一种基于拉开法的船舶液舱涂层附着力测试装置设计.pdf

中 国 修 船2024年4月技术交流一种基于拉开法的船舶液舱涂层附着力测试装置设计李溢人1，邹镇汕2，王玉国2，朱发新1（1.浙江海洋大学 船舶与海运学院，浙江 舟山316022；2.泉州师范学院 交通与航海学院，福建 泉州 362000）摘要：文章以船舶液舱涂层为研究对象，分析了现有的船舶液舱涂层附着力测试方法的工作原理及存在的问题，总结出一种基于拉开法的船舶液舱涂层附着力测试装置的设计要求，并参考现有测试装置，利用AutoCAD软件平台设计了一种新型船舶液舱涂层附着力测试装置。介绍了该装置的工作原理及主要组成部件，并从技术、结构、操作等方面对该装置进行了可行性分析，结果表明该装置是可行的。关键词：船舶涂层；拉开法；附着力测试装置；可行性分析中图分类号：U672文献标志码：Adoi：10.13352/j.issn.1001-8328.2024.02.006Abstract：By studying the ships liquid tank coating，this paper analyzes the working principle and the current problems of the existing adhesion test methods for liquid tank coatings of ships，and summarizes the design requirements for a coating adhesion testing device for ship tanks based on the pull-off test to solve the existing problems.The paper designs a new type of ship tank to coat adhesion testing device via the AutoCAD software platform according to the design requirements and based on the existing testing devices.This paper introduces the working principle and main components of the device and analyzes the feasibility of the device in terms of technology，structureand operation.The results show that the device is feasible.Key words：ship coating；pull-off test；adhesion testing device；feasibility analysis基金项目：2022年国家级大学生创新创业训练计划项目（202210340038）；2022年第二期教育部供需对接就业育人项目（20230108750）作者简介：李溢人（2001-），男，广西梧州人，在读本科生。通信作者：朱发新，E-mail：在船舶航行过程中，受到大气压以及液舱吸排压载水产生的冲击等综合作用，会对船体液舱舱体产生冲击，并且洋流生物和微生物吸附在船体金属表面产生化学腐蚀、电化学腐蚀等，大大降低船舶液舱舱体的使用寿命1-2。为此，人们在船体需要防护的区域表面喷涂保护涂层，期望可以减少腐蚀，从而提高船舶的使用寿命。衡量船舶液舱涂层是否具备足够的防护能力的指标之一就是涂层附着力。涂层附着力测试方法主要有划圈法、划格法和拉开法，共3种3。1测试方法的工作原理及存在的问题分析1.1工作原理1）划圈法。该方法将待测涂层样品（或漆膜）固定在一个前后可以移动的平台上，在平台移动的同时，用作圆圈运动的唱针划透漆膜，并能划出重叠圆滚线的纹路，从圆滚线的纹路中观察漆膜破坏的位置，以判断附着力的级别。