基于柔索沖擊接觸的鋼板表面除銹機理及特性研究

龔青山， 張 華， 江志剛， 曾國華， 吳岳敏

(1.武漢科技大學 冶金裝備及其控制教育部重點實驗室，武漢 430081；2. 湖北汽車工業學院 機械工程學院，湖北 十堰 442002；3.武漢科技大學 機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、機床制造及船舶業等制造工藝中的重要環節，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涂裝質量和產品的使用壽命。目前常用的除銹方法主要有機械除銹、化學除銹、噴射除銹、激光除銹。機械除銹利用鋼絲刷或配有除銹裝置的電動、氣動機械設備進行除銹，除銹質量較差，光潔度不高，針對不同型面，需研制專用的自動化機械除銹設備；化學除銹主要通過酸洗除銹，適合形狀結構復雜的工件，但化學清理法工藝較為復雜、成本高、環境污染大；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，質量較好，但需要成套設備，一次投入成本較高，設備龐大，粉塵和噪聲嚴重[1-2]。高壓水射流除銹因其清洗成本低、效率高、應用范圍廣等特點，近年來在國際上泛應用，尤其配備了爬壁機器人高壓水水射流除銹機，在大型船舶壁面除銹應用取得了一定成果[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，該技術運行成本低、清潔度高、適用性廣，具有良好的應用前景，然而，激光除銹機理較為復雜[7-8]，同時溶蝕揮發氣體會污染空氣，目前主要應用在精密儀器及電子行業。論文提出了一種基于柔索沖擊接觸的鋼板表面除銹及強化方法，以實現鋼板的高效自動除銹。

該除銹技術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、化學試劑等新的介質，所用柔索選用起重吊裝等其它行業廢棄的鋼絲繩，成本低廉，同時實現廢品再利用，除銹機配備除塵系統，清潔環保，符合綠色理念；除銹過程中可根據除銹等級、及強化要求，采用不同型號的鋼絲繩，不同轉速等相關參數，實現不同需求的鋼板表面除銹及強化，設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化提供一種新的方法。

1 除銹機理分析

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物是疏松的，主要以Fe2O3為主，Fe3O4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

除銹裝置機構運動示意圖如圖2所示，柔索機構主要由滾筒，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構；2.刷削精除銹機構；3.輸送機構；4.待除銹鋼板

為簡化分析模型，取單根繩索為對象進行分析。圖3為單根繩索沖擊接觸模型，滾筒以ω速度旋轉，繩索末端以速度v與待除銹鋼板在P點進入接觸，法向速度由vn瞬間減小為零，在接觸點產生法向接觸力Fn，Fn使銹層破裂同時實現鋼板表面強化,如圖4(a)所示；切向速度vt使得繩索與鋼板表面滑動摩擦，產生切向摩擦力Ft，當滾筒轉過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構與鋼板表面銹層產生切削效應，使已經破裂的銹層脫落, 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 除銹機理分析

鋼板表面銹層可歸到粗糙度問題，除銹目標是越過波谷除去整個表面層(圖5)，再根據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

繩索表面呈現凸凹結構(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。工作中相當于無數個半徑為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。

圖6 鋼絲繩表面及截面結構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生隆起，隆起大小隨黏著強度增大而增大。當發生相對滑動時，接觸點的結合受到破壞。在接觸點結合的不斷形成又不斷受到破壞的過程中，由于機械的作用、摩擦所產生的熱的作用以及與周圍介質發生的物理或化學作用，使材料表層發生變化，如發生變形、氧化、軟化、強度減弱等現象。當然，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，可能發生“微切削”或梨溝現象。隨著鋼絲繩相對鋼板表面滑動，鋼板表面銹層將發生上述形式的重復變形，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量和除銹效率的因素，并定量分析其與二者的關系，建立了繩索與鋼板作用的運動學模型，如圖8所示。

1.滾筒；2.繩索；3.鋼板

(1)

當鋼絲繩運動至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推導出繩索末端與鋼板表面沖擊接觸運動學方程：

(2)

2 柔索多體系統動力學建模

應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)，滾子外形及質量均與相同尺寸的繩索結構一致，各滾子之間通過彈簧和阻尼器連接(圖10)。當Δl越小，離散體與繩索連續體越一致，但離散體數目增多將會使計算量過大[10-12]。

