基于柔索沖擊接觸的鋼板表面除銹機(jī)理及特性研究

龔青山， 張 華， 江志剛， 曾國華， 吳岳敏

(1.武漢科技大學(xué) 冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢 430081；2. 湖北汽車工業(yè)學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，湖北 十堰 442002；3.武漢科技大學(xué) 機(jī)械傳動與制造工程湖北省重點實驗室，武漢 430081)

鋼板除銹是汽車制造、機(jī)床制造及船舶業(yè)等制造工藝中的重要環(huán)節(jié)，除銹后的鋼板表面要求清潔無銹蝕，同時具有一定粗糙度，除銹效果直接影響后續(xù)涂裝質(zhì)量和產(chǎn)品的使用壽命。目前常用的除銹方法主要有機(jī)械除銹、化學(xué)除銹、噴射除銹、激光除銹。機(jī)械除銹利用鋼絲刷或配有除銹裝置的電動、氣動機(jī)械設(shè)備進(jìn)行除銹，除銹質(zhì)量較差，光潔度不高，針對不同型面，需研制專用的自動化機(jī)械除銹設(shè)備；化學(xué)除銹主要通過酸洗除銹，適合形狀結(jié)構(gòu)復(fù)雜的工件，但化學(xué)清理法工藝較為復(fù)雜、成本高、環(huán)境污染大；噴射除銹包括噴砂除銹，水射流除銹，噴砂除銹，除銹效率較高，質(zhì)量較好，但需要成套設(shè)備，一次投入成本較高，設(shè)備龐大，粉塵和噪聲嚴(yán)重[1-2]。高壓水射流除銹因其清洗成本低、效率高、應(yīng)用范圍廣等特點，近年來在國際上泛應(yīng)用，尤其配備了爬壁機(jī)器人高壓水水射流除銹機(jī)，在大型船舶壁面除銹應(yīng)用取得了一定成果[3-6]，但水射流除銹易返銹，除銹過程耗費大量水資源，造成水體污染；激光清洗作為一種新興的清洗技術(shù)，該技術(shù)運行成本低、清潔度高、適用性廣，具有良好的應(yīng)用前景，然而，激光除銹機(jī)理較為復(fù)雜[7-8]，同時溶蝕揮發(fā)氣體會污染空氣，目前主要應(yīng)用在精密儀器及電子行業(yè)。論文提出了一種基于柔索沖擊接觸的鋼板表面除銹及強(qiáng)化方法，以實現(xiàn)鋼板的高效自動除銹。

該除銹技術(shù)利用高速運動柔索沖擊接觸來破壞銹層并從基體上脫落，使工件的表面獲得一定的清潔度和不同的粗糙度，改善工件表面的機(jī)械性能，提高工件抗疲勞性，增加鋼板表面與涂層之間的附著力，延長了涂膜的耐久性；除銹過程中未引入水、砂子、化學(xué)試劑等新的介質(zhì)，所用柔索選用起重吊裝等其它行業(yè)廢棄的鋼絲繩，成本低廉，同時實現(xiàn)廢品再利用，除銹機(jī)配備除塵系統(tǒng)，清潔環(huán)保，符合綠色理念；除銹過程中可根據(jù)除銹等級、及強(qiáng)化要求，采用不同型號的鋼絲繩，不同轉(zhuǎn)速等相關(guān)參數(shù)，實現(xiàn)不同需求的鋼板表面除銹及強(qiáng)化，設(shè)備投資和運行成本較低，操作簡單，為中小尺寸鋼板表面除銹及強(qiáng)化提供一種新的方法。

1 除銹機(jī)理分析

1.1 鋼板銹蝕特征分析

鋼板銹層表面形貌及特征如圖1所示，將鋼板表面分為基體材料層、過渡層和表面層。在常溫大氣中的銹蝕產(chǎn)物是疏松的，主要以Fe2O3為主，F(xiàn)e3O4是夾在Fe2O3和Fe中間很薄的過渡層[9]。

