船體外板大拼接焊縫高效無塵噴砂除銹器

顏 樂，張 軻，薛士枚，張 弛，張宇輝

(1.滬東中華造船(集團)有限公司，上海 200129；2.上海交通大學 焊接與激光制造研究所，上海 200240；3.上海江南長興造船有限責任公司，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場進行除銹工作，除銹工作量巨大，傳統的高空作業車或吊籃方式的人工噴砂除銹效率低、污染環境、危害人體健康且存在安全隱患，在當前環保要求更為嚴格的前提下，采用更為環保、綠色、智能、高效的除銹方法勢在必行。

針對船體外板采用爬壁機器人除銹，當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器人搭載超高壓純水射流除銹器的方法，機器人在船舶壁面移動的同時超高壓純水射流除銹器進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]。國內可參考文獻[2]和文獻[3]，但超高壓純水射流方式成本高、工藝控制難度大，易發生“閃銹”的問題，廢水排放污染環境，其應用場景更適合修船。噴砂除銹方式工藝成熟，成本低、除銹效率高、質量好，如能實現噴砂過程的無塵化，廢料、粉塵、銹污無塵化回收和磨料的循環再利用，則不失為一種比較理想的解決方案。國內外在這方面展開較多的研究[4-12]。但這些環保型噴砂機主要用于人工噴砂，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、效率低、噴槍沉重、手持操作很不方便等情況；即便采用機械裝置輔助，噴槍運動范圍、安裝、控制操作性差，無法適應船體外板大范圍移動的工況。

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/多槍高效旋轉無塵噴砂方法，并對其磨料的淤積與回收、磨料對工件表面的沖蝕效果、偏心旋轉彎管接頭的磨損情況進行數值模擬評估，對研制的高效無塵噴砂除銹器的除銹效果進行實船驗證。

1 無塵噴砂除銹器設計

1.1 結構組成

在實際作業過程中，由爬壁機器人攜帶除銹器進行船體外板大拼接縫的高空除銹作業。在過程中須解決如下關鍵問題：(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，用機器人代替人工除銹才更有實際意義。

為實現噴砂過程的無塵化，須將噴砂過程置于一個較為密閉的腔室中，使整個噴砂除銹過程均在密閉腔室中進行。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，這樣才能實現噴砂過程的無塵化。因此，在密閉腔室側壁設置回砂管，基于真空負壓的抽吸作用，將密閉腔室中的銹污、磨料、粉塵在負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，而且可實現噴砂除銹過程的無塵化，而回收的磨料通過分離裝置可實現循環再利用，顯著提高磨料的利用率。

在自動除銹時，噴砂除銹槍為保持系統的穩定性和可靠性，噴槍距工件表面距離較近，這樣就導致除銹面積太小，增加作業時間。為實現高效除銹，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，便于實現大面積的噴砂除銹；(2)噴槍設計成偏心結構，并用電機驅動旋轉，當噴槍旋轉時，即可實現大面積的噴砂除銹；(3)為進一步提高噴砂效率，可采用雙槍甚至多槍結構，多把噴槍對稱布置。利用多槍同時旋轉噴砂，可實現船體外板大拼接縫的高質、高效噴砂除銹處理，顯著提高噴砂效率和質量。

系統的基本組成結構如圖 1所示。無塵噴砂除銹器主要由噴砂密封腔室、噴槍、噴槍護套、旋轉偏心結構、進砂管及腔室側壁的回收管、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，噴槍旋轉直徑不小于100.0 mm，旋轉噴槍為單槍或者多槍。

圖1 無塵噴砂除銹器結構及組成

1.2 自動除銹過程描述

在除銹時，爬壁機器人攜帶無塵噴砂除銹器向前或向后運動，噴槍在電機的驅動下高速旋轉，同時磨料在壓縮空氣的帶動下輸送至噴槍，經過噴槍的拉法爾效應加速后沖擊至工件表面，實現工件的高質、高速除銹，同時基于真空負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，實現噴砂過程的無塵化、并將回收的磨料進行分離、循環再利用，整個過程持續進行。

