吳上生，蘭 僑，陳 柘

（華南理工大學(xué)機械與汽車工程學(xué)院，廣州 510640）

0 引言

管道輸送以其獨特的技術(shù)和經(jīng)濟優(yōu)勢，在能源、燃料、市政、化工等領(lǐng)域發(fā)揮著重要的作用[1]。隨著石油化工行業(yè)的發(fā)展，對輸油管、輸氣管、供排水管及污水回注管等方面金屬管道的需求量日益增長。金屬管道在未安裝使用前都會進行除銹上漆處理，防止其內(nèi)外表面被腐蝕，但是管道固定安裝使用后，長期暴露于日曬雨淋等環(huán)境中，管道外表面的防護漆易脫落，進而使得外表面產(chǎn)生腐蝕。金屬管道的腐蝕常常引起災(zāi)難性的后果，如導(dǎo)致火災(zāi)、泄漏和污染環(huán)境等，并造成巨大經(jīng)濟損失。因此，輸送管道外表面腐蝕生銹后，需要及時進行清理并上保護漆，防止其進一步腐蝕，從而避免災(zāi)難性后果發(fā)生。

目前對金屬管道外表面除銹裝置的研究，主要集中于管道安裝前的除銹研究。朱甲兵[2]研究設(shè)計了一種自適應(yīng)鋼管外表面除銹裝置，通過對剖分式筒形刷結(jié)構(gòu)進行調(diào)節(jié)，自適應(yīng)鋼管外徑變化除銹；李奇文、榮連泉[3]提出一種鋼管外表面在線除銹方法，先淋濕鋼管，然后通過除銹機的兩組毛刷相對鋼管旋轉(zhuǎn)方向反向旋轉(zhuǎn)清除鋼管表面鐵銹，再通過高壓水沖洗附著的鐵泥并用壓縮空氣干燥鋼管；楊鑫偉等[4]提出一種鋼管外表面除銹系統(tǒng)，包括輸送裝置和除銹裝置，通過輸送裝置將鋼管移動到除銹裝置內(nèi)，使用除銹輪對鋼管外表面除銹；現(xiàn)在常用的大型鋼管除銹機是采用拋噴丸的方式對鋼管內(nèi)外表面除銹。這些除銹裝置的特點都是裝置固定安裝，將待除銹的鋼管放置于或運送到除銹裝置內(nèi)，再進行除銹作業(yè)，無法應(yīng)用于已經(jīng)安裝使用后外表面再次生銹的金屬管道。

針對已安裝在生產(chǎn)線上的輸送管道，普遍采用的除銹方法是人工使用砂紙或電動工具除銹，該方式除銹操作靈活，但勞動強度大，環(huán)境污染嚴重，對于高空懸置的輸送管道，還需要配合升降車進行除銹。拋噴丸機可用于除銹，但其體積較大，操作不便，缺乏靈活性，丸?；蛏笆厥詹槐悖瑹o法應(yīng)用于已安裝在生產(chǎn)線上的輸送管道除銹。何小琳、熊健祥等[5]研究提出一種爬行式鋼管外表面打磨器，通過3個等角度安裝的鋼絲輪打磨頭往復(fù)旋轉(zhuǎn)運動進行打磨，并根據(jù)仿生學(xué)原理，通過絲杠螺母配合電磁鐵，模擬尺蠖爬行進給，但鋼絲輪打磨頭易損壞，且來回往復(fù)運動，急停急啟，對電機損耗大，除銹效率不高。

針對已安裝在生產(chǎn)線上的輸送管道除銹困難問題，本文研究提出一種輸送管道外表面剛?cè)釁f(xié)同除銹方法并設(shè)計除銹裝置的詳細結(jié)構(gòu)，對除銹頭除銹機理進行分析并建立除銹力數(shù)學(xué)模型，最后對除銹頭復(fù)合運動情況及其對輸送管道的除銹情況進行理論分析，并使用Matlab軟件進行數(shù)值仿真，對理論分析進行驗證。

1 輸送管道剛?cè)釁f(xié)同除銹方法及裝置

1.1 剛?cè)釁f(xié)同除銹方法研究

本文研究的輸送管道外表面除銹裝置采用的除銹方法如圖1所示，主動鏈輪1通過鏈條2帶動從動鏈輪6旋轉(zhuǎn)，砂輪條4安裝在從動鏈輪6的滑槽內(nèi)，隨同從動鏈輪一起繞輸送管道5旋轉(zhuǎn)，并在彈簧3的作用下壓緊在輸送管道4上，對輸送管道進行除銹。由于彈簧具有一定的柔性，故砂輪條對輸送管道外表面的凸起和凹坑具有一定的自適應(yīng)性。

