炮弹维修表面综合处理系统研究

张怀智　赵大兴　张颖江　谢俊磊　曹宏安　谢全民

1.湖北工业大学，武汉，430068　　2.武汉军械士官学校，武汉，430075

炮弹维修表面综合处理系统研究

张怀智1,2赵大兴1张颖江1谢俊磊2曹宏安2谢全民2

1.湖北工业大学，武汉，4300682.武汉军械士官学校，武汉，430075

摘要：为了解决炮弹维修表面处理手工脱脂技术落后、效率低、质量差等问题，研制了一种炮弹表面综合处理系统。针对炮弹维修主要技术要求，提出了一种炮弹表面自动化综合处理系统设计方案，介绍了多功能炮弹表面处理剂、自动喷淋装置、自动输送装置、红外烘干装置、自动控制系统的设计及性能，并分析了该处理系统的作用原理及作用可靠性。实验表明，该系统自动化程度高，适用弹种广，安全可靠，可实现炮弹表面“脱脂、除锈、磷化、钝化”综合处理。

关键词：炮弹；维修；自动化；综合处理

0引言

炮弹维修是保证炮弹质量、延长炮弹储存寿命，确保炮弹储运和使用安全的重要技术手段。炮弹维修涂装前表面的预处理是影响炮弹维修质量的关键工序。炮弹在储存及维修过程中，不可避免地会接触各种油污，表面发生锈蚀，炮弹维修涂装过程中如果表面有残留油污，则会削弱弹丸表面漆膜的附着力，造成漆膜剥落，从而影响弹药的长期储存。为了满足金属表面涂装的要求，进一步提高炮弹表面维修质量，炮弹在涂装前必须进行脱脂、除锈、磷化、钝化预处理。

目前，炮弹维修所采用的预处理方法为有机溶剂擦拭法，即采用松节油、汽油、乙醇等有机溶剂分步在炮弹表面擦拭，实现脱脂的目的。该方法缺点是有机溶剂易燃、易爆、易挥发、消耗快且有一定毒性，另外表面擦拭法脱脂需手工进行，操作者长期接触容易引起神经衰弱、皮肤干裂等疾病，且费时费力、效率低下，国外已很少将这种方法用于除油清洗工艺[1]。为满足现阶段炮弹维修表面处理质量的要求，实现炮弹维修表面处理的安全、高效及自动化作业，有必要对炮弹涂装前预处理方法和设备进行研究。

1炮弹表面维修方法研究

目前炮弹维修所采用的涂装前预处理方法为松节油、汽油、乙醇三种有机溶剂手工擦拭法，只能实现炮弹表面脱脂的目的。炮弹涂装时为了使油漆与弹丸表面有良好的附着力，增强炮弹表面金属的耐蚀性，除了需对弹丸表面进行脱脂处理外，还需进行除锈、磷化和钝化处理。而工厂对工件的综合处理一般采用分步、分槽多级浸泡处理，共9道工序，设备投资大，维护费用高，不适合炮弹维修小规模作业模式。另外，炮弹内装有烈性炸药，采用浸泡作业方式时若酸碱溶液渗入弹体内则与炸药相互作用，存在燃爆隐患。

对于炮弹自动脱脂系统的研制，必须寻求一种工序简单、设备投入少、运行成本低、安全程度高又能实现炮弹涂装前“脱脂、除锈、磷化、钝化”综合处理的清洗方法。经理论论证和大量实验研究，最终确定采用多功能炮弹表面处理剂以自动喷淋方式对炮弹表面进行处理，一道工序实现炮弹表面“脱脂、除锈、磷化、钝化”综合处理，该方法具有操作简便、成本低、安全、可靠、环保等优点，可实现炮弹表面处理的自动化、绿色化和高效化。

2系统组成及原理

炮弹维修表面综合处理系统主要由多功能炮弹表面处理剂、自动喷淋子系统、红外烘干子系统、自动输送子系统、自动控制子系统等组成，其设备组成如图1所示。

图1　炮弹表面综合处理系统设备组成

2.1多功能表面处理剂配方及最佳使用工艺

综合运用表面活性剂复配技术、化学除锈技术、金属材料保护技术，采用多因素正交试验法，经大量实验和对比分析，确定了适合炮弹维修的多功能表面处理剂配方和最佳使用工艺，如表1、表2所示。该处理剂可在常温下使用，一步实现炮弹表面“脱脂、除锈、磷化、钝化”综合处理。

