孫 玲 弓永軍 王祖溫 張?jiān)雒?/p>

大連海事大學(xué)，大連，116026

0 引言

目前，工業(yè)機(jī)器人已經(jīng)成為一個(gè)國家工業(yè)自動(dòng)化發(fā)展水平的重要標(biāo)志之一，其中，主要應(yīng)用于高空和危險(xiǎn)作業(yè)場(chǎng)合、并可以在垂直壁面上攀爬的大型壁面作業(yè)機(jī)器人，是國際大型工業(yè)機(jī)器人發(fā)展水平的典型代表。

利用大型壁面清洗除銹爬壁機(jī)器人對(duì)船舶進(jìn)行除銹［1－2］與傳統(tǒng)的除銹方法相比，具有無污染、高效率等優(yōu)點(diǎn)，在船舶除銹中擁有很好的發(fā)展前景。目前，國外超高壓水射流技術(shù)比較成熟，并已投入市場(chǎng)，如美國的JETECH、德國的 Hammelmann、KAMAT 公司［3－5］等。而國內(nèi)，關(guān)于超高壓除銹設(shè)備清洗盤內(nèi)部結(jié)構(gòu)的研究甚少。

在大型壁面清洗除銹爬壁機(jī)器人的設(shè)計(jì)中，超高壓旋轉(zhuǎn)清洗盤作為整個(gè)機(jī)器人的執(zhí)行元件，起著非常重要的作用，而清洗盤中的關(guān)鍵性技術(shù)——旋轉(zhuǎn)密封，又是清洗盤能否有效除銹的關(guān)鍵。

超高壓清洗盤的旋轉(zhuǎn)密封目前主要有填料密封、間隙密封［6］這兩種形式。填料密封技術(shù)在高壓水射流旋轉(zhuǎn)密封中的應(yīng)用已經(jīng)非常廣泛，但填料本身的性能、填料密封的結(jié)構(gòu)和使用方法等問題都會(huì)直接影響旋轉(zhuǎn)密封的質(zhì)量。任啟樂等［6］根據(jù)對(duì)填料旋轉(zhuǎn)密封的相關(guān)研究，分析了影響填料密封的主要因素，主要有填料材料、填料裝填工藝及密封結(jié)構(gòu)的加工和裝配精度。因?yàn)榇俺P的工作壓力一般在200MPa以上，傳統(tǒng)的間隙密封會(huì)由于壓力過大而產(chǎn)生泄漏，故一般都通過加長(zhǎng)套筒的尺寸來減小泄漏量，但過長(zhǎng)的套筒尺寸會(huì)產(chǎn)生新的問題，如阻力太大難以轉(zhuǎn)動(dòng)、產(chǎn)生射流霧化的現(xiàn)象等。