级别分为7个等级，1级最好，7级最差。按顺序检查各部位漆膜的完整程度，某一部位的格子有70及以上完20第37卷第2期技术交流好，则判定该部位完好，否则应认为坏损4。2）划格法。该方法根据样品底材及漆膜厚度，用不同间距的划格刀具对漆膜进行格阵图形切割,使其恰好穿透至底材,按漆膜从划格区域底材上脱落的面积来判断附着力的级别4。3）拉开法。该方法将样品固定在底板上，使用拉力计的定子将样品粘牢，并以规定的速率施加垂直向上的力，测试涂层之间或涂层与底材之间附着力破坏时所需要的压强（单位：N/cm2）。然后按照标准检查涂层附着力是否合格或符合要求4-7。1.2存在的问题分析划圈法和划格法在测试过程中无需使用测力计，操作程序较少，操作步骤简单，测试装置由于其工作原理的限制，不能通过数学计算得出涂层附着力的数值大小，只能通过测试试验对比相关标准定性地得出涂层附着力的好坏，判定涂层是否合格。拉开法指导下的测试装置中有拉力计的存在，在使用拉开法测试涂层附着力的试验可以直观地得出涂层附着力的数值大小，再参照相关标准，得出涂层附着力是否符合要求。与划圈法及划格法相比较，拉开法可以定性地表示出涂层附着力的好坏，同时也能定量地得出涂层附着力的大小8-9。2测试装置设计要求分析针对常用涂层附着力测试装置示数精确性不够高、误差较大、操作繁琐费时等问题与不足，并参考现有的液舱涂层附着力测试装置的设计规范等资料，确立了基于拉开法的液舱涂层附着力测试装置的设计要求。1）技术方面。船舶液舱涂层附着力的测试技术（或方法）采用可定量分析的拉开法，并进行相关的优化，以便能适应各种厚度的船舶涂层，测试精度高、速度快。2）结构方面。装置的组成零部件较少，其结构较简单，零部件具有良好的通用性，在船舶晃荡等环境下具有足够的刚度和强度。3）操作方面。液舱涂层附着力测试的操作程序少，操作步骤简单，不需要或较少需要特殊的专业培训，操作的安全性较高等。4）经济方面。初置费用或改装费用较低，维护保养简单方便，测试装置的运行及维修成本较低。3测试装置设计3.1测试装置的原理船舶液舱附着力测试装置结构图见图1。图1船舶液舱附着力测试装置结构图（b）俯视图（a）主视图螺栓定子柱形底座箱体钢管测力弹簧刻度盘摇柄钢绳圆环箱盖底板定子螺栓底板辊轮刻度盘套筒李溢人，等：一种基于拉开法的船舶液舱涂层附着力测试装置设计1）涂层试样制备。根据实际需要，切割一定规格的与目标底材相同或相近的材料作为试验底板，使用螺栓固定在柱形底座中，将目标涂层涂敷在底板上，等待16 h至完全固化贴合在底板上。2）定子与底材黏合。使用规定的胶黏材料涂敷在定子上，将定子与底板的中心对准并贴合，静置一段时间使得二者完全凝固。此时受到拉伸的测力弹簧刚好处于预紧状态，刻度盘上的摇柄21中 国 修 船2024年4月技术交流图3测试装置的移动装置第二螺纹杆第一螺纹杆第二夹持机构第一夹持机构第一滑块第二滑块第二支架第一支架也刚好处于零刻度线上。3）涂层附着力测试。测力弹簧的上端与钢绳焊接，钢绳与上方的辊轮连接，通过摇柄带动辊轮旋转，继而将钢绳卷附至辊轮表面，使得测力弹簧受到轴向力从而拉伸下端连接的定子，最终通过定子将力传导至涂层表面，当涂层受到的载荷超过临界值时，涂层与定子发生分离，此时摇柄所在位置指向刻度盘的示数与摇柄旋转的圈数可以等效为测力弹簧在竖直方向的位移长度x。液舱涂层附着力F可根据下式计算：F=kx，（1）式中，F为涂层附着力；k为弹簧的弹性系数。3.2测试装置主要零部件1）壳体。测试装置壳体如图2所示，壳体为长方体结构，壳体内部左侧设置有水平移动装置，第一螺纹杆贯穿于壳体左侧，在壳体外部进行旋转实现水平移动，壳体正面是一个长方形的开口和测力盘，长方形的开口在左边，方便将测力钢板固定于夹持机构且能观察移动装置是否将测力钢板移动到合理位置；测力盘在右边，通过摇把贯穿壳体，而测力盘显露在外面，方便测量时观察示数。2）移动装置。