通過爬壁機器人的前后運動結合噴槍旋轉噴砂，可實現大面積噴砂除銹。通過噴槍的旋轉，噴砂軌跡前后重疊，實現同一位置多次重復掃描，解決直線往復運動噴砂易出現未全覆蓋掃描路徑的問題。采用雙槍/多槍同時旋轉，可對除銹區域實現更高密度的重復掃描，進一步提高除銹效率和除銹質量。相對于單槍旋轉，由于雙槍前后多次重復掃描，爬壁機器人可更快移動，顯著提高噴砂效率。圖2所示為爬壁機器人在除銹過程中的單槍噴砂運動路徑和雙槍旋轉噴砂運動路徑，其中：噴槍旋轉速度為24 r/min,旋轉半徑為100.0 mm，雙噴槍的雙槍左右對稱布置，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量；對于同樣的機器人行走速度和旋轉噴砂速度，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 噴槍在爬壁機器人除銹過程中的運動軌跡

2 基于有限元模擬的效果評估

在除銹過程中，通過壓縮空氣將棱角砂等堅硬磨料輸送至爬壁機器人的噴砂除銹器中，經過噴槍的拉法爾效應加速后沖擊至工件表面，從而達到除銹的目的。磨料在噴槍之前需要經過偏心結構的磨料分配彎管，磨料的運動路徑發生轉向，磨料在運動過程中會持續沖擊彎管接頭部分，而回砂管的不同負壓對除銹器中的磨料回收效果不同。因此，針對所設計的噴砂除銹器，通過有限元法對上述內容進行評估。

2.1 建模及網格劃分

為方便有限元對噴砂除銹器效果進行評估，對模型作適當簡化。采用Gambit繪制幾何模型并進行網格劃分，采用四面體網格進行動網格處理，共有182 049個網格。整個幾何分為轉動噴管、腔體、底部毛刷等3個部分。圖 3 分別為無塵噴砂除銹器幾何模型及有限元網格劃分情況。

圖3 無塵噴砂除銹器模型及網格劃分

2.2 數學模型方程

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行為，其對應的數學模型為顆粒軌道模型[11-12]，即氣相為連續相，顆粒相為離散相[13-14]。計算連續相流場得到氣相流場特性，結合流場特性分析每個顆粒的動力特性，求解每個顆粒的受力情況，得出顆粒軌跡和速度。氣相方程考慮連續性方程，如式(1)所示；動量方程如式(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。氣相方程非穩態項采用隱式離散，對流項采用二階迎風格式，梯度采用高斯-賽德爾法進行離散。

(1)

式中：ρ為流通密度，kg/m3；t為時間，s;ux、uy、uz分別為x、y、z等3個方向的速度分量，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分別為黏性應力在各個微元體表面上的分量，Pa;fx、fy、fz分別為x、y、z等3個方向上的單位質量力,m/s2。

湍流動能方程κ為

Gb-ρε-YM-Sk

(3)

擴散方程ε為

(4)

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

對于顆粒相，將顆粒簡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曳力[15]:

(5)

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

2.3 結果討論

仿真主要參數設置如下：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，負壓設置范圍為0～0.10 MPa，進口壓力為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，噴槍旋轉速度為60 r/min。不同的進口壓力、進砂量、負壓等均對回收效果有較大影響。

2.3.1 噴槍彎管部分的磨損效應

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

圖4 不同顆粒流量對進砂口彎管接頭部位的磨損情況

2.3.2 磨料對工件表面的沖蝕效果

圖5為磨料在壓縮空氣帶動下經噴槍拉法爾效應加速后不同顆粒流量對工件表面的沖蝕效果，圓弧形部位為噴槍在0.5 s內的旋轉噴砂路徑和沖蝕效果。仿真參數：磨料粒徑為0.6 mm，棱角砂，磨料回收負壓為-0.10 MPa，噴槍旋轉速度為60 r/min,仿真時間為0.5 s。如圖5所示：當顆粒流量為0.1 kg/s時，對工件表面的最大沖蝕效果為0.224×10-6kg/(m2·s)；當顆粒流量為1.0 kg/s時，對工件表面的最大沖蝕效果為0.212×10-5kg/(m2·s)。由此可見：當顆粒流量增大時，磨料對工件表面的沖蝕效果更好，但在整個路徑上沖蝕的均勻性變差。因此，均勻且沖蝕效應更明顯的磨料流量應小于1.0 kg/s，如果磨料流量太大，易導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量。

