顏 樂，張 軻，薛士枚，張 弛，張宇輝

(1.滬東中華造船(集團(tuán))有限公司，上海 200129；2.上海交通大學(xué) 焊接與激光制造研究所，上海 200240；3.上海江南長(zhǎng)興造船有限責(zé)任公司，上海 201913)

0 引 言

船體分段合龍的大拼接焊縫在噴漆之前須在船塢現(xiàn)場(chǎng)進(jìn)行除銹工作，除銹工作量巨大，傳統(tǒng)的高空作業(yè)車或吊籃方式的人工噴砂除銹效率低、污染環(huán)境、危害人體健康且存在安全隱患，在當(dāng)前環(huán)保要求更為嚴(yán)格的前提下，采用更為環(huán)保、綠色、智能、高效的除銹方法勢(shì)在必行。

針對(duì)船體外板采用爬壁機(jī)器人除銹，當(dāng)前主要有超高壓純水射流除銹和噴砂除銹兩種方式。歐美等普遍采用爬壁機(jī)器人搭載超高壓純水射流除銹器的方法，機(jī)器人在船舶壁面移動(dòng)的同時(shí)超高壓純水射流除銹器進(jìn)行除銹或者表面處理，如美國的FLOW公司和NLB公司、德國的KAMAT公司和Hammelmann公司、法國的Cybemetix公司等[1]。國內(nèi)可參考文獻(xiàn)[2]和文獻(xiàn)[3]，但超高壓純水射流方式成本高、工藝控制難度大，易發(fā)生“閃銹”的問題，廢水排放污染環(huán)境，其應(yīng)用場(chǎng)景更適合修船。噴砂除銹方式工藝成熟，成本低、除銹效率高、質(zhì)量好，如能實(shí)現(xiàn)噴砂過程的無塵化，廢料、粉塵、銹污無塵化回收和磨料的循環(huán)再利用，則不失為一種比較理想的解決方案。國內(nèi)外在這方面展開較多的研究[4-12]。但這些環(huán)保型噴砂機(jī)主要用于人工噴砂，普遍存在噴砂面積小(除銹寬度一般不大于60.0 mm)、噴槍無法旋轉(zhuǎn)、效率低、噴槍沉重、手持操作很不方便等情況；即便采用機(jī)械裝置輔助，噴槍運(yùn)動(dòng)范圍、安裝、控制操作性差，無法適應(yīng)船體外板大范圍移動(dòng)的工況。

船體外板大拼接不僅有橫向焊縫，而且有縱向焊縫，分布范圍廣，移動(dòng)范圍大，為解決其噴砂除銹難題，提出大噴砂腔室單槍/多槍高效旋轉(zhuǎn)無塵噴砂方法，并對(duì)其磨料的淤積與回收、磨料對(duì)工件表面的沖蝕效果、偏心旋轉(zhuǎn)彎管接頭的磨損情況進(jìn)行數(shù)值模擬評(píng)估，對(duì)研制的高效無塵噴砂除銹器的除銹效果進(jìn)行實(shí)船驗(yàn)證。

1 無塵噴砂除銹器設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)組成

在實(shí)際作業(yè)過程中，由爬壁機(jī)器人攜帶除銹器進(jìn)行船體外板大拼接縫的高空除銹作業(yè)。在過程中須解決如下關(guān)鍵問題：(1)噴砂過程的無塵化；(2)沖擊工件表面的磨料、銹污的回收；(3)大面積高效除銹。只有解決這些問題，用機(jī)器人代替人工除銹才更有實(shí)際意義。

為實(shí)現(xiàn)噴砂過程的無塵化，須將噴砂過程置于一個(gè)較為密閉的腔室中，使整個(gè)噴砂除銹過程均在密閉腔室中進(jìn)行。噴槍沖擊工件表面反彈回來的砂、工件表面被沖蝕掉的鐵銹和油污、磨料破碎后產(chǎn)生的粉塵等必須能夠在溢出密閉腔室之前有效地回收，這樣才能實(shí)現(xiàn)噴砂過程的無塵化。因此，在密閉腔室側(cè)壁設(shè)置回砂管，基于真空負(fù)壓的抽吸作用，將密閉腔室中的銹污、磨料、粉塵在負(fù)壓的作用下通過回砂管抽吸回收。這樣不僅可防止磨料通過腔室外泄造成粉塵污染，而且可實(shí)現(xiàn)噴砂除銹過程的無塵化，而回收的磨料通過分離裝置可實(shí)現(xiàn)循環(huán)再利用，顯著提高磨料的利用率。

