超高壓旋轉清洗盤的設計及密封分析

孫 玲 弓永軍 王祖溫 張增猛

大連海事大學，大連，116026

0 引言

目前，工業機器人已經成為一個國家工業自動化發展水平的重要標志之一，其中，主要應用于高空和危險作業場合、并可以在垂直壁面上攀爬的大型壁面作業機器人，是國際大型工業機器人發展水平的典型代表。

利用大型壁面清洗除銹爬壁機器人對船舶進行除銹［1－2］與傳統的除銹方法相比，具有無污染、高效率等優點，在船舶除銹中擁有很好的發展前景。目前，國外超高壓水射流技術比較成熟，并已投入市場，如美國的JETECH、德國的 Hammelmann、KAMAT 公司［3－5］等。而國內，關于超高壓除銹設備清洗盤內部結構的研究甚少。

在大型壁面清洗除銹爬壁機器人的設計中，超高壓旋轉清洗盤作為整個機器人的執行元件，起著非常重要的作用，而清洗盤中的關鍵性技術——旋轉密封，又是清洗盤能否有效除銹的關鍵。

超高壓清洗盤的旋轉密封目前主要有填料密封、間隙密封［6］這兩種形式。填料密封技術在高壓水射流旋轉密封中的應用已經非常廣泛，但填料本身的性能、填料密封的結構和使用方法等問題都會直接影響旋轉密封的質量。任啟樂等［6］根據對填料旋轉密封的相關研究，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構的加工和裝配精度。因為船舶除銹的工作壓力一般在200MPa以上，傳統的間隙密封會由于壓力過大而產生泄漏，故一般都通過加長套筒的尺寸來減小泄漏量，但過長的套筒尺寸會產生新的問題，如阻力太大難以轉動、產生射流霧化的現象等。

本文針對船舶除銹清洗盤現有的問題，設計了一種大型壁面清洗除銹爬壁機器人用的超高壓旋轉除銹清洗盤，該旋轉除銹清洗盤能在氣動馬達的帶動下強制旋轉，在除銹作業時可實現即除銹即回收的效果。高壓旋轉密封采用間隙密封和端面密封相結合的密封形式，可解決填料裝填工藝和填料材料對密封性能存在影響的問題，同時解決由于間隙密封導致的套筒過長問題。

1 結構及工作原理

超高壓旋轉除銹清洗盤的結構圖見圖1。其工作原理是：高壓水經過高壓進水管8，穿過上殼體2和下殼體4中的進水管通道，進入到旋轉噴頭6中，噴頭端部均勻分布4個噴嘴，高壓水經噴嘴噴出后，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，與真空回收系統連接［7］，則可保證超高壓旋轉除銹清洗盤在清洗過程中產生的廢水、廢渣被真空回收系統回收，實現即除即收。噴頭6在工作過程中的旋轉是通過氣動馬達1的轉動來實現的，氣動馬達1轉動，帶動主動齒輪2旋轉，主動齒輪2與從動齒輪7嚙合（齒數比為1∶1），帶動從動齒輪7按1∶1的轉速旋轉，而從動齒輪7與噴頭6之間通過螺紋連接，因此噴頭6隨著從動齒輪7旋轉，其旋轉速度取決于氣動馬達1的轉速。在這里，氣動馬達1選取變速氣動馬達，在工作中通過調整氣動馬達1的轉速來尋找最佳工況下噴頭6的旋轉速度。高壓進水管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件之間的密封。

圖1 超高壓旋轉除銹清洗盤結構圖

2 設計及分析

2.1 高壓旋轉密封的設計

在清洗盤中，最難設計的密封是旋轉噴頭與高壓進水管之間的旋轉密封。常見的旋轉密封形式有O形圈密封或填料密封，由于水的潤滑性能差、黏度比較低，隨著旋轉速度和壓力的提高，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。

在設計密封時，按照如下的準則：①旋轉力矩要能克服摩擦阻力使噴頭旋轉起來；②密封要能保證噴嘴的額定排出壓力；③不隨壓力與轉速的提高而產生抱軸現象；④保證泄漏量必須小于射流量的10%。密封結構示意圖見圖2。

圖2 密封機構示意圖

由圖2可知，進水管固定不動，旋轉噴頭在旋轉時，密封軸的內外套會以小于旋轉噴頭的速度旋轉。因此在設計時共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。

間隙密封的宏觀機理是：間隙兩端壓力差所引起的推力F不應大于液層間的內摩擦力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，間隙長度為L，油液速度為v，動力黏度為μ，間隙厚度方向坐標為x，則內摩擦力公式為