测试装置的移动装置如图3所示，移动装置包括水平移动装置和垂直移动装置，其中水平移动装置主要由第一支架、第一螺纹杆和第一滑块组成，垂直移动装置主要由第二支架、第二螺纹杆和第二滑块组成。在水平移动装置中，拧动第一螺纹杆来推动第一滑块在第一支架内水平移动，从而移动第一夹持机构和第二夹持机构。在垂直移动装置中，拧动第二螺纹杆来推动第二滑块在第二支架内发生移动，从而移动第一夹持机构和第二夹持机构。3）夹持机构。夹持机构如图4所示，夹爪如图5所示，夹持机构由2个相同的第一夹持机构和第二夹持机构组成。其中，第一夹持机构由第三滑块、第二双向丝杆、第三支架、第一夹爪、第二夹爪组成，其通过拧动双向丝杆使滑块在第三支架内移动，滑块靠近中间一侧是2个对称分布的第一夹爪和第二夹爪；第二夹持机构的零部件与第一夹持机构零部件相同且对称布置，由第四滑块、第三双向丝杆、第四支架、第三夹爪、第四夹爪组成。2个夹持机构位于横杆上，通过2个滑块与双向丝杆螺纹连接，在横杆内移动。4个夹爪均相同，夹爪结构与夹持机构类似，拧动双向丝杆使滑块在支架内移动，夹爪的滑块上是夹板，负责夹持钢板。4）测力装置。测力装置如图6所示。测力装置位于壳体内的右部，主要由定子、测力弹簧、钢丝绳、测力盘、摇把、防滑套等组成。定子一端与测力弹簧连接；测力弹簧与钢丝绳固定连接；钢丝绳再与摇把固定连接，钢管与测力弹簧同轴设在壳体内部；摇把贯穿测力盘并且与壳体转动连接；测力盘与固定装置在壳体外部，测力盘上有若干刻度和限位柱；防滑套设在摇把上，其为图2测试装置壳体水平移动装置测力弹簧摇把垂直移动装置 夹持机构 定子 钢管壳体测力盘测力装置刻度限位柱图4夹持机构第四滑块第三滑块第一双向丝杆第二夹爪第一夹爪第三支架第二双向丝杆横杆22第37卷第2期技术交流图5夹爪第三双向丝杆第五支架第五滑块第六滑块李溢人，等：一种基于拉开法的船舶液舱涂层附着力测试装置设计橡胶材质，因测力弹簧的弹力相对较大，防滑套上阵列设置有若干个防滑凸块以及防滑凹槽。操作人员手握摇把时，防滑凸块可增加与操作人员手的摩擦力，当操作人员因为摇动摇把手心出汗时，通过防滑凹槽可将汗液排出，进一步增大手掌与防滑套的摩擦力。橡胶材质为软性材质，可为防滑套与摇把之间增大摩擦力，防止摇把与防滑套之间错位，节省操作人员的力气，同时也降低安全隐患。4测试装置的可行性分析1）技术可行性分析。本装置采用的原理和拉开法原理一致，在一定的速度下，在试样的胶结面上施加垂直、均匀的拉力，以测定涂层间或涂层与底材间的附着破坏时所需的力。通过夹持机构的设计，拧动螺纹杆实现对不同厚度钢板涂层的精准测力，通过刻度盘读数和摇柄旋转圈数来精确弹簧位移长度，具有精确性。2）结构可行性分析。该装置组成零部件少，且使用市场上常见并容易获取的零部件，结构简单，在损坏后可以使用较低的成本进行替换；直接选用的设备或部件的强度、刚度等参数也符合要求。测力装置通过弹簧结构连接，保证了力的传导。3）操作可行性分析。该装置操作简单，原理简单，使用门槛低，确保非专业人士在不需要进行培训的情况下可以快速了解该装置的使用方法，操作者只需要夹持好待测钢板，再与定子抵接，然后转动摇把，记下临界值即可计算出涂层附着力。防滑装置和安全装置保证装置不会轻易损坏，或者在损坏后不会伤害工作人员。4）经济可行性分析。该装置的零部件大部分为通用件或标准件，可以在市场上直接购买，其成本可以估算及控制，方便装置的标准化制作。且其使用寿命较高、维护保养较简单。5结束语本文设计了一种基于拉开法的新型船舶液舱涂层附着力测试装置，最后从技术、结构、操作、经济等方面论证了本文设计的一种新型船舶液舱涂层附着力测试装置的可行性。对于测力部分，预紧方案的选择需要更细致地研究，以减小测量的误差；对于涂层具体的脱离情况的分析，在今后的项目开展过程中，将通过模型试验、数值仿真、实际试验等进行进一步的研究。参考文献1 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