在自動(dòng)除銹時(shí)，噴砂除銹槍為保持系統(tǒng)的穩(wěn)定性和可靠性，噴槍距工件表面距離較近，這樣就導(dǎo)致除銹面積太小，增加作業(yè)時(shí)間。為實(shí)現(xiàn)高效除銹，提出如下解決方案：(1)采用比手工噴砂除銹大得多的密閉腔室，便于實(shí)現(xiàn)大面積的噴砂除銹；(2)噴槍設(shè)計(jì)成偏心結(jié)構(gòu)，并用電機(jī)驅(qū)動(dòng)旋轉(zhuǎn)，當(dāng)噴槍旋轉(zhuǎn)時(shí)，即可實(shí)現(xiàn)大面積的噴砂除銹；(3)為進(jìn)一步提高噴砂效率，可采用雙槍甚至多槍結(jié)構(gòu)，多把噴槍對(duì)稱布置。利用多槍同時(shí)旋轉(zhuǎn)噴砂，可實(shí)現(xiàn)船體外板大拼接縫的高質(zhì)、高效噴砂除銹處理，顯著提高噴砂效率和質(zhì)量。

系統(tǒng)的基本組成結(jié)構(gòu)如圖 1所示。無塵噴砂除銹器主要由噴砂密封腔室、噴槍、噴槍護(hù)套、旋轉(zhuǎn)偏心結(jié)構(gòu)、進(jìn)砂管及腔室側(cè)壁的回收管、腔室下端與工件接觸面起密封作用的毛刷等組成。其主要參數(shù)為：噴槍距工件表面的高度約100.0 mm，噴砂腔室直徑大于100.0 mm，噴槍旋轉(zhuǎn)直徑不小于100.0 mm，旋轉(zhuǎn)噴槍為單槍或者多槍。

圖1 無塵噴砂除銹器結(jié)構(gòu)及組成

1.2 自動(dòng)除銹過程描述

在除銹時(shí)，爬壁機(jī)器人攜帶無塵噴砂除銹器向前或向后運(yùn)動(dòng)，噴槍在電機(jī)的驅(qū)動(dòng)下高速旋轉(zhuǎn)，同時(shí)磨料在壓縮空氣的帶動(dòng)下輸送至噴槍，經(jīng)過噴槍的拉法爾效應(yīng)加速后沖擊至工件表面，實(shí)現(xiàn)工件的高質(zhì)、高速除銹，同時(shí)基于真空負(fù)壓原理不斷抽吸由工件表面反彈回的磨料、鐵銹、油污、粉塵等，實(shí)現(xiàn)噴砂過程的無塵化、并將回收的磨料進(jìn)行分離、循環(huán)再利用，整個(gè)過程持續(xù)進(jìn)行。

通過爬壁機(jī)器人的前后運(yùn)動(dòng)結(jié)合噴槍旋轉(zhuǎn)噴砂，可實(shí)現(xiàn)大面積噴砂除銹。通過噴槍的旋轉(zhuǎn)，噴砂軌跡前后重疊，實(shí)現(xiàn)同一位置多次重復(fù)掃描，解決直線往復(fù)運(yùn)動(dòng)噴砂易出現(xiàn)未全覆蓋掃描路徑的問題。采用雙槍/多槍同時(shí)旋轉(zhuǎn)，可對(duì)除銹區(qū)域?qū)崿F(xiàn)更高密度的重復(fù)掃描，進(jìn)一步提高除銹效率和除銹質(zhì)量。相對(duì)于單槍旋轉(zhuǎn)，由于雙槍前后多次重復(fù)掃描，爬壁機(jī)器人可更快移動(dòng)，顯著提高噴砂效率。圖2所示為爬壁機(jī)器人在除銹過程中的單槍噴砂運(yùn)動(dòng)路徑和雙槍旋轉(zhuǎn)噴砂運(yùn)動(dòng)路徑，其中：噴槍旋轉(zhuǎn)速度為24 r/min,旋轉(zhuǎn)半徑為100.0 mm，雙噴槍的雙槍左右對(duì)稱布置，中間灰色部分為船體外板大拼接焊縫。由圖2可知：通過旋轉(zhuǎn)噴砂方式，掃描路徑前后重疊，多次掃描，可有效提高除銹效率和質(zhì)量；對(duì)于同樣的機(jī)器人行走速度和旋轉(zhuǎn)噴砂速度，雙噴槍的路徑掃描密度是單槍的2倍，顯然采用雙槍可得到更好的除銹效果、更高的除銹效率。