圖1 鋼板表面銹層形貌及特征Fig.1 Morphology and characteristics of rust layer on steel plate

1.2 工作原理

除銹裝置機(jī)構(gòu)運動示意圖如圖2所示，柔索機(jī)構(gòu)主要由滾筒，及滾筒圓柱面上沿切線方向螺旋布置的多組鋼絲繩組成。

1.柔索沖擊接觸除銹機(jī)構(gòu)；2.刷削精除銹機(jī)構(gòu)；3.輸送機(jī)構(gòu)；4.待除銹鋼板

為簡化分析模型，取單根繩索為對象進(jìn)行分析。圖3為單根繩索沖擊接觸模型，滾筒以ω速度旋轉(zhuǎn)，繩索末端以速度v與待除銹鋼板在P點進(jìn)入接觸，法向速度由vn瞬間減小為零，在接觸點產(chǎn)生法向接觸力Fn，F(xiàn)n使銹層破裂同時實現(xiàn)鋼板表面強(qiáng)化,如圖4(a)所示；切向速度vt使得繩索與鋼板表面滑動摩擦，產(chǎn)生切向摩擦力Ft，當(dāng)滾筒轉(zhuǎn)過α角，繩索運動到圖3虛線位置，繩索端部在鋼板表面運動距離S1,在Ft作用，鋼絲繩表面的凸凹結(jié)構(gòu)與鋼板表面銹層產(chǎn)生切削效應(yīng)，使已經(jīng)破裂的銹層脫落, 如圖4(b)所示。

圖3 單根繩索沖擊接觸模型Fig.3 Impact contact model of single rope

圖4 繩索沖擊接觸力模型Fig.4 Impact contact force model of rope

1.3 除銹機(jī)理分析

鋼板表面銹層可歸到粗糙度問題，除銹目標(biāo)是越過波谷除去整個表面層(圖5)，再根據(jù)不同除銹等級要求確定除至過渡層的程度而不破壞母體材料。

圖5 鋼板表面輪廓形狀Fig.5 Surface profile shape of plate

繩索表面呈現(xiàn)凸凹結(jié)構(gòu)(圖6)，每個凸起等價于一個半徑為r鋼絲球，在一個捻距λ上有n個半徑為r的鋼球。工作中相當(dāng)于無數(shù)個半徑為r的鋼絲球以法向力Fn與鋼板表面沖擊接觸，等價于噴丸效應(yīng)。

圖6 鋼絲繩表面及截面結(jié)構(gòu)Fig.6 Rope surface and cross section structure

繩索與鋼板表面接觸時，實際是鋼絲繩表面凸起與鋼板表面接觸(圖7)，鋼板表面銹層相對較軟，在法向力Fn作用下，微凸體嵌入銹層一定深度，當(dāng)微凸體在Ft作用下切向運動時，鋼板銹層表面在其前方會產(chǎn)生隆起，隆起大小隨黏著強(qiáng)度增大而增大。當(dāng)發(fā)生相對滑動時，接觸點的結(jié)合受到破壞。在接觸點結(jié)合的不斷形成又不斷受到破壞的過程中，由于機(jī)械的作用、摩擦所產(chǎn)生的熱的作用以及與周圍介質(zhì)發(fā)生的物理或化學(xué)作用，使材料表層發(fā)生變化，如發(fā)生變形、氧化、軟化、強(qiáng)度減弱等現(xiàn)象。當(dāng)然，如果銹層較深，在法向力Fn較大時，微凸體深入鋼板表面銹層較深時，可能發(fā)生“微切削”或梨溝現(xiàn)象。隨著鋼絲繩相對鋼板表面滑動，鋼板表面銹層將發(fā)生上述形式的重復(fù)變形，鋼板表面的銹層破裂脫落。

圖7 繩索表面與鋼板表面銹層接觸過程Fig.7 Contact process between the surface of the rope and plate

1.4 末端繩索運動分析

為了找出影響除銹質(zhì)量和除銹效率的因素，并定量分析其與二者的關(guān)系，建立了繩索與鋼板作用的運動學(xué)模型，如圖8所示。

1.滾筒；2.繩索；3.鋼板

(1)

當(dāng)鋼絲繩運動至E2B2位置，繩索與鋼板表面接觸長度最長，l由短變長再變短，周期性變化。由圖8推導(dǎo)出繩索末端與鋼板表面沖擊接觸運動學(xué)方程：

