小鋼珠沖擊除銹方法及其模擬仿真

吳上生，蘭僑，周運岐

(1.華南理工大學機械與汽車工程學院，廣東廣州 510640；2.韶關市宏乾智能裝備科技有限公司，廣東韶關 512026)

0 前言

鋼制設備長時間暴露在空氣中，其表面會產生氧化銹蝕，必須對其進行定期的除銹和噴漆維護，才能確保其能夠安全運行。除銹是鋼制設備涂裝前的首要任務，可以為噴漆提供良好的接觸基底，從而確保噴漆效果，更好地保護設備，是設備維護的關鍵步驟。除銹質量的好壞，對上漆防銹有著十分重要的影響，必需給予足夠的重視。

常用的除銹方法有手工除銹、電動或氣動除銹、噴砂除銹、高壓水射流除銹以及化學除銹等。手工除銹效率低，勞動強度大，而且很難達到除銹標準的清潔度和粗糙度，基本上已經被其他除銹方法替代。電動或氣動除銹主要使用電動鋼絲刷、氣動針束除銹器等工具對船舶銹蝕面進行摩擦或沖擊除銹，但鋼絲刷、針束容易損壞，需要頻繁更換，使用不方便。噴砂除銹會產生大量的粉塵，易產生環境污染，而且需要持續提供砂石。高壓水射流除銹需要大量水資源，會產生大量污水，而且存在二次返銹問題，設備昂貴。化學除銹產生的廢酸等易污染環境，還需配備酸再生等環保設備，而且化學藥劑操作不當還會對工人的健康及安全造成危害。

針對上述除銹方法的不足，參考鋼絲刷摩擦除銹和噴丸除銹方法，本文作者提出小鋼珠沖擊除銹新方法及其應用裝置。該除銹方法利用小鋼珠對銹蝕面的沖擊作用和摩擦作用來去除銹蝕面銹層，使銹蝕面達到清潔度和粗糙度的要求。詳細介紹了除銹方法的動作原理和除銹裝置的機械機構，重點研究除銹工作過程中接觸除銹層小鋼珠和推力層小鋼珠之間、接觸除銹層小鋼珠和銹蝕面之間的相互作用情況；使用多體動力學軟件ADAMS進行模擬仿真，研究不同轉速和不同壓緊力對接觸除銹層小鋼珠與銹蝕面之間相互作用的影響。

1 小鋼珠沖擊除銹方法及其應用裝置

1.1 小鋼珠沖擊除銹方法

提出的小鋼珠沖擊除銹方法工作原理如圖1所示：小鋼珠分為接觸除銹層和推力層兩層，放置于旋轉盤中；旋轉盤以角速度旋轉，給予推力層小鋼珠一推動力，推動推力層小鋼珠整體轉動；推力層小鋼珠轉動，并與接觸除銹層小鋼珠產生相互作用，包括推力層小鋼珠對接觸除銹層小鋼珠的摩擦力和碰撞力，推動接觸除銹層小鋼珠轉動，并且以速度沖擊銹蝕面；接觸除銹層小鋼珠部分突出于旋轉盤，壓緊力將旋轉盤壓緊在銹蝕面上；通過接觸除銹層小鋼珠與銹蝕面之間的相互作用，包括沖擊力以及摩擦力和擠壓力，來去除銹蝕面銹層。

圖1 除銹方法工作原理

1.2 小鋼珠沖擊除銹裝置及其動作過程

根據第1.1節提出的小鋼珠沖擊除銹方法和工作原理，設計小鋼珠沖擊除銹裝置，如圖2所示。旋轉盤8和小鋼珠14是除銹裝置的核心零件。旋轉盤8的結構如圖3所示：旋轉盤8內有一擋板，擋板高度小于推力層小鋼珠高度，保證擋板只會推動推力層小鋼珠，同時旋轉盤圍緣周壁上布滿孔洞，便于排出除去的銹蝕物。

圖2 除銹裝置剖面結構示意

圖3 旋轉盤結構示意

工作前，電磁鐵2通電吸附住小鋼珠14，使小鋼珠14緊密排列在旋轉盤8內。調整旋轉盤8的角度，使接觸除銹層小鋼珠整體與銹蝕面接觸，并將除銹裝置壓緊在銹蝕面上。

工作時，電磁鐵2斷電，驅動軸6通過鍵11帶動旋轉盤8轉動，旋轉盤8通過其內擋板推動推力層小鋼珠繞旋轉盤8軸心線轉動，推力層小鋼珠依靠摩擦力等帶動接觸除銹層小鋼珠轉動，并對接觸除銹層小鋼珠產生頂撞，使接觸除銹層小鋼珠對銹蝕面產生沖擊和摩擦等作用，去除銹蝕面銹層物質。除銹過程中，在旋轉盤8的離心力以及小鋼珠14相互碰撞擠壓作用下，除去的銹蝕面銹層物質由旋轉盤上的孔洞排出旋轉盤外，由旋轉盤外接吸塵裝置處理。