圖2 噴槍在爬壁機(jī)器人除銹過程中的運(yùn)動(dòng)軌跡

2 基于有限元模擬的效果評(píng)估

在除銹過程中，通過壓縮空氣將棱角砂等堅(jiān)硬磨料輸送至爬壁機(jī)器人的噴砂除銹器中，經(jīng)過噴槍的拉法爾效應(yīng)加速后沖擊至工件表面，從而達(dá)到除銹的目的。磨料在噴槍之前需要經(jīng)過偏心結(jié)構(gòu)的磨料分配彎管，磨料的運(yùn)動(dòng)路徑發(fā)生轉(zhuǎn)向，磨料在運(yùn)動(dòng)過程中會(huì)持續(xù)沖擊彎管接頭部分，而回砂管的不同負(fù)壓對(duì)除銹器中的磨料回收效果不同。因此，針對(duì)所設(shè)計(jì)的噴砂除銹器，通過有限元法對(duì)上述內(nèi)容進(jìn)行評(píng)估。

2.1 建模及網(wǎng)格劃分

為方便有限元對(duì)噴砂除銹器效果進(jìn)行評(píng)估，對(duì)模型作適當(dāng)簡(jiǎn)化。采用Gambit繪制幾何模型并進(jìn)行網(wǎng)格劃分，采用四面體網(wǎng)格進(jìn)行動(dòng)網(wǎng)格處理，共有182 049個(gè)網(wǎng)格。整個(gè)幾何分為轉(zhuǎn)動(dòng)噴管、腔體、底部毛刷等3個(gè)部分。圖 3 分別為無塵噴砂除銹器幾何模型及有限元網(wǎng)格劃分情況。

圖3 無塵噴砂除銹器模型及網(wǎng)格劃分

2.2 數(shù)學(xué)模型方程

采用歐拉-拉格朗日法模擬無塵噴砂除銹器中的氣固兩相流動(dòng)行為，其對(duì)應(yīng)的數(shù)學(xué)模型為顆粒軌道模型[11-12]，即氣相為連續(xù)相，顆粒相為離散相[13-14]。計(jì)算連續(xù)相流場(chǎng)得到氣相流場(chǎng)特性，結(jié)合流場(chǎng)特性分析每個(gè)顆粒的動(dòng)力特性，求解每個(gè)顆粒的受力情況，得出顆粒軌跡和速度。氣相方程考慮連續(xù)性方程，如式(1)所示；動(dòng)量方程如式(2)所示；k-ε雙方程湍流模型如式(3)和式(4)所示。顆粒受力考慮曳力、重力和巴賽特力。氣相方程非穩(wěn)態(tài)項(xiàng)采用隱式離散，對(duì)流項(xiàng)采用二階迎風(fēng)格式，梯度采用高斯-賽德爾法進(jìn)行離散。

(1)

式中：ρ為流通密度，kg/m3；t為時(shí)間，s;ux、uy、uz分別為x、y、z等3個(gè)方向的速度分量，m/s。

(2)

式中：V為微元體體積，m3；p為作用在微元體中心的壓力，Pa；τxx、τxy、τxz、τyy、τzy、τyz、τzz分別為黏性應(yīng)力在各個(gè)微元體表面上的分量，Pa;fx、fy、fz分別為x、y、z等3個(gè)方向上的單位質(zhì)量力,m/s2。

湍流動(dòng)能方程κ為

Gb-ρε-YM-Sk

(3)

擴(kuò)散方程ε為

(4)

式(3)和式(4)中:μ為層流動(dòng)力黏度，N·s/m2；Gk為平均速度梯度引起的湍流動(dòng)能；Gb為由浮力產(chǎn)生的紊流動(dòng)能；YM為可壓縮湍流中波動(dòng)膨脹對(duì)總耗散率的貢獻(xiàn)；C1ε、C2ε和C3ε為常量；σk和σε分別為方程κ和方程ε的湍流普朗特?cái)?shù)；Sk和Sε為用戶定義的源項(xiàng)。

對(duì)于顆粒相，將顆粒簡(jiǎn)化為表面光滑的球形顆粒，固體顆粒在超聲速氣流作用下受到的力主要為軸向的氣動(dòng)曳力[15]:

(5)

式中：F為顆粒所受的氣動(dòng)曳力；CD為曳力因數(shù)；ρg為氣流密度；vg和vp分別為氣流速度和顆粒速度；S為顆粒迎風(fēng)面積。

2.3 結(jié)果討論

仿真主要參數(shù)設(shè)置如下：磨料粒徑為0.5～1.2 mm，材料為棱角砂，密度為7.85 g/cm3，采用喉徑為8.0 mm的噴嘴，負(fù)壓設(shè)置范圍為0～0.10 MPa，進(jìn)口壓力為0.50～0.80 MPa，輸入氣流量為9.0～12.0 m3/min,顆粒流速為1.0 m/s，噴槍旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min。不同的進(jìn)口壓力、進(jìn)砂量、負(fù)壓等均對(duì)回收效果有較大影響。