圖9 離散后的繩索系統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)

其中剛度系數和阻尼系數根據鋼絲繩材料屬性參數獲得：

(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Hertz接觸理論：

(9)

式中：σ1、σ2為材料參數(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，應為滾子與平面間接觸則r2→∞，等效接觸剛度應為：

(10)

阻尼系數D與恢復系數和接觸剛度有關:

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；cd為動態修正系數；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 參數確定

建立單根繩索離散體模型，參數見表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，相關參數代入式(4)～(7)求得離散后滾子間剛度系數和阻尼系數(表2)。

表1 設計參數Tab.1 Design parameters

表2 離散后滾子間剛度與阻尼系數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，力指數取1.5；阻尼系數30 N/mm；穿透深度0.1；接觸中考慮摩擦力，靜摩擦因數取0.3，動摩擦因數取0.16，靜平移速度取0.1 mm/s；動態阻力轉換速度10 mm/s。

4.2 沖擊接觸動力學仿真

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仿真，圖12、圖13、圖14為滾筒轉速在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變化規律[19-20]。

圖12 繩索末端受力變化規律,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達最大，法向力遠大于所產生的切向摩擦力，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實現鋼板表面強化。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小；由仿真可知隨滾筒旋轉速度的增大，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速變化規律，接觸力隨滾筒轉速增大而增大，在其它參數不變時，當轉速增大至n=30 r/s時法向力和切向力達到最大值，當轉速繼續增大時，接觸力反而減小。這主要因為在速度過高時，繩索將出現與滾筒表面纏繞現象，導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速變化規律Fig.15 The variation law between the speed and the maximum contact force

5 樣機設計及除銹試驗

為驗證除銹機理的可行性，分析除銹效果，設計了除銹試驗機(圖21)設計參數見表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果。要實現鋼板表面無側隙除銹，則多排繩索的總運動軌跡必須實現鋼板表面全覆蓋，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。

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數字表示，列號由01～99兩位數表示。圖中ah區間為一個間距內繩索運動軌跡，分別由101、201、301、401繩索運動軌跡構成。當ε=0時，圖中bc、de、fg雙繩工作區等于零；當ε>0時，圖中bc、de、fg雙繩工作區不為零，鋼板表面除銹區除銹軌跡由雙繩工作區和單繩工作區組成。為提高鋼板表面除銹質量一般要求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，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、摩擦力及彎曲應力作用，為了減小繩索固定端受彎曲應力， 繩索末端固定在與滾筒表面相切的平面內，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

除銹機滾筒外設有防塵罩，防塵罩采用2 mm厚鋼板焊接而成，防塵罩同時起安全保護作用，防塵罩頂部設與除塵系統相連，除塵系統由風機和除塵器組成，除銹過程中產生的粉塵通過除塵器處理過濾掉微小顆粒粉塵。除銹機除銹滾筒下方設有收集箱，對于較大的不能被風機負壓帶走的顆粒將落入收集箱內。

5.4 主要結構參數

除銹機體部分總體尺寸：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。除銹電機選用三相異步電機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； 輸送電機選用60RPM-750W的減速電機，采用2根B型普通V帶傳動,Ld=1 600 mm。樣機總體結構,如圖20所示。

圖20 除銹試驗機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，滾筒轉速n=30 r/s。

經除銹試驗得出，除銹機除銹效率可達10～18 mm/s，除銹等級達到GB8923.1—2011規定的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 論

(1)基于摩擦學理論分析了繩索沖擊接觸鋼板表面除銹及強化機理，并建立繩索運行學方程；應用離散方法，建立了柔索多體系統模型。

(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模型，并應用ADAMS對離散后單根繩索進行動力學仿真，仿真結果得出：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小；繩索接觸力大小在某一轉動速度下達到最大值，轉速低于或高于該速度，最大接觸力將減小。

(3) 根據計算參數，研制了柔索沖擊接觸鋼板表面除銹試驗機，經該樣機除銹后鋼板表面除銹等級達到ST3(GB8923.1—2011)級，除銹后鋼板表面具有一定粗糙度，拍擊使鋼板面產生壓應力，實現鋼板表面強化。