本裝置的傳動原理如圖2所示，移動滑塊3與主動鏈輪1和從動鏈輪2固連，移動滑塊帶動主動鏈輪和從動鏈輪沿著機架4軸向移動，實現(xiàn)軸向進給運動，同時，主動鏈輪繞固定在移動滑塊上的旋轉(zhuǎn)中心架轉(zhuǎn)動，并帶動從動鏈輪繞機架旋轉(zhuǎn)，實現(xiàn)砂輪條的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動。

圖2 傳動原理Fig.2 Transmission schematic diagram

1.2 除銹裝置結(jié)構(gòu)

輸送管道外表面除銹裝置主要由除銹部件1、傳動部件2、移動部件3及連接部件4組成，如圖3所示。

圖3 除銹裝置結(jié)構(gòu)Fig.3 Structure diagram of derusting device

除銹部件1由4個除銹頭及鏈輪組成，如圖4所示。除銹頭通過螺栓連接固定在鏈輪上，在鏈輪的帶動下，除銹頭繞著輸送管道旋轉(zhuǎn)，對輸送管道進行除銹，去除輸送管道上的油漆、鐵銹等物質(zhì)。由于輸送管道已經(jīng)固定安裝在生產(chǎn)線上，裝置不能從軸端進行安裝，故鏈輪采用剖分式的結(jié)構(gòu)，以便安裝。

圖4 除銹部件Fig.4 Derusting components

移動部件結(jié)構(gòu)如圖5所示，由上下兩部分組成，通過螺栓連接固定安裝在輸送管道上，為防止移動部件打滑側(cè)偏和增大驅(qū)動力，移動輪采用磁輪，使移動部件吸緊在輸送管道上。磁輪采用錐形輪，減小磁輪與輸送管道之間的距離，增大吸附力。上部結(jié)構(gòu)移動支架上安裝有軸承座，支撐驅(qū)動軸，電機通過鏈傳動驅(qū)動主動輪移動，帶動其他3組從動輪運動，實現(xiàn)除銹裝置的軸向進給。

圖5 移動部件Fig.5 Moving components

傳動部件結(jié)構(gòu)如圖6所示，電機支架安裝在移動部件上，除銹驅(qū)動電機和移動驅(qū)動電機通過鏈傳動分別控制除銹頭旋轉(zhuǎn)除銹和軸向移動進給。

圖6 傳動部件Fig.6 Transmission components

除銹部件和移動部件通過其中間的連接部件4連接在一起，如圖7所示，實現(xiàn)工作過程中，除銹部件繞輸送管道周向旋轉(zhuǎn)，同時移動部件帶動除銹部件沿輸送管道軸向移動進給。

圖7 連接部件Fig.7 Connecting parts

2 除銹機理及除銹力分析

2.1 除銹機理

本文研究提出的除銹裝置的除銹機理是通過除銹頭對銹蝕的輸送管道進行剛?cè)釁f(xié)同除銹。除銹頭由砂輪條、彈簧、滑槽和蓋板等組成（圖4）。在彈簧的作用下，砂輪條壓緊在銹蝕的輸送管道上，除銹頭在鏈輪的帶動下，繞輸送管道周向旋轉(zhuǎn)，對輸送管道進行除銹，去除輸送管道外表面的油漆、鐵銹等物質(zhì)。由于彈簧的作用，砂輪條在輸送管道徑向方向可以有一定的位移，以適應(yīng)銹蝕的輸送管道上的凸起和凹坑。

砂輪條是由硬度很高、形狀不規(guī)則的多面體磨粒組成的，磨粒隨機分布在砂輪條的底面上[6]。如圖8所示，除銹時是通過砂輪條上的磨粒對輸送管道的相互作用來去除輸送管道外表面的油漆、鐵銹等物質(zhì)。磨粒開始切入輸送管道待去除層（油漆層和銹蝕層）時，只能在待去除層表面上進行滑擦。當(dāng)磨粒繼續(xù)切入待去除層，磨粒作用在待去除層上的法向力增大到一定值時，待去除層產(chǎn)生變形，使磨粒前方受擠壓的物質(zhì)向兩邊流動，在輸送管道外表面上耕犁出溝槽，而溝槽的兩側(cè)微微隆起。當(dāng)磨粒繼續(xù)切入待去除層，其切削厚度增大到一定數(shù)值后，磨粒前方的待去除層在磨粒的擠壓作用下，發(fā)生滑移而成為切屑被去除，進而達到輸送管道除銹的目的[7-10]。

圖8 單顆磨粒除銹機理Fig.8 Schematic diagram of rust removal process of single abrasive particle