表1　多功能炮弹表面处理剂配方　%

注：“*”表示适量(暂不公开)。

表2　多功能炮弹表面处理剂最佳使用工艺

2.2变压喷淋子系统

变压喷淋子系统是炮弹自动脱脂系统的重要组成部分，主要目的是为多功能炮弹表面处理剂对炮弹的清洗提供空间、动力及最佳工艺条件，主要由喷淋系统、喷淋室及储液槽组成，系统结构如图2所示。

图2　变压喷淋子系统结构

喷淋子系统主要功能是将储液槽内的多功能炮弹表面处理剂以最佳的压力和速度喷淋到需处理的炮弹表面，实现最佳的清洗效果。通过管路压力控制及喷嘴设计，实现喷淋参数分区控制。喷淋室采用厚1.5 mm经防腐处理的镀锌板制成。棚体顶部运行区用柔性尼龙毛刷密封，既可确保吊挂具顺利通过，又能阻止大部分喷淋剂水气外溢。棚体顶部设有通排风装置，将工作时产生的雾气及时排出车间。储液槽用以贮存多功能炮弹表面处理剂溶液，槽内分主槽、副槽两部分。整个槽底设计成具有一定斜度的坡底，在槽底最低处侧面，开有法兰排渣口和排污阀，用于清洗废液的排放。自动喷淋子系统流程如图3所示。

图3　自动喷淋子系统流程图

2.3自动输送子系统

自动输送子系统的主要功能是实现炮弹的自动输送，设计时既要考虑满足炮弹自动脱脂系统的需求，又要适用于炮弹自动喷漆、自动烘干等作业环节的输送需求，可拓展性强。自动输送子系统采用无极变速机械传输装置，输送速度连续可调，可满足不同弹种工艺维修要求。经大量工程计算，工件自动输送链采用进口专用方轨输送链条，配专用68 mm×72 mm标准承重轨道，100 mm×100 mm×4 mm方钢支架支撑，间隔2000 mm设一个支撑点。配用独立无级变速电磁电动机及WX100型减速机，工件输送速度范围为0.5～2.0 m/min，可根据喷淋工艺自由调节。

工件自动输送链采用活动张紧方式。张紧座的一端设计成可自由滑动的套管，另一端采用螺杆压缩可调的强力弹簧，确保炮弹自动、安全输送。在室温下用可调螺杆张紧输送链，在输送链受热后，依靠强力弹簧的张力拉紧输送链，保证输送链正常运转，确保炮弹输送安全。自动输送子系统输送装置结构如图4所示。

图4　自动输送子系统输送装置结构

2.4红外烘干子系统

红外烘干子系统主要功能是实现炮弹表面处理后的快速烘干，使其满足下一步炮弹表面喷漆的工艺要求，提高维修效率。红外烘干系统由箱体、定向热风喷嘴、红外加热器、温控系统等组成。红外加热器采用红外能量供热源，定向热风喷嘴利用防爆鼓风机将热风输送到炮弹表面，在红外和热风共同作用下实现炮弹表面的快速烘干，温控装置实时监测炮弹表面温度，始终把温度控制在50 ℃以内，确保炮弹烘干作业安全。箱体起密闭作用，通过内部齿条和齿轮的配合，可实现炮弹在输送链上向前运动的同时进行旋转，提高烘干效率。

2.5自动控制子系统

为实现炮弹维修自动化作业，降低人力成本，确保作业安全，系统电气控制采用PLC中央集成控制，整个系统有正常和维修两种状态，当系统处于维修状态时，各个设备均能单独控制；当系统处于正常状态时，各设备按既定程序动作，并且有一定的联锁功能。各个设备均有良好的电气保护，当设备出现故障时，均能实现安全可靠的保护，并自动停止下级运行和发出报警信息，故障排除并发出正常指令后才能重新启动。设有一个标准控制柜，集成控制输送速度、喷淋压力和烘干温度。

3系统性能测试与分析

3.1多功能炮弹表面处理剂性能测试

多功能炮弹表面处理剂性能测试主要依据GB/T12612-2005要求及实验方法进行，分别对处理剂的除锈性能、脱脂性能、磷化膜质量、磷化膜耐蚀性及处理后基体表面漆膜附着力进行了测试，测试结果如表3所示。