工作后，電磁鐵2通電吸附住小鋼珠14，使小鋼珠14緊密排列在旋轉盤8內，調整旋轉盤8朝上，使小鋼珠14不會掉落出旋轉盤8外。

2 小鋼珠沖擊除銹可行性研究

2.1 小鋼珠沖擊除銹裝置工作過程分析

為了利于小鋼珠之間產生沖擊碰撞等相互作用，設計旋轉盤時，其放置小鋼珠的凹槽寬度控制在2+1倍小鋼珠半徑長度，使小鋼珠非規整放置在旋轉盤內，推力層小鋼珠之間錯位形成各種空隙，接觸除銹層小鋼珠或陷于推力層小鋼珠的空隙間，或正對著推力層小鋼珠，如圖4所示。

圖4 小鋼珠放置示意

除銹過程中，接觸除銹層小鋼珠與推力層小鋼珠之間以及接觸除銹層小鋼珠與銹蝕面之間的沖擊碰撞過程十分復雜。為簡化分析，對其在二維平面內的沖擊碰撞過程進行理論分析，如圖5所示。

圖5 除銹過程示意

推力層小鋼珠在旋轉盤擋板的推動下，向上運動；是擋板推動推力層小鋼珠、推力層小鋼珠之間產生的相互作用力；是作用在除銹裝置上，使除銹裝置壓緊在銹蝕面上的壓緊力。在的作用下，推力層小鋼珠2、3以速度向上運動；在推力層小鋼珠的作用下，接觸除銹層小鋼珠1以速度向上運動，如圖5(a)所示。由于銹蝕面對接觸除銹層小鋼珠1的摩擦作用，使得<，在下一時刻，小鋼珠之間的位置關系如圖5(b)所示，接觸除銹層小鋼珠處于推力層小鋼珠之間。進一步地，接觸除銹層小鋼珠1與推力層小鋼珠3發生碰撞，如圖5(c)所示，碰撞前后兩小鋼珠的速度不在同一直線上，故接觸除銹層小鋼珠1與推力層小鋼珠3發生斜碰。碰撞后，接觸除銹層小鋼珠1以速度′對銹蝕面產生沖擊作用，如圖6所示。

圖6 兩小鋼珠斜碰過程

2.2 小鋼珠除銹受力情況分析

在接觸除銹層小鋼珠1與推力層小鋼珠3碰撞過程中，忽略小鋼珠之間的摩擦，則小鋼珠之間只會在連心線方向產生接觸力，碰撞過程如圖6所示。推力層小鋼珠3受到力的作用，故碰撞前后速度基本保持不變。碰撞時，推力層小鋼珠3對接觸除銹層小鋼珠1作用碰撞力，由動量定理可得：

·=·′-·

(1)

式中：是碰撞時間；是接觸除銹層小鋼珠1的質量；是碰撞前接觸除銹層小鋼珠1的速度；′是碰撞后接觸除銹層小鋼珠1的速度。

設′的偏轉角度為，則：

(2)

故碰撞后，接觸除銹層小鋼珠1以速度′、入射角對銹蝕面產生沖擊作用。

接觸除銹層小鋼珠1與銹蝕面發生斜向沖擊，沖擊力可以分解為法向力和切向力，如圖7所示。由于銹蝕面銹層相對較軟，在力作用下，小鋼珠對銹層產生法向沖擊，壓入銹層一定深度，并在力作用下切向運動，與銹蝕面產生摩擦作用，使銹蝕面銹層在切向運動方向產生隆起。銹層受到小鋼珠的機械沖擊作用和摩擦產生的熱作用，發生軟化變形。當銹層較深，法向力較大，小鋼珠壓入銹層較深時，可能發生微切削或犁耕現象。在小鋼珠循環的沖擊和摩擦作用下，銹層發生上述形式的重復變形，進而破裂脫落。

圖7 小鋼珠與銹蝕面接觸過程

小鋼珠與銹蝕面發生沖擊碰撞，使用L-N接觸力模型計算法向接觸力。模型表達式如下：

(3)

阻尼系數與壓入量有關：

=

(4)

式中：為滯后阻尼因子。

(5)

式中：是恢復系數。

將式(5)代入式(4)后的結果代入式(3)，得出法向接觸力最終表達式為

(6)

切向摩擦力采用修正的庫侖摩擦模型進行計算：

(7)