2.2 除銹力分析

MALKIN等[11-12]通過試驗，提出磨粒作用力由切屑變形力和摩擦力兩部分組成。單顆磨粒的切向作用力Ft和法向作用力Fn可以表示為：

式中：Ftc為切屑變形引起的切向作用力；Ftf為摩擦力引起的切向作用力；Fnc為切屑變形引起的法向作用力；Fnf為摩擦力引起的法向作用力。

單顆磨粒因摩擦引起的法向作用力，與磨粒工作時和輸送管道外表面待去除層的實際接觸面積S以及磨損平面與待去除層間的接觸壓強有關(guān)：

則由摩擦引起的切向作用力為：

式中：μ為磨粒磨損平面與待去除層間的摩擦因數(shù)。

根據(jù)維氏硬度測量理論和材料硬度的壓痕特征尺寸可知[13]：

式中：p為載荷；ζ為壓頭幾何因子，對于維氏壓頭，ζ=2；H為維氏硬度；a為壓痕尺寸。

由圖9知，壓痕特征尺寸：

圖9 磨粒壓痕Fig.9 Schematic diagram of abrasive indentation

在純剪切變形條件下，因切屑變形引起的磨粒法向作用力Fnc為：

式中：η0為0～1間的常數(shù)。

由幾何分析可知，磨粒因切削變形產(chǎn)生的法向作用力與切削作用力之比為：

則因切屑變形引起的磨粒切向作用力Ftc為：

故可以得到單顆磨粒的切向作用力Ft和法向作用力Fn的計算公式為：

由此可知，單顆磨粒作用力與磨粒頂角、磨粒與待去除層的實際接觸面積和接觸壓強等有關(guān)。但砂輪條上磨粒的形狀是十分不規(guī)則的，每顆磨粒頂角、磨粒與待去除層的實際接觸面積和接觸壓強等都是不同的，故砂輪條工作時的總除銹力是所有N個有效磨粒的作用力總和，為：

式中：γi為單顆磨粒的頂角角度；hi為單顆磨粒的壓入深度；Si為單顆磨粒與待去除層的實際接觸面積；為單顆磨粒與待去除層的接觸壓強。

3 砂輪條運動軌跡及除銹次數(shù)分析

3.1 砂輪條運動軌跡分析

輸送管道外表面除銹裝置工作時，砂輪條在彈簧作用下，柔性壓緊在輸送管道上，在鏈輪的帶動下沿著輸送管道做圓周運動，同時移動部件帶著砂輪條軸向移動。假設(shè)砂輪條與輸送管道的接觸長度為L，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)速度是ω，移動部件帶動砂輪條的軸向移動速度為v，則砂輪條與輸送管道的接觸面上某一點的位置可以表示為

由位置表達式可知，接觸面上某一點的軌跡為螺旋線，則砂輪條與輸送管道的接觸面的運動軌跡為螺旋曲面。

3.2 砂輪條除銹次數(shù)分析

工作時，除銹裝置每次軸向移動一個接觸長度的距離耗時t為：

與此同時，砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)為：

當(dāng)n＜1時，即在砂輪條軸向進給一個接觸長度距離時，砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)不足一周，由于砂輪條做螺旋運動，故砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面之間存在間隙，間隙區(qū)域是砂輪條與輸送管道未接觸的區(qū)域，砂輪條對此區(qū)域不會進行除銹，故此區(qū)域的鐵銹無法被去除。

當(dāng)n=1時，即在砂輪條軸向進給一個接觸長度距離時，砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)剛好一周，此時砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面剛好無縫銜接，在此工作狀態(tài)下，砂輪條對輸送管道表面都會進行一次除銹。

當(dāng)n＞1時，即在砂輪條軸向進給一個接觸長度距離時，砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)超過一周，此時砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面之間會產(chǎn)生重疊，砂輪條對重疊區(qū)域會進行多次除銹，而且砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)的圈數(shù)n的數(shù)值越大，也即一個軸向進給進程中，砂輪條的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越多，螺旋曲面的重疊區(qū)域越多，重疊的次數(shù)越多，則砂輪條對輸送管道的重復(fù)除銹區(qū)域和除銹次數(shù)越多。在一個接觸長度范圍內(nèi)，重疊區(qū)域長度為：

且重復(fù)除銹的次數(shù)為n。本文研究的輸送管道外表面除銹裝置有4個砂輪條，故工作時，同一位置的除銹次數(shù)是4n次。

由以上分析可知，可以通過控制砂輪條的旋轉(zhuǎn)速度和與輸送管道的接觸長度，以及移動部件的移動速度，來控制砂輪條對輸送管道表面的重復(fù)除銹區(qū)域和次數(shù)。針對輸送管道外表面的銹蝕程度，選擇合理的除銹參數(shù)，可以在保證除銹質(zhì)量的同時，提高除銹效率。

3.3 砂輪條運動軌跡及磨削次數(shù)數(shù)值仿真

為驗證上述分析，使用Matlab軟件對除銹過程中砂輪條的運動軌跡以及對輸送管道的重復(fù)除銹區(qū)域和除銹次數(shù)進行數(shù)值仿真。

假設(shè)輸送管道半徑R=250 mm，砂輪條與輸送管道的接觸長度為L=60 mm，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)速度為ω=1r/s，移動部件的移動速度為v=120 mm/s。