本文針對(duì)船舶除銹清洗盤現(xiàn)有的問題，設(shè)計(jì)了一種大型壁面清洗除銹爬壁機(jī)器人用的超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤，該旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤能在氣動(dòng)馬達(dá)的帶動(dòng)下強(qiáng)制旋轉(zhuǎn)，在除銹作業(yè)時(shí)可實(shí)現(xiàn)即除銹即回收的效果。高壓旋轉(zhuǎn)密封采用間隙密封和端面密封相結(jié)合的密封形式，可解決填料裝填工藝和填料材料對(duì)密封性能存在影響的問題，同時(shí)解決由于間隙密封導(dǎo)致的套筒過長(zhǎng)問題。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤的結(jié)構(gòu)圖見圖1。其工作原理是：高壓水經(jīng)過高壓進(jìn)水管8，穿過上殼體2和下殼體4中的進(jìn)水管通道，進(jìn)入到旋轉(zhuǎn)噴頭6中，噴頭端部均勻分布4個(gè)噴嘴，高壓水經(jīng)噴嘴噴出后，形成高速的水射流，噴射到船體的鋼板壁面，將船體上的銹層、漆層和藻類等物質(zhì)清洗干凈；由于密封盤5與船舶壁面緊貼而具有一定密封性，在密封盤5上開一回收口，與真空回收系統(tǒng)連接［7］，則可保證超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤在清洗過程中產(chǎn)生的廢水、廢渣被真空回收系統(tǒng)回收，實(shí)現(xiàn)即除即收。噴頭6在工作過程中的旋轉(zhuǎn)是通過氣動(dòng)馬達(dá)1的轉(zhuǎn)動(dòng)來實(shí)現(xiàn)的，氣動(dòng)馬達(dá)1轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)主動(dòng)齒輪2旋轉(zhuǎn)，主動(dòng)齒輪2與從動(dòng)齒輪7嚙合（齒數(shù)比為1∶1），帶動(dòng)從動(dòng)齒輪7按1∶1的轉(zhuǎn)速旋轉(zhuǎn)，而從動(dòng)齒輪7與噴頭6之間通過螺紋連接，因此噴頭6隨著從動(dòng)齒輪7旋轉(zhuǎn)，其旋轉(zhuǎn)速度取決于氣動(dòng)馬達(dá)1的轉(zhuǎn)速。在這里，氣動(dòng)馬達(dá)1選取變速氣動(dòng)馬達(dá)，在工作中通過調(diào)整氣動(dòng)馬達(dá)1的轉(zhuǎn)速來尋找最佳工況下噴頭6的旋轉(zhuǎn)速度。高壓進(jìn)水管8與噴頭6之間采用端面密封和間隙密封相配合的密封形式，兩種密封形式組合可以有效地保證固定件與旋轉(zhuǎn)件之間的密封。

圖1 超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤結(jié)構(gòu)圖

2 設(shè)計(jì)及分析

2.1 高壓旋轉(zhuǎn)密封的設(shè)計(jì)

在清洗盤中，最難設(shè)計(jì)的密封是旋轉(zhuǎn)噴頭與高壓進(jìn)水管之間的旋轉(zhuǎn)密封。常見的旋轉(zhuǎn)密封形式有O形圈密封或填料密封，由于水的潤(rùn)滑性能差、黏度比較低，隨著旋轉(zhuǎn)速度和壓力的提高，摩擦副很容易損壞，因此在這里采用端面密封和間隙密封相配合的密封形式，從而很好地解決了這一問題。

在設(shè)計(jì)密封時(shí)，按照如下的準(zhǔn)則：①旋轉(zhuǎn)力矩要能克服摩擦阻力使噴頭旋轉(zhuǎn)起來；②密封要能保證噴嘴的額定排出壓力；③不隨壓力與轉(zhuǎn)速的提高而產(chǎn)生抱軸現(xiàn)象；④保證泄漏量必須小于射流量的10%。密封結(jié)構(gòu)示意圖見圖2。

圖2 密封機(jī)構(gòu)示意圖

由圖2可知，進(jìn)水管固定不動(dòng)，旋轉(zhuǎn)噴頭在旋轉(zhuǎn)時(shí)，密封軸的內(nèi)外套會(huì)以小于旋轉(zhuǎn)噴頭的速度旋轉(zhuǎn)。因此在設(shè)計(jì)時(shí)共3處密封，1、2處都為間隙密封，3處為端面密封，其中的1和3為主密封，2為輔助密封。

間隙密封的宏觀機(jī)理是：間隙兩端壓力差所引起的推力F不應(yīng)大于液層間的內(nèi)摩擦力f。假定圓柱體的密封面配合間隙的兩端壓力差為Δp，間隙大小為h，間隙長(zhǎng)度為L(zhǎng)，油液速度為v，動(dòng)力黏度為μ，間隙厚度方向坐標(biāo)為x，則內(nèi)摩擦力公式為

假設(shè)密封間隙內(nèi)流體流動(dòng)的單位阻力沿半徑方向不變，則流體沿半徑r方向的壓降pr呈線性分布，則油膜形成推力為

式中，r1、r2分別為密封面的圓柱體包容面和被包容面的半徑；p為間隙入口處壓力。

如果推力大于液層間黏度的內(nèi)摩擦力，則會(huì)產(chǎn)生泄漏，泄漏量為

式中，qjx為間隙密封泄漏量；d為密封面直徑。

考慮實(shí)際應(yīng)用中，由于間隙泄漏受到安裝方式、加工誤差的影響，因此引入修正系數(shù)Ce對(duì)式（3）進(jìn)行修正，所以實(shí)際泄漏量為