(2)

2 柔索多體系統(tǒng)動力學(xué)建模

應(yīng)用離散化方法將繩索離散為單位長度為Δl的若干個滾子(圖9)，滾子外形及質(zhì)量均與相同尺寸的繩索結(jié)構(gòu)一致，各滾子之間通過彈簧和阻尼器連接(圖10)。當(dāng)Δl越小，離散體與繩索連續(xù)體越一致，但離散體數(shù)目增多將會使計算量過大[10-12]。

圖9 離散后的繩索系統(tǒng)Fig.9 Discrete rope system

圖10 繩索簡化模型Fig.10 Simplified rope model

離散后每個滾子代表一小段鋼絲繩，離散后的滾子在空上具有六個自由度，通過定義力和力矩六個分量{Fx,Fy,Fz,Tx,Ty,Tz}，在兩構(gòu)件之間施加一個柔性力，每兩個小段間的受力模型,如圖11所示。

圖11 離散體間受力模型Fig.11 Force model between discrete segments

離散后兩滾子間柔性力計算公式如下:

(3)

其中剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)根據(jù)鋼絲繩材料屬性參數(shù)獲得：

(4)

(5)

(6)

(7)

式(4)～(5)中E為鋼絲繩的彈性模量；Δl每段小滾子的長度；d為每段小滾子的直徑；G鋼絲繩的剪切模量。

3 柔索沖擊接觸動力學(xué)分析

3.1 法向接觸力模型

離散后繩索與鋼板可模擬為滾子與平面的間的碰撞沖擊，基于Hertz接觸理論計算繩索與鋼板間的法向接觸力，此模型將繩索與鋼板間的沖擊接觸等效為基于穿透深度的非線性彈簧-阻尼模型[11-18]。

法向接觸力為：

(8)

根據(jù)Hertz接觸理論：

(9)

式中：σ1、σ2為材料參數(shù)(σ=1-v2/E)，E,v分別為材料的泊松比和彈性模量。

繩索與鋼板直接接觸碰撞，應(yīng)為滾子與平面間接觸則r2→∞，等效接觸剛度應(yīng)為：

(10)

阻尼系數(shù)D與恢復(fù)系數(shù)和接觸剛度有關(guān):

D=Xδ3/2

(11)

(12)

(13)

3.2 切向摩擦力模型

繩索與鋼板接觸同時，在接觸處產(chǎn)生切向摩擦力，切向摩擦力的計算采用修正的庫倫摩擦模型[14-18]。

切向摩擦力模型：

(14)

(15)

式中：μd為滑動摩擦因數(shù)；cd為動態(tài)修正系數(shù)；Vt為相對切向速度；υt為切向速度；v0、v1為給定速度極限值。

4 仿真分析

4.1 參數(shù)確定

建立單根繩索離散體模型，參數(shù)見表1，分析中為了保證計算精度，同時提高計算效率，將鋼絲繩離散為60段，每段長度為6 mm的剛性滾子。繩索繩材料選45鋼，彈性模量E=206 GPa，剪切模量E=80 GPa，泊松比μ=0.25，鋼絲繩彈性模量Er=αE，其中α=0.4～0.6，取Er=0.5E=103 GPa，剪切模量Gr=40 GPa，相關(guān)參數(shù)代入式(4)～(7)求得離散后滾子間剛度系數(shù)和阻尼系數(shù)(表2)。

表1 設(shè)計參數(shù)Tab.1 Design parameters

表2 離散后滾子間剛度與阻尼系數(shù)Tab.2 The stiffness and damping coefficient between rollers

由式(10)得滾子與鋼板間接觸剛度為1.3×104N/mm1.5，力指數(shù)取1.5；阻尼系數(shù)30 N/mm；穿透深度0.1；接觸中考慮摩擦力，靜摩擦因數(shù)取0.3，動摩擦因數(shù)取0.16，靜平移速度取0.1 mm/s；動態(tài)阻力轉(zhuǎn)換速度10 mm/s。

