязкости 40с [8]. Ее плотность составляет 950 кг/м , коэффициент поверхностного натяжения

5,4*10 Н/м.

2. Рекомендуемая для эмали ПФ-223 дисперсность при нанесении составляет 40-60 мкм [8]. Зададим искомую величину дисперсности 50±5 мкм. Рассчитывая размер капель последовательно для производительности 0.7 , 1.0 и 0.9 л/мин, получим, что при производительности 900 г/мин образуются частицы размером 53 мкм.

3. Определим давление, необходимое для обеспечения производительности 900 г/мин (1.5*10"5м3/с) через форсунку С-310.

Площадь эллиптического отверстия форсунки, исходя из его размеров

0,84*0,25 2 0.84x0.25 мм: Рф = 71---= 0,164мм .

Тогда необходимое давление жидкости перед форсункой.

Рф =950*

Г 1.5* Ю-5 ^ У

2 = 9.122М7а

0.66*1.64*10"

4. Потери давления в шланге при указанной производительности и вязкости 40 сек (что сответствует динамической вязкости ц=0.154 Па*с)

128* 0.154* 9* 1.5* Ю-5 АР =---= 0.653М7<я я:0,006

-106

Таким образом, давление, развиваемое насосом, должно равняться Рн=9.122+0.653=9.775МПа.

5. При оптимизации давления в воздушной головке была проведена серия расчетов при давлении 0.5, 1.0, 1.5, 2.0, 2.5, 3.0 атм. Оптимальное значение, обеспечивающее минимум потерь, соответствует 1 атм.

6. Чтобы обеспечить давление 1 атм. в воздушной головке, необходимо обеспечить давление в начале шланга -2,6 атм. (рис. 6.2).

7.Технико-экономический анализ внедрения окрасочной аппаратуры комбинированного распыления.

Необходимым условием успешного выведения на рынок новых средств СТО является достижение экономического эффекта за счет их применения.

Основным фактором, обусловливающим снижение затрат при окрашивании изделий, представляется снижение потерь ЛКМ. Иные факторы, такие как уменьшение воздействия на окружающую среду, улучшение условий труда плохо поддаются учету, и их невозможно представить количественно при расчете экономической эффективности.

Годовой экономический эффект от внедрения комбинированного распыления рассчитывается по формуле: Э=(СгС2)-ЕнК, где

С]- себестоимость годового объема окрасочных работ, производимых базовым методом (в качестве которого фигурирует метод БВР); С2- себестоимость годового объема окрасочных работ, производимых новым методом (метод КР);

Ен=0,15- нормативный коэффициент эффективности; К- капиталовложения (в данном случае - стоимость аппарата).

Величина СгС2=ЛС определяется, как уже сказано, снижением потерь ЛКМ. Другие составляющие себестоимости работ, связанные с затратами на ремонт оборудования, его техническое обслуживание, подготовку персонала и прочие считаются одинаковыми для обоих методов ввиду идентичности конструкции аппаратуры.

Потери при окрашивании БВР составляют приблизительно! 0%, при КР - на 30% меньше. Выигрыш составит, таким образом, 3% от количества распыляемого ЛКМ.

Расход материала через эталонную форсунку краскораспылителя С-310 составляет 1 л/мин (бОл/час). Если принять, что само распыление (имеется в виду время истечения материала из форсунки) занимает примерно половину рабочего времени, то при односменном режиме работы годовой расход материала С2Г составит С)Г=К%%5, где

N =250- число рабочих дней в году,

4 часа- время распыления за одну смену, qч=60л/чac- расход материала через форсунку; 250*4*60=60000 л/год.

Снижение расхода материала за 1 год, таким образом, составит 60000*0,03=1800 л.

Цена 1 литра краски отечественного производства в настоящее время составляет от 10 до 50 руб. Для расчета примем цену 25 руб. Тогда выигрыш в стоимости окрасочных работ за 1 год АС составит:

АС=1800х25=45000руб.

Цена аппарата КР, по результатам проведенных маркетинговых исследований, составляет около 25000 руб.

Годовой экономический эффект составит:

3=45000-0,15*25000=41250 руб.

Таким образом, внедрение аппаратов КР вместо аппаратов БВР оказывается экономически целесообразным. Несложный подсчет показывает, что при интенсивном использовании новый аппарат КР окупается меньше, чем за 1тод

Заключение

В результате исследований были решены следующие проблемы, связанные с внедрением метода окрашивания КР при постройке судов:

1. Определены критерии, обусловливающие направления развития технологий нанесения лакокраксочных покрытий, оценена перспективность использования различных способов окрашивания в судостроении. Выявлены пути модернизации окрасочного оборудования.

2. Выполнены экспериментальные исследования технологии окрашивания с помощью метода КР в лабораторных условиях. Результаты использовались в качестве входных параметров при численном исследовании факела, а также для проверки данных, полученных с помощью расчетов.

3. Проведен анализ физических процессов, происходящих при образовании и течении факела ЛКМ, предложена его математическая модель, на основе которой разработан численный метод расчета, учитывающий специфику задачи о течении факела. Для практической реализации указанного метода написана программа для ЭВМ. Выполнение тестовых задач показало достаточно точное совпадение расчетных и экспериментальных результатов.

4. С помощью разработанного численного метода проведено исследование зависимости характеристик факела от условий распыления и свойств распыляемых материалов.