由式（4）可知，影響間隙密封的主要因素有：密封面直徑、密封長(zhǎng)度、密封間隙、密封面配合間隙的兩端壓力差Δp等，其中影響最大的就是密封間隙，泄漏量與密封間隙成三次方的比例關(guān)系，因此需要合理控制密封間隙。

對(duì)于圖2中1處密封，當(dāng)高壓水進(jìn)入后，壓力均布到零件a的內(nèi)筒上，會(huì)使零件a產(chǎn)生一定的壓力變形，在垂直于軸向方向上會(huì)有一定的位移變形量。如果此處設(shè)計(jì)的密封間隙過小，則零件a變形量過大會(huì)導(dǎo)致進(jìn)水管與密封軸內(nèi)套抱死；如果密封間隙過大，則泄漏量會(huì)增大，起不到密封作用，因此分析設(shè)計(jì)時(shí)需考慮零件a的變形量。

零件a的材料采用不銹鋼，左端為固定端，管內(nèi)加220MPa的壓力，在workbench中進(jìn)行單個(gè)管的結(jié)構(gòu)分析，其位移變形圖和密封示意圖見圖3。由圖3可知，采用不銹鋼材料時(shí)，其X向、Y向最大的位移變形量約為3.617μm。從總位移變形圖（圖3d，透明處為未變形前的不銹鋼管位置）來看，不銹鋼管在Z方向上有一定的收縮，最大收縮量為18.97μm。不銹鋼管最外側(cè)的位移變形量是重要的參考依據(jù)，由圖3可知，垂直于軸線方向的不銹鋼管最外側(cè)的位移變形量為2.8 μm。因此，設(shè)計(jì)密封間隙時(shí)需考慮該變形量。

圖3 1處密封及受壓示意圖

圖2中3處屬于端面密封，如圖4所示。

圖4 端面密封

在端面密封中，由于旋轉(zhuǎn)噴頭高速旋轉(zhuǎn)，高壓水經(jīng)過高壓進(jìn)水管后，會(huì)在端面處形成一定厚度的液膜。該液膜要既能保證兩個(gè)端面在相對(duì)運(yùn)動(dòng)時(shí)不會(huì)接觸，起到潤(rùn)滑作用，同時(shí)也要幫助端面起到有效的密封性能，使從端面泄漏出去的水不能太多。則端面密封內(nèi)外壓力差Δp1為

式中，λ為阻力系數(shù)，與雷諾數(shù)有關(guān)；ρ為流體密度，kg／m3；dg為等效直徑，m；ω為旋轉(zhuǎn)速度，rad／min；l為密封長(zhǎng)度；D、d1分別為密封環(huán)外徑、內(nèi)徑；dm為端面平均直徑。

所以有

考慮到環(huán)形間隙內(nèi)的壓力梯度，對(duì)牛頓流體運(yùn)用雷諾方程求解得到泄漏量為

總泄漏量為qz＝qjxs＋Δq。

影響密封性能的不確定因素很多，在設(shè)計(jì)旋轉(zhuǎn)密封時(shí)，我們采用王慶國等［8］提出的“合理泄漏”的概念，即保證泄漏量必須小于射流量的10%，否則將該密封判為失效。

2.2 氣動(dòng)馬達(dá)的選擇

清洗盤旋轉(zhuǎn)噴頭的驅(qū)動(dòng)靠氣動(dòng)馬達(dá)，因此需根據(jù)旋轉(zhuǎn)噴頭的分類［9］估算氣動(dòng)馬達(dá)驅(qū)動(dòng)力矩，從而合理選擇氣動(dòng)馬達(dá)。對(duì)旋轉(zhuǎn)噴頭進(jìn)行受力分析，噴頭旋轉(zhuǎn)所需的旋轉(zhuǎn)力矩的計(jì)算公式為

式中，T為氣動(dòng)馬達(dá)的啟動(dòng)力矩；Mt為旋轉(zhuǎn)密封的總摩擦扭矩；J為旋轉(zhuǎn)噴頭的轉(zhuǎn)動(dòng)慣量；q為旋轉(zhuǎn)噴頭總流量；R為旋轉(zhuǎn)噴頭半徑。