4.2 沖擊接觸動力學(xué)仿真

繩索離散后各段依次命名為Link_1……Link_60，最末端為Link_60，在ADAMS中完成不同速度下動力學(xué)仿真，圖12、圖13、圖14為滾筒轉(zhuǎn)速在20 r/s、30 r/s、40 r/s時末端繩索接觸力及速度在一個運動周期內(nèi)變化規(guī)律[19-20]。

圖12 繩索末端受力變化規(guī)律,n=20 r/sFig.12 The change rule of the force at the end of the rope, n=20 r/s

圖13 繩索末端受力變化規(guī)律, n=30 r/sFig.13 The change rule of the force at the end of the rope, n=30 r/s

圖14 繩索末端受力變化規(guī)律n=40 r/s Fig.14 The change rule of the force at the end of the rope, n=40 r/s

分析結(jié)果顯示，在繩索與鋼板沖擊接觸瞬間，末端繩索Link_60所受法向力Fn及切向摩擦力Ft達(dá)最大，法向力遠(yuǎn)大于所產(chǎn)生的切向摩擦力，故在除銹工作過程中，在較大的Fn作用下使得松散的銹層破裂脫落，同時Fn實現(xiàn)鋼板表面強(qiáng)化。切向擦力Ft使破裂的銹層脫落，相對于接觸瞬間摩擦力，在鋼絲繩繼續(xù)運動直至與鋼板脫離接觸過程其它時刻Ft較小。

工作過程中繩索末端接觸力最大，接觸力由繩索末端向固定端方向逐漸減??；由仿真可知隨滾筒旋轉(zhuǎn)速度的增大，繩索末端起始時刻切向速度波動幅值變大，是繩索慣性和彈性變形引起的抖動造成的。

圖15所示為繩索末端最大接觸力與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律，接觸力隨滾筒轉(zhuǎn)速增大而增大，在其它參數(shù)不變時，當(dāng)轉(zhuǎn)速增大至n=30 r/s時法向力和切向力達(dá)到最大值，當(dāng)轉(zhuǎn)速繼續(xù)增大時，接觸力反而減小。這主要因為在速度過高時，繩索將出現(xiàn)與滾筒表面纏繞現(xiàn)象，導(dǎo)致繩索末端與鋼板表面接觸較少甚至不接觸。

圖15 繩索末端最大接觸力與轉(zhuǎn)速變化規(guī)律Fig.15 The variation law between the speed and the maximum contact force

5 樣機(jī)設(shè)計及除銹試驗

為驗證除銹機(jī)理的可行性，分析除銹效果，設(shè)計了除銹試驗機(jī)(圖21)設(shè)計參數(shù)見表1，鋼絲繩型號選用8NAT6×7+FC1470ZS31.2022.00(GB/T8918—1996)。

5.1 繩索排布

基于單根繩索除銹機(jī)理分析，鋼板表面除銹近似為多根繩索線性疊加綜合作用的結(jié)果。要實現(xiàn)鋼板表面無側(cè)隙除銹，則多排繩索的總運動軌跡必須實現(xiàn)鋼板表面全覆蓋，則需滿足

(16)

式中：ε為重合度；p為同排繩索間距；d為繩索直徑；N滾筒表面布置繩索排數(shù)。

圖16為繩索在鋼板表面運動軌跡圖，各繩索以排號+列號編號，排號由1～9數(shù)字表示，列號由01～99兩位數(shù)表示。圖中ah區(qū)間為一個間距內(nèi)繩索運動軌跡，分別由101、201、301、401繩索運動軌跡構(gòu)成。當(dāng)ε=0時，圖中bc、de、fg雙繩工作區(qū)等于零；當(dāng)ε>0時，圖中bc、de、fg雙繩工作區(qū)不為零，鋼板表面除銹區(qū)除銹軌跡由雙繩工作區(qū)和單繩工作區(qū)組成。為提高鋼板表面除銹質(zhì)量一般要求ε>0。

圖16 繩索運動軌跡Fig.16 Rope motion trajectory

繩索直徑d=8 mm，滾筒直徑C=2πrt=251.2 mm；取排數(shù)N=4，代入式(16)，則p≤32 mm。取ε=2 mm，則p=24 mm，排距pt12=pt23=pt34=63 mm，pt41=62 mm。