式中：為滑動摩擦因數；為動態修正系數；′為相對切向速度；為切向速度。

由上面的分析可知，在除銹過程中，接觸除銹層小鋼珠會對銹蝕面產生沖擊和摩擦，可以達到去除銹蝕面銹層的目的，從而說明文中提出的小鋼珠沖擊除銹方法可行。

3 小鋼珠沖擊除銹過程模擬仿真研究

3.1 模型簡化

將Inventor建立的小鋼珠沖擊除銹裝置的三維模型通過適當的格式轉換，導入剛體動力學分析軟件ADMAS中。為了減少具體結構對仿真過程的影響，減少計算量和計算時間，保證解算器求解收斂，建模時忽略局部的結構細節和部分運動副的摩擦，簡化模型如圖8所示。將電磁鐵和支撐筒座等固定不動的部件用仿真軟件中的“ground”這一虛擬部件等效替代，只保留旋轉盤和小鋼珠。旋轉盤直徑縮小到能容納3～4列小鋼珠，小鋼珠直徑5 mm，使用40 mm×40 mm×2 mm的平板模擬銹蝕面。

圖8 簡化后的除銹裝置

3.2 材料與約束設置

材料設置：旋轉盤、小鋼珠、銹蝕面都給定材料為Steel，密度為7.8 g/cm，彈性模量為207 GPa，泊松比為0.29。

約束設置：旋轉盤與“ground”之間施加圓柱副，使其只能沿自身軸線轉動和移動，并給其施加一個轉速=480 r/min的旋轉驅動和沿軸向的壓緊力=50 N，使其旋轉并壓緊在銹蝕面上；銹蝕面施加固定約束。

3.3 接觸碰撞力學模型的創建

ADMAS中一共有2種接觸碰撞模型，文中選用Impact沖擊函數模型來模擬接觸；摩擦力采用庫侖法來進行計算。

給小鋼珠、旋轉盤、銹蝕面之間都施加固體對固體的接觸約束，接觸靜摩擦因數0.25，動摩擦因數0.15，靜摩擦轉換速度為100 mm/s，動摩擦轉換速度為1 000 mm/s；初始時刻，銹蝕面和接觸除銹層小鋼珠接觸。

3.4 仿真結果分析

在83顆小鋼珠的作用下，銹蝕面在接觸處法向(方向)和、方向的受力變化情況如圖9所示。在接觸處法向，小鋼珠對銹蝕面產生沖擊碰撞，沖擊力在0～135 N內變動。在和方向，小鋼珠與銹蝕面產生摩擦，摩擦力在-10～10 N內變動，相對于沖擊力，摩擦力相對較小。小鋼珠沖擊除銹裝置就是依靠小鋼珠與銹蝕面之間的沖擊力和摩擦力來去除銹蝕面銹層，以達到除銹的目的，使銹蝕面達到清潔度和粗糙度要求，故模擬仿真說明文中提出的小鋼珠沖擊除銹方法及其應用裝置可行。

圖9 n=480 r/min、F=50 N時，銹蝕面受力變化情況

保持旋轉盤轉速=480 r/min不變，壓緊力改為=100 N，此時銹蝕面受力變化情況如圖10所示。可知：隨著壓緊力變大，法向沖擊力和、方向的摩擦力也隨之變大，故可以通過控制施加給除銹裝置的壓緊力來控制接觸除銹層小鋼珠與銹蝕面之間相互作用力的大小，以滿足不同的銹蝕面除銹要求。

圖10 n=480 r/min、F=100 N時，銹蝕面受力變化情況

在壓緊力=50 N、轉盤轉速=900 r/min時，銹蝕面受力變化情況如圖11所示。可知：隨著轉速變大，法向沖擊力和、方向的摩擦力變化不明顯，法向沖擊力有變小的趨勢。分析原因：由于轉速變大，小鋼珠離心力增大，使得小鋼珠緊貼旋轉盤內側面，推力層小鋼珠對接觸除銹層小鋼珠的碰撞減弱。故需要尋找一個合適的轉速，使得法向接觸力最大且滿足除銹要求。

圖11 n=900 r/min、F=50 N時，銹蝕面受力變化情況

4 結論

提出小鋼珠沖擊除銹方法，依靠小鋼珠對銹蝕面的沖擊和摩擦來去除銹蝕面銹層。設計了小鋼珠沖擊除銹裝置，詳細介紹小鋼珠沖擊除銹裝置的核心零件和動作過程。分析除銹過程中，小鋼珠的受力情況及其對銹蝕面的作用力情況，理論分析結果說明文中提出的除銹方法的原理可行。最后，使用多體動力學仿真軟件ADAMS對小鋼珠沖擊除銹過程進行模擬仿真，進一步驗證了除銹方法的可行性。由仿真分析知：小鋼珠與銹蝕面之間會產生接觸力，接觸力由小鋼珠與銹蝕面之間的沖擊力和摩擦力組成，并且通過控制旋轉盤的轉速和壓緊力的大小，可以改變小鋼珠與銹蝕面之間的接觸力的大小，使銹蝕面滿足不同的清潔度和粗糙度要求。文中只進行了理論與模擬仿真分析，下一步將制作物理樣機，進一步實際檢驗除銹裝置的除銹效果。