表3　多功能炮弹表面处理剂性能测试结果

测试结果表明，多功能炮弹表面处理剂具有除锈效果好，脱脂率高，所形成磷化膜耐蚀性强，处理后弹丸表面漆膜附着力高等特点，各项指标均优于GB/T12612-2005的要求。该处理剂采用SDBS、OP-10、TX-10阴离子-非离子表面活性剂复配方法，可提高表面活性剂的润湿、分散、乳化、增溶等效果，可以显著降低弹药保护脂等油污的表面张力，将保护脂大颗粒固态油污乳化成易溶于水的小颗粒，实现了保护脂的高效去除[2-3]。除锈功能上，该处理剂选择与成膜剂一致的H3PO4作除锈剂，在除锈的同时生成具有保护性的磷化膜成分，实现除锈功能与磷化功能相互协同；利用磷酸除锈作用过程产生的氢气冲击炮弹表面油污，可促进脱脂作用；利用脱脂过程表面活性剂的润湿、渗透作用，使磷酸渗透到锈渍与金属的界面，促进炮弹表面锈蚀的去除，实现脱脂功能与除锈功能相互协同[4]。

3.2自动输送子系统性能测试分析

通过理论核算和实弹维修实验对其性能进行测试。抗拉强度核算[5]：①钢与钢之间滚动摩擦因素μk=0.05，生产线满负荷吊重T=8000kg(78.4kN)；②满负荷驱动力F=μkT=0.05×78.4kN=3.92kN；③链条许用拉伸载荷Q0=30kN，即F

3.3红外烘干子系统性能测试

采用155 mm口径弹丸模型(内部无炸药) 进行烘干系统测试实验，实验弹丸数量60发，实验结果如表4所示。

表4　红外烘干系统性能测试结果

实验结果表明，红外烘干子系统采用红外、热风复合烘干技术，可实现弹丸表面快速烘干，温控范围为28.5～49.5 ℃，温控精度为0.04 ℃，满足炮弹烘干安全要求。

4结语

炮弹维修表面综合处理系统将PLC控制技术、自动输送技术、红外烘干技术应用到弹药维修领域，具有自动化程度高、拓展性强等特点，实现了炮弹表面处理的自动化作业；该系统适用于37～155 mm口径后装炮弹的维修，满足炮弹大修、中修要求，适用弹种广且可实现炮弹表面综合化处理，提高炮弹表面耐蚀性，优化维修工艺，延长弹药储存寿命。

参考文献：

[1]李金桂.清洗剂、除锈剂与防锈剂[M].北京:化学工业出版社,2011.

[2]张圣麟,王绍领.涂装预处理除油工艺的正确选择与使用[J].表面技术,2003(5):68-71.

[3]王培义,徐宝财,王军.表面活性剂[M].北京:化学工业出版社,2007.

[4]张士福.工业用金属清洗剂[J].金山油化纤,2004(1):25-31.

Zhang Shifu. Industrial Metal Cleaner[J]. Petrochemical Technology in Jinshan, 2004(1):25-31.

[5]刘明黎.自动化生产线中速度的同步控制原理及应用[J].制造业自动化, 2012(10)：70-72.

Liu Mingli. Automatic Production Line of the Speed of Synchronous Control Principle and Application[J]. Manufacturing Automation, 2012(10)：70-72.

(编辑苏卫国)

Research on Surface Integrated Processing System for Shell Maintenance

Zhang Huaizhi1,2Zhao Daxing1Zhang Yingjiang1Xie Junlei2Cao Hong’an2Xie Quanmin2

1.Hubei University of Technology,Wuhan,430068 2.Wuhan Ordance Non-commissioned Officer Academy，Wuhan,430075

Abstract:In order to solve the artillery maintenance manual skim backward technology, low efficiency and poor quality problem, a shell surface integrated processing system was developed. In view of the main technical requirements of artillery maintenance, a kind of shell surface automation integrated processing system design scheme was put forward, the multi-function shell surface treatment agent, automatic spray equipment, automatic transmission device, infrared drying device, the design and performance of the automatic control system were introduced, and the action principles and action reliability of the processing system were analyzed . Experimental results show that the system is of high degree of automation, it is suitable for projectiles, safe and reliable, which can realize the “shell surface degreasing, derusting, phosphating, passivation” comprehensive processing.

Key words:shell; maintenance; automation;integrated processing

收稿日期：2014-05-26修回日期：2015-12-07

中图分类号：TJ410;TP23

DOI：10.3969/j.issn.1004-132X.2016.03.009

作者简介：张怀智，男，1965年生。湖北工业大学机械工程学院硕士研究生，武汉军械士官学校弹药与仓储系教授。主要研究方向为炮弹维修技术。赵大兴，男，1962年生。湖北工业大学机械工程学院教授。张颖江，男，1959年生。湖北工业大学计算机学院教授。谢俊磊，男，1983年生。武汉军械士官学校弹药与仓储系讲师。曹宏安，男，1981年生。武汉军械士官学校弹药与仓储系讲师。谢全民，男，1981年生。武汉军械士官学校弹药与仓储系讲师。