5. На основании результатов численных и экспериментальных исследований выработаны практические рекомендации по проектированию распылительного устройства КР, такие как место подачи воздушных струй в факел и их направление, размер воздушных сопел, необходимость в некоторых конструктивных элементах, что v было использовано в конструкции пистолета - краскораспылителя

-110окрасочного аппарата. Разработанный аппарат прошел опытную эксплуатацию на ГУЛ "Адмиралтейские Верфи", которая подтвердила правильность принятых технических решений. Кроме этого, аппарат испытан при ремонте вагонов электропоездов, что позволяет говорить о распространении рынка сбыта разработанного изделия на другие отрасли народного хозяйства.

6. На базе разработанного метода расчета предложен способ оптимизации технологических режимов окрашивания изделий, что позволяет добиваться минимальных потерь ЛКМ в сочетании с высоким качеством наносимого покрытия.

7. Проведенный технико - экономический анализ показал эффективность внедрения аппаратуры КР на предприятиях. Прогнозируемый экономический эффект от внедрения одного аппарата составляет около 40'000 руб. в ценах 2000г.

Список литературы диссертационного исследования кандидат технических наук Попов, Алексей Викторович, 2000 год

1. Вестник молодых ученых, 1/1998, стр. 35-39.

2. Лакокрасочные материалы и их применение, 2/1993, стр. 22-24.

3. Лакокрасочные материалы и их применение, 5/1991, стр. 39-42.

4. Finishing, 9/1992, стр24-28.

5. Лакокрасочные материалы и их применение, 5/1992, стр. 31-33.

6. Е. Искра, А. Луковский. Технология окрашивания судов. Ленинград, "Судостроение", 1988.

7. В. Болотин. Исследование и разработка метода окраски судов безвоздушным распыливанием. Канд. дисс. ЦНИИ ТС, 1971.

8. А. Яковлев. Химия и технология лакокрасочных покрытий. Ленинград, "Химия", 1981.

9. А. Яковлев, В. Евстигнеев, П. Гисин. Оборудование для получения лакокрасочных покрытий. Ленинград, "Химия", 1982.11 .Р. Ламбурн. Лакокрасочные материалы и покрытия. Теория и практика. С.-Петербург, "Химия", 1991.

10. Д. Пажи, В. Галустов. Основы техники распыливания жидкостей. Москва, "Химия", 1984.

11. Лакокрасочные материалы и их применение, 2-3/1999, стр. 30-33.

12. Лакокрасочные материалы и их применение, 11/1999, стр. 24-25.

13. Лакокрасочные материалы и их применение, 7/2000, стр. 18-20.

14. Pigment and resin technology, 3/1992, стр.15.17. Проспект фирмы "Wagner".

15. Pigment and resin technology, 6/1992, стр 20.

16. Finishing, 8/1992, стр.30.

17. Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1998, вып. 28 ч.П, стр.109-120.21. Проспект фирмы "Graco".

18. Pigment and resin technology, 5/1992, стр.21.

19. Исследование диспергирования лакокрасочных материалов аппаратом "Луч-2" и разработка технических требований к устройству для формирования защитного воздушного колпака. Отчет. С.-Петербург, СПбГТУРП, 1993.

20. В. Бородин, Ю. Дитякин, Л. Клячко, В. Ягодкин. Распыливание жидкостей. Москва, "Машиностроение", 1967.

21. Лакокрасочные материалы и их применение, 2/1991, стр. 40-43

22. А. Мудров. Численные методы для ПЭВМ на языках Бейсик, Фортран и Паскаль. Томск, "МПРаско", 1992.

23. Н. Шаманов, А. Дядик, А. Лабинский. Двухфазные струйные аппараты. Ленинград, "Судостроение", 1989.

24. М. Дейч, Г. Филиппов. Газодинамика двухфазных сред. Москва, "Энергоиздат", 1981.

25. Сборник ЛОП НТОС им. акад. А.Н. Крылова, 1999, вып. 29 ч.Ш, стр. 196-202.

26. О. Белоцерковский, Ю. Давыдов. Метод крупных частиц в газовой динамике. Москва, "Наука", 1982.

27. Д. Андерсон, Дж. Таннехилл, Р. Плетчер. Вычислительная гидромеханика и теплообмен. Москва, "Мир", 1990.

28. УТВЕРЖДАЮ . Заместитель главного'инженера, начальник ИЦ ГУЛ «Адмиралтейские аерфн»1. Сурков О Л.-Акт . ' ;;испытаний аппарата комбинировалиого распыления в прокзводственнмх условиях

29. Составлен на ГУЛ «Адмиралтейские верфи» Санкт-Петербург ' Я? С*Т&Щ>Х 1999 г

30. В результате испытаний установлено:

31. Образец аппарата КР показал себя работоспособным, функциональные возможности я показатели назначения его соответствуют исходным требованиям и техническому заданию. . .

32. Окрасочный аппарат обеспечивает качество лакокрасочных покрытий.

33. В процессе эксплуатации выявлены следующие недостатки

34. Длительное время всасывания плунжерным насосом материала нз расходное емкости.

35. Нечеткая работа пневмопривода пз-за перекрытия воздуганогокаиала в системе пвеанораспределенпя. . ^^

36. Касается выполнения работ по теме ОКР «Стандарт 4», н/з 34021402-115