圖17 滾筒表面繩索排布Fig.17 Arrangement of rope on drum surface

5.2 繩索端部固定

繩索固定端采用TLB8-8的鋁合金壓制接頭制成安裝環(huán)，套在固定于滾筒上雙頭螺柱上(如圖18所示)，然后由壓板將繩索壓緊，鎖緊螺母固定。

繩索在工作過程中是主要受力部件，受沖擊力、摩擦力及彎曲應(yīng)力作用，為了減小繩索固定端受彎曲應(yīng)力， 繩索末端固定在與滾筒表面相切的平面內(nèi)，圖18(b)所示。

1.滾筒；2.壓板；3.螺柱;4.鎖緊螺母;5.接頭;6.繩索圖18 除銹滾筒部件圖Fig.18 Component of derusting drum

圖19 單排繩索位置圖Fig.19 Rope installation diagram

5.3 收集及除塵系統(tǒng)

除銹機(jī)滾筒外設(shè)有防塵罩，防塵罩采用2 mm厚鋼板焊接而成，防塵罩同時起安全保護(hù)作用，防塵罩頂部設(shè)與除塵系統(tǒng)相連，除塵系統(tǒng)由風(fēng)機(jī)和除塵器組成，除銹過程中產(chǎn)生的粉塵通過除塵器處理過濾掉微小顆粒粉塵。除銹機(jī)除銹滾筒下方設(shè)有收集箱，對于較大的不能被風(fēng)機(jī)負(fù)壓帶走的顆粒將落入收集箱內(nèi)。

5.4 主要結(jié)構(gòu)參數(shù)

除銹機(jī)體部分總體尺寸：2 120 mm×782 mm×1 650 mm(長×寬×高)，滾筒軸離地面高度1 220 mm，工作臺面高度998 mm。除銹電機(jī)選用三相異步電機(jī)Y132S1，2900RPM-5.5kW(JB/T9616—1999)，傳動比為1.6，采用3根B型普通V帶傳動,Ld=2 240 mm； 輸送電機(jī)選用60RPM-750W的減速電機(jī)，采用2根B型普通V帶傳動,Ld=1 600 mm。樣機(jī)總體結(jié)構(gòu),如圖20所示。

圖20 除銹試驗機(jī)Fig.20 Derusting test machine

5.5 除銹試驗

試驗用鋼板為寬度350 mm厚度20 mm的汽車用輪輞鋼板，滾筒轉(zhuǎn)速n=30 r/s。

經(jīng)除銹試驗得出，除銹機(jī)除銹效率可達(dá)10～18 mm/s，除銹等級達(dá)到GB8923.1—2011規(guī)定的ST3級，除銹前后效果對比，如圖21、22所示。

圖21 除銹前鋼板表面Fig.21 Steel plate surface before derusting

圖22 除銹后鋼板表面Fig.22 Steel plate surface after derusting

6 結(jié) 論

(1)基于摩擦學(xué)理論分析了繩索沖擊接觸鋼板表面除銹及強(qiáng)化機(jī)理，并建立繩索運行學(xué)方程；應(yīng)用離散方法，建立了柔索多體系統(tǒng)模型。

(2)基于Hertz接觸理論和修正庫倫摩擦理論建立了柔索接觸沖擊動力學(xué)模型，并應(yīng)用ADAMS對離散后單根繩索進(jìn)行動力學(xué)仿真，仿真結(jié)果得出：繩索末端接觸力最大，接觸力由繩索末端向固定端方向逐漸減?。焕K索接觸力大小在某一轉(zhuǎn)動速度下達(dá)到最大值，轉(zhuǎn)速低于或高于該速度，最大接觸力將減小。

(3) 根據(jù)計算參數(shù)，研制了柔索沖擊接觸鋼板表面除銹試驗機(jī)，經(jīng)該樣機(jī)除銹后鋼板表面除銹等級達(dá)到ST3(GB8923.1—2011)級，除銹后鋼板表面具有一定粗糙度，拍擊使鋼板面產(chǎn)生壓應(yīng)力，實現(xiàn)鋼板表面強(qiáng)化。