此時，移動一個接觸長度的距離需要t=0.5 s，砂輪條的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=0.5＜1，砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面如圖10所示。由圖可知，砂輪條的運動形式是螺旋運動，此時形成的螺旋曲面之間存在間隙，也即存在未除銹區(qū)域，應(yīng)該合理控制工作參數(shù)，避免此種情況出現(xiàn)。

圖10 當(dāng)ω=1 r/s，v=120 mm/s時，運動軌跡Fig.10 Whenω=1 r/s，v=120 mm/s，motion trajectory diagram

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度ω=2 r/s或移動速度v=60 mm/s時，移動一個接觸長度的距離，砂輪條的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=1，砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面如圖11所示。由圖可知，此時形成的螺旋曲面無縫銜接，砂輪條對輸送管道表面都會進行一次除銹。

圖11 當(dāng)ω=2 r/s，v=120 mm/s時，運動軌跡Fig.11 Whenω=2 r/s，v=120 mm/s，motion trajectory diagram

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度ω=4 r/s或移動速度v=30 mm/s時，移動一個接觸長度的距離，砂輪條的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=2，砂輪條與輸送管道的接觸線形成的螺旋曲面如圖12所示。由圖可知，此時形成的螺旋曲面之間產(chǎn)生重疊，且重疊區(qū)域長度為30 mm，為接觸長度的1/2，故砂輪條每軸向移動一個接觸長度距離，都會對前一次除銹表面的后1/2區(qū)域再次除銹，后續(xù)重復(fù)除銹區(qū)域都會被重復(fù)除銹2次。

圖12 當(dāng)ω=4 r/s，v=120 mm/s時，運動軌跡Fig.12 Whenω=4 r/s，v=120 mm/s，motion trajectory diagram

當(dāng)旋轉(zhuǎn)速度ω=6 r/s或移動速度v=20 mm/s時，移動一個接觸長度的距離，砂輪條的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n=3，砂輪條與輸送管道的接觸面形成的螺旋曲面如圖13所示。由圖可知，此時重疊區(qū)域長度為40 mm，為接觸長度的2/3，故砂輪條每軸向移動一個接觸長度距離，都會對前一次除銹表面的后2/3區(qū)域再次除銹，后續(xù)重復(fù)除銹區(qū)域都會被重復(fù)除銹3次。

圖13 當(dāng)ω=6 r/s，v=120 mm/s時，運動軌跡Fig.13 Whenω=6 r/s，v=120 mm/s，motion trajectory diagram

由此類推可知，當(dāng)除銹裝置每軸向移動一個接觸長度L的距離，砂輪條繞輸送管道旋轉(zhuǎn)n圈時，重疊區(qū)域長度為（n-1）L/n，故砂輪條每移動一個接觸長度距離，都會對前一次除銹表面的后（n-1）/n區(qū)域再次除銹，后續(xù)重復(fù)除銹區(qū)域都會被重復(fù)除銹n次。

由以上分析可知，砂輪條與輸送管道的接觸長度L越長，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)速度ω越大，移動部件的移動速度v越小，軸向移動一個接觸長度距離時，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)n越大，砂輪條對輸送管道的單次重復(fù)除銹區(qū)域越大，重復(fù)除銹區(qū)域的被除銹次數(shù)越多，故可以根據(jù)輸送管道表面的銹蝕程度，選擇合理的除銹工作參數(shù)，可以在保證除銹質(zhì)量的同時，提高除銹效率。

4 結(jié)束語

針對易銹蝕的輸送管道，本文研究提出了一種輸送管道外表面剛?cè)釁f(xié)同除銹方法及裝置，對裝置除銹部件、傳動部件、移動部件和連接部件進行了詳細介紹。對除銹頭除銹過程進行分析知，除銹過程是包含切削、耕犁和滑擦作用的綜合復(fù)雜過程，并建立了除銹力計算的數(shù)學(xué)模型；最后詳細分析了砂輪條的運動情況和砂輪條對輸送管道的重復(fù)除銹區(qū)域和除銹次數(shù)，使用Matlab軟件進行了數(shù)值仿真，由理論分析及仿真結(jié)果可知，砂輪條與輸送管道的接觸長度越長，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)速度越快，移動部件的移動速度越慢，則軸向移動一個接觸長度距離時，砂輪條繞輸送管道的旋轉(zhuǎn)圈數(shù)越多，砂輪條對輸送管道的單次重復(fù)除銹區(qū)域越大，重復(fù)除銹區(qū)域的被除銹次數(shù)越多。通過控制裝置設(shè)計參數(shù)和工作參數(shù)，可以實現(xiàn)對不同銹蝕程度輸送管道的高效除銹。