假設密封間隙內流體流動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摩擦力，則會產生泄漏，泄漏量為

式中，qjx為間隙密封泄漏量；d為密封面直徑。

考慮實際應用中，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Ce對式（3）進行修正，所以實際泄漏量為

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系，因此需要合理控制密封間隙。

對于圖2中1處密封，當高壓水進入后，壓力均布到零件a的內筒上，會使零件a產生一定的壓力變形，在垂直于軸向方向上會有一定的位移變形量。如果此處設計的密封間隙過小，則零件a變形量過大會導致進水管與密封軸內套抱死；如果密封間隙過大，則泄漏量會增大，起不到密封作用，因此分析設計時需考慮零件a的變形量。

零件a的材料采用不銹鋼，左端為固定端，管內加220MPa的壓力，在workbench中進行單個管的結構分析，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，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。不銹鋼管最外側的位移變形量是重要的參考依據，由圖3可知，垂直于軸線方向的不銹鋼管最外側的位移變形量為2.8 μm。因此，設計密封間隙時需考慮該變形量。

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，由于旋轉噴頭高速旋轉，高壓水經過高壓進水管后，會在端面處形成一定厚度的液膜。該液膜要既能保證兩個端面在相對運動時不會接觸，起到潤滑作用，同時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。則端面密封內外壓力差Δp1為

式中，λ為阻力系數，與雷諾數有關；ρ為流體密度，kg／m3；dg為等效直徑，m；ω為旋轉速度，rad／min；l為密封長度；D、d1分別為密封環外徑、內徑；dm為端面平均直徑。

所以有

考慮到環形間隙內的壓力梯度，對牛頓流體運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，在設計旋轉密封時，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 氣動馬達的選擇

清洗盤旋轉噴頭的驅動靠氣動馬達，因此需根據旋轉噴頭的分類［9］估算氣動馬達驅動力矩，從而合理選擇氣動馬達。對旋轉噴頭進行受力分析，噴頭旋轉所需的旋轉力矩的計算公式為

式中，T為氣動馬達的啟動力矩；Mt為旋轉密封的總摩擦扭矩；J為旋轉噴頭的轉動慣量；q為旋轉噴頭總流量；R為旋轉噴頭半徑。

在選擇氣動馬達的時候，還要注意旋轉噴頭的旋轉速度不能過高，過高的轉速不但會導致射流嚴重霧化，喪失應有的沖擊力，而且會影響旋轉密封的壽命，產生心軸卡死的現象［10］。根據初步計算，選擇瑞典Atlas的LZB22RL氣動馬達，其最大的輸出扭矩為2.4N·m，最高輸出轉速為1040r／min，在使用的時候，通過節流閥調節進入氣動馬達的進氣量，將旋轉噴頭的轉速調定在400～600r／min之間。

3 實際應用

根據除銹清洗的要求，整套清洗設備的工作壓力為200～220MPa，流量為27L／min，清洗的寬度為250mm，所設計的超高壓旋轉除銹清洗盤如圖5所示。圖6為實際應用的圖片。

圖5 超高壓旋轉除銹清洗盤3D效果圖

圖6 實際應用

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，除銹效果達到C級Sa2.5噴射除銹標準，除銹效果良好。

超高壓旋轉除銹清洗盤共安裝4個噴嘴，以提高實際的除銹效率。在設計主動齒輪時，采用了合成材料，長時間的使用運轉導致主動齒輪有一定疲勞損壞，而在一次操作中由于關機順序錯誤，導致主動齒輪所受外負載突然增大，齒輪發生斷裂，旋轉噴頭無法旋轉工作。將噴頭拆卸維修，如圖7所示。

圖7 拆卸維修圖

由圖7可知，主動齒輪由于疲勞損壞破壞掉6～7個齒，同時發現密封3處即端面密封處，端面部分有磨損，并且內環的磨損度大于外環的磨損度，這是由于端面部分的壓力分布不均勻、內環壓力高于外環壓力所致。

維修后，在使用過程中發現，在所有參數一定的情況下，工作時的系統壓力要上調10MPa左右才能達到之前的除銹效果。分析原因如下：①由于端面密封處的端面有一定的磨損，導致密封效果不如以前，泄漏量增加，從而使得系統的效率下降，需通過提高系統壓力來提高效率。②噴嘴長期使用，有一定的磨損，導致射流效率降低。

4 結束語

旋轉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，在實際的使用中具有高效、結構簡單及密封可靠等優點，并且整體設備以水作為傳動介質，可以做到隨時除銹隨時回收銹漆效果，對環境無污染，符合船廠中除銹的需要，具有一定的推廣價值。

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