2.3.1 噴槍彎管部分的磨損效應(yīng)

圖4為當(dāng)彎管接頭傾角為135°時(shí)，不同顆粒流量對(duì)進(jìn)砂口彎管接頭部位的磨損情況。仿真參數(shù)：磨料粒徑為0.6 mm，棱角砂，磨料回收負(fù)壓為-0.10 MPa，仿真時(shí)間為0.5 s。如圖4所示：在0.5 s內(nèi)，當(dāng)顆粒流量為0.1 kg/s時(shí)，對(duì)彎頭的最大磨損速率為0.58×10-6kg/(m2·s)；當(dāng)顆粒流量為1.0 kg/s時(shí)，對(duì)彎頭的最大磨損速率為0.51×10-5kg/(m2·s)。由此可見：當(dāng)顆粒流量增大時(shí)，盡管磨料在壓縮空氣帶動(dòng)下對(duì)彎管接頭部位的磨損顯著增加，但總體上是在一個(gè)較小的可接受范圍內(nèi)。

圖4 不同顆粒流量對(duì)進(jìn)砂口彎管接頭部位的磨損情況

2.3.2 磨料對(duì)工件表面的沖蝕效果

圖5為磨料在壓縮空氣帶動(dòng)下經(jīng)噴槍拉法爾效應(yīng)加速后不同顆粒流量對(duì)工件表面的沖蝕效果，圓弧形部位為噴槍在0.5 s內(nèi)的旋轉(zhuǎn)噴砂路徑和沖蝕效果。仿真參數(shù)：磨料粒徑為0.6 mm，棱角砂，磨料回收負(fù)壓為-0.10 MPa，噴槍旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min,仿真時(shí)間為0.5 s。如圖5所示：當(dāng)顆粒流量為0.1 kg/s時(shí)，對(duì)工件表面的最大沖蝕效果為0.224×10-6kg/(m2·s)；當(dāng)顆粒流量為1.0 kg/s時(shí)，對(duì)工件表面的最大沖蝕效果為0.212×10-5kg/(m2·s)。由此可見：當(dāng)顆粒流量增大時(shí)，磨料對(duì)工件表面的沖蝕效果更好，但在整個(gè)路徑上沖蝕的均勻性變差。因此，均勻且沖蝕效應(yīng)更明顯的磨料流量應(yīng)小于1.0 kg/s，如果磨料流量太大，易導(dǎo)致磨料在噴砂腔室中淤積量增多，影響磨料、銹污、粉塵的回收，從而影響最終的除銹質(zhì)量。

圖5 磨料不同顆粒流量對(duì)工件表面的沖蝕效果

2.3.3 不同粒徑對(duì)沖蝕和磨損效果的影響

圖6為不同粒徑磨料對(duì)工件表面的沖蝕效應(yīng)和對(duì)彎管接頭的磨損情況。仿真參數(shù)：磨料粒徑為0.6～1.0 mm，棱角砂，磨料回收負(fù)壓為-0.10 MPa，仿真時(shí)間為0.5 s。如圖6所示：隨著磨料粒徑的增大，彎管接頭的磨損逐漸增加；對(duì)工件表面的沖蝕效果則表現(xiàn)為隨著粒徑的增大而降低，這主要由于粒徑大的質(zhì)量大，經(jīng)過噴槍拉法爾效應(yīng)加速后，大粒徑的動(dòng)能增加反而不如小粒徑的沖蝕效果。由圖6(b)可知：當(dāng)磨料粒徑為0.6 mm時(shí)，其對(duì)工件的沖蝕效果更佳。

圖6 不同粒徑磨料的沖蝕效應(yīng)和對(duì)彎管接頭的磨損

2.3.4 磨料的淤積及回收效果

為便于對(duì)比分析，分別以無真空負(fù)壓(即0 MPa)和負(fù)壓-0.05 MPa進(jìn)行模擬仿真，磨料淤積和回收效果如圖7所示。由圖7可知：負(fù)壓對(duì)磨料的回收效果有顯著的影響，負(fù)壓值越大，回收效果越好，可有效減少磨料、粉塵、銹污等在噴砂腔室中的堆積，提高磨料的回收利用率，提高無塵化效果，同時(shí)避免磨料黏附在磁鐵上的可能性，提高爬壁系統(tǒng)高空作業(yè)的穩(wěn)定性。進(jìn)一步仿真試驗(yàn)表明：當(dāng)負(fù)壓值大于-0.05 MPa時(shí)，對(duì)磨料的回收有顯著效果，幾乎可實(shí)現(xiàn)100%的磨料回收，噴砂過程實(shí)現(xiàn)無塵化，同時(shí)反彈后的磨料在噴砂腔室中的淤積較少，有利于提高噴砂除銹的效果。