在選擇氣動(dòng)馬達(dá)的時(shí)候，還要注意旋轉(zhuǎn)噴頭的旋轉(zhuǎn)速度不能過高，過高的轉(zhuǎn)速不但會(huì)導(dǎo)致射流嚴(yán)重霧化，喪失應(yīng)有的沖擊力，而且會(huì)影響旋轉(zhuǎn)密封的壽命，產(chǎn)生心軸卡死的現(xiàn)象［10］。根據(jù)初步計(jì)算，選擇瑞典Atlas的LZB22RL氣動(dòng)馬達(dá)，其最大的輸出扭矩為2.4N·m，最高輸出轉(zhuǎn)速為1040r／min，在使用的時(shí)候，通過節(jié)流閥調(diào)節(jié)進(jìn)入氣動(dòng)馬達(dá)的進(jìn)氣量，將旋轉(zhuǎn)噴頭的轉(zhuǎn)速調(diào)定在400～600r／min之間。

3 實(shí)際應(yīng)用

根據(jù)除銹清洗的要求，整套清洗設(shè)備的工作壓力為200～220MPa，流量為27L／min，清洗的寬度為250mm，所設(shè)計(jì)的超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤如圖5所示。圖6為實(shí)際應(yīng)用的圖片。

圖5 超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤3D效果圖

圖6 實(shí)際應(yīng)用

圖6中的鋼板為船廠造船用的鋼板，鋼板上涂裝船用漆，清洗盤在鋼板上的移動(dòng)速度為32 m／s，行走一次，即可將鋼板上的船漆剝離掉，露出船板表面，除銹效果達(dá)到C級(jí)Sa2.5噴射除銹標(biāo)準(zhǔn)，除銹效果良好。

超高壓旋轉(zhuǎn)除銹清洗盤共安裝4個(gè)噴嘴，以提高實(shí)際的除銹效率。在設(shè)計(jì)主動(dòng)齒輪時(shí)，采用了合成材料，長(zhǎng)時(shí)間的使用運(yùn)轉(zhuǎn)導(dǎo)致主動(dòng)齒輪有一定疲勞損壞，而在一次操作中由于關(guān)機(jī)順序錯(cuò)誤，導(dǎo)致主動(dòng)齒輪所受外負(fù)載突然增大，齒輪發(fā)生斷裂，旋轉(zhuǎn)噴頭無法旋轉(zhuǎn)工作。將噴頭拆卸維修，如圖7所示。

圖7 拆卸維修圖

由圖7可知，主動(dòng)齒輪由于疲勞損壞破壞掉6～7個(gè)齒，同時(shí)發(fā)現(xiàn)密封3處即端面密封處，端面部分有磨損，并且內(nèi)環(huán)的磨損度大于外環(huán)的磨損度，這是由于端面部分的壓力分布不均勻、內(nèi)環(huán)壓力高于外環(huán)壓力所致。

維修后，在使用過程中發(fā)現(xiàn)，在所有參數(shù)一定的情況下，工作時(shí)的系統(tǒng)壓力要上調(diào)10MPa左右才能達(dá)到之前的除銹效果。分析原因如下：①由于端面密封處的端面有一定的磨損，導(dǎo)致密封效果不如以前，泄漏量增加，從而使得系統(tǒng)的效率下降，需通過提高系統(tǒng)壓力來提高效率。②噴嘴長(zhǎng)期使用，有一定的磨損，導(dǎo)致射流效率降低。

4 結(jié)束語

旋轉(zhuǎn)密封的好壞直接影響到水射流除銹清洗的效率。該除銹清洗盤的成功研制及使用，解決了高壓水射流密封困難的問題，在實(shí)際的使用中具有高效、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單及密封可靠等優(yōu)點(diǎn)，并且整體設(shè)備以水作為傳動(dòng)介質(zhì)，可以做到隨時(shí)除銹隨時(shí)回收銹漆效果，對(duì)環(huán)境無污染，符合船廠中除銹的需要，具有一定的推廣價(jià)值。

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