圖5 磨料不同顆粒流量對工件表面的沖蝕效果

2.3.3 不同粒徑對沖蝕和磨損效果的影響

圖6為不同粒徑磨料對工件表面的沖蝕效應和對彎管接頭的磨損情況。仿真參數：磨料粒徑為0.6～1.0 mm，棱角砂，磨料回收負壓為-0.10 MPa，仿真時間為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；對工件表面的沖蝕效果則表現為隨著粒徑的增大而降低，這主要由于粒徑大的質量大，經過噴槍拉法爾效應加速后，大粒徑的動能增加反而不如小粒徑的沖蝕效果。由圖6(b)可知：當磨料粒徑為0.6 mm時，其對工件的沖蝕效果更佳。

圖6 不同粒徑磨料的沖蝕效應和對彎管接頭的磨損

2.3.4 磨料的淤積及回收效果

為便于對比分析，分別以無真空負壓(即0 MPa)和負壓-0.05 MPa進行模擬仿真，磨料淤積和回收效果如圖7所示。由圖7可知：負壓對磨料的回收效果有顯著的影響，負壓值越大，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，同時避免磨料黏附在磁鐵上的可能性，提高爬壁系統高空作業的穩定性。進一步仿真試驗表明：當負壓值大于-0.05 MPa時，對磨料的回收有顯著效果，幾乎可實現100%的磨料回收，噴砂過程實現無塵化，同時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種不同工況對磨料的回收效果對比

負壓值不宜太大，否則會減少磨料沖擊工件表面的動能，降低除銹效果，增加腔室對工件表面的吸附力，阻礙機器人的爬行。因此，在實際工作過程中，回收負壓值需要結合進砂口的氣壓、流量、磨料粒徑，在保證回收效果的情況下，兼顧系統爬行的動態性能。

3 實際應用驗證

為實際驗證無塵化噴砂除銹效果，使爬壁機器人搭載所設計的無塵噴砂除銹器，對船體外板的大拼接焊縫進行實際噴砂除銹測試。具體工藝參數如下：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，真空負壓約-0.05 MPa，砂閥開度為40%，爬壁機器人行走速度為1.6 m/min,噴槍旋轉速度為30 r/min。圖8為爬壁機器人在船體外板大拼接焊縫上進行噴砂除銹的場景。

圖8 船體外板大拼接焊縫噴砂除銹現場實船應用場景

按照船體外板大拼接焊縫相關除銹標準進行檢測發現，除銹后大拼接縫的表面清潔度達到涂裝要求的Sa 2.5級，粗糙度從除銹前的7.343 μm升至39.729 μm，達到涂裝要求30～70 μm的粗糙度級別。除銹效率達19 m2/h，按160.0～200.0 mm寬度連續除銹，每小時除銹長度可達96 m。

由于采用真空負壓對除銹過程中的磨料、鐵銹、油污等進行回收，實現噴砂過程的無塵化，解決開放式噴砂過程憂心的環境污染問題及對人體健康的危害?；厥盏膹U料經過分離裝置將未破碎的磨料分離出來循環再利用，顯著提高磨料的利用率，實現節能、環保和綠色噴砂除銹。

4 結 論

(1)針對船體外板大拼接焊縫的噴砂除銹，研發高效無塵噴砂除銹器。采用大密閉腔室單槍/多槍高速旋轉噴砂除銹，可實現除銹寬度在160.0 mm以上的高效、無塵化噴砂除銹。基于真空負壓對反彈的磨料和沖蝕掉的鐵銹、油污、粉塵等進行回收，對磨料進行循環再利用，顯著提高磨料的利用率。

(2)有限元模擬表明：當真空負壓大于-0.05 MPa時，回收效果顯著提升，大于0.6 mm的棱角鋼砂基本可實現無塵化完全回收；采用喉徑為8.0 mm的噴嘴，噴槍旋轉速度為60 r/min，旋轉寬度為160.0～200.0 mm，對工件表面的沖蝕效果良好；偏心旋轉結構的彎頭部分，傾角約135°時，磨料對彎管接頭的沖擊較小，有利于增加彎管接頭的連續噴砂能力。

(3)船體外板大拼接縫噴砂除銹表明：具有合適的工藝參數，表面清潔度達Sa 2.5級，粗糙度達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，每小時除銹焊縫長度可達96 m，連續除銹效率可達19 m2/h。