圖7 2種不同工況對(duì)磨料的回收效果對(duì)比

負(fù)壓值不宜太大，否則會(huì)減少磨料沖擊工件表面的動(dòng)能，降低除銹效果，增加腔室對(duì)工件表面的吸附力，阻礙機(jī)器人的爬行。因此，在實(shí)際工作過程中，回收負(fù)壓值需要結(jié)合進(jìn)砂口的氣壓、流量、磨料粒徑，在保證回收效果的情況下，兼顧系統(tǒng)爬行的動(dòng)態(tài)性能。

3 實(shí)際應(yīng)用驗(yàn)證

為實(shí)際驗(yàn)證無塵化噴砂除銹效果，使爬壁機(jī)器人搭載所設(shè)計(jì)的無塵噴砂除銹器，對(duì)船體外板的大拼接焊縫進(jìn)行實(shí)際噴砂除銹測(cè)試。具體工藝參數(shù)如下：氣源壓力為0.50～0.60 MPa，棱角砂粒徑為0.6 mm，噴槍掃描寬度為160.0～200.0 mm，真空負(fù)壓約-0.05 MPa，砂閥開度為40%，爬壁機(jī)器人行走速度為1.6 m/min,噴槍旋轉(zhuǎn)速度為30 r/min。圖8為爬壁機(jī)器人在船體外板大拼接焊縫上進(jìn)行噴砂除銹的場(chǎng)景。

圖8 船體外板大拼接焊縫噴砂除銹現(xiàn)場(chǎng)實(shí)船應(yīng)用場(chǎng)景

按照船體外板大拼接焊縫相關(guān)除銹標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行檢測(cè)發(fā)現(xiàn)，除銹后大拼接縫的表面清潔度達(dá)到涂裝要求的Sa 2.5級(jí)，粗糙度從除銹前的7.343 μm升至39.729 μm，達(dá)到涂裝要求30～70 μm的粗糙度級(jí)別。除銹效率達(dá)19 m2/h，按160.0～200.0 mm寬度連續(xù)除銹，每小時(shí)除銹長(zhǎng)度可達(dá)96 m。

由于采用真空負(fù)壓對(duì)除銹過程中的磨料、鐵銹、油污等進(jìn)行回收，實(shí)現(xiàn)噴砂過程的無塵化，解決開放式噴砂過程憂心的環(huán)境污染問題及對(duì)人體健康的危害?；厥盏膹U料經(jīng)過分離裝置將未破碎的磨料分離出來循環(huán)再利用，顯著提高磨料的利用率，實(shí)現(xiàn)節(jié)能、環(huán)保和綠色噴砂除銹。

4 結(jié) 論

(1)針對(duì)船體外板大拼接焊縫的噴砂除銹，研發(fā)高效無塵噴砂除銹器。采用大密閉腔室單槍/多槍高速旋轉(zhuǎn)噴砂除銹，可實(shí)現(xiàn)除銹寬度在160.0 mm以上的高效、無塵化噴砂除銹?；谡婵肇?fù)壓對(duì)反彈的磨料和沖蝕掉的鐵銹、油污、粉塵等進(jìn)行回收，對(duì)磨料進(jìn)行循環(huán)再利用，顯著提高磨料的利用率。

(2)有限元模擬表明：當(dāng)真空負(fù)壓大于-0.05 MPa時(shí)，回收效果顯著提升，大于0.6 mm的棱角鋼砂基本可實(shí)現(xiàn)無塵化完全回收；采用喉徑為8.0 mm的噴嘴，噴槍旋轉(zhuǎn)速度為60 r/min，旋轉(zhuǎn)寬度為160.0～200.0 mm，對(duì)工件表面的沖蝕效果良好；偏心旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的彎頭部分，傾角約135°時(shí)，磨料對(duì)彎管接頭的沖擊較小，有利于增加彎管接頭的連續(xù)噴砂能力。

(3)船體外板大拼接縫噴砂除銹表明：具有合適的工藝參數(shù)，表面清潔度達(dá)Sa 2.5級(jí)，粗糙度達(dá)30～70 μm，可滿足涂裝的要求，且單次除銹寬度大于160.0 mm以上，每小時(shí)除銹焊縫長(zhǎng)度可達(dá)96 m，連續(xù)除銹效率可達(dá)19 m2/h。