CN101402078A - 超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，采用超高压泵输出高压水经过超高压软管上连接的超高压旋转喷头输出到清洗表面，进行超高压水射流清洗；旋转喷头外密封安装一个罩壳，罩壳边缘为弹性材料，罩壳联通真空系统，在清洗过程中，同步真空抽吸，吸走罩壳内的污水，并实现真空附壁；另设置爬壁机器人带动旋转喷头与罩壳在清洗表面根据指令移动，进行大面积除锈作业；超高压水射流清洗的工作参数为：水压力220－250MPa，流量≮30L/min，罩壳内真空度约0.06MPa±5％。水射流剥除了锈层、真空流卷走了锈屑和废渣、温度场及时干燥了被作业表面。于是，用水除锈、即干即除不返锈。

Description

超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺

技术领域

本发明属于一种超高压水射流的应用技术，具体是一种利用超高压水射流除锈的工艺。

背景技术

钢质表面预处理(即除锈)一直采用人工捶击打磨和干气喷砂工艺，劳动强度较大，环境污染和对人体危害非常严重，喷砂工艺用砂为铜矿渣，自身成本高，且用后必须占地掩埋，船舶除锈等大型钢质表面预处理非常需要改变这种落后的除锈工艺。

发明内容

本发明的目的是提供一种超高压水射流除锈工艺，采用超高压纯水射流技术依靠水射流之打击力除锈，除锈质量可达到Sa2.5级，实现用水除锈，即除即干不返锈的完整过程。

本发明的技术方案如下：

超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：采用超高压泵输出高压水经过超高压软管上连接的超高压旋转喷头输出到清洗表面，进行超高压水射流清洗；旋转喷头外密封安装一个罩壳，罩壳边缘为弹性材料，罩壳联通真空系统，在清洗过程中，同步真空抽吸，吸走罩壳内的污水，并实现真空附壁；另设置爬壁机器人带动旋转喷头与罩壳在清洗表面根据指令移动，进行大面积除锈作业；超高压水射流清洗的工作参数为：水压力220-250MPa，流量≮30L/min，罩壳内真空度约0.06MPa±5％。

所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其设备特征在于：爬壁机器人自带电机动力，被操作者遥控其爬壁行走轨迹，同步实现行走、除锈与真空三种功能，为防止真空系统突发事故，对爬壁机器人实行同步钢绳收放保险，即一旦中断真空，爬壁机器人则由钢绳将其悬吊。

所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：所述的超高压旋转喷头的结构：包括装配在一起的端盖与填料函和轴承套、旋转出水轴：端盖中央有进水孔，端盖内端面上有沉孔，所述的沉孔内有弹簧，旋转出水轴外套装有填料函，填料函套装在端盖上，填料函外套装有轴承套，旋转出水轴前端顶在所述的弹簧上并与进水孔联通；所述的旋转出水轴与填料函之间安装有密封填料，所述的旋转出水轴与轴承套之间安装有轴承，所述的旋转出水轴外壁有环形限位凸起挡在轴承内侧壁，所述的轴承套后端的环形挡圈挡住轴承外侧，旋转出水轴与环形挡圈之间有环形密封圈；所述的旋转出水轴的后端螺合的喷头体，喷头体上安装有喷嘴，喷头体内有水流通路，与旋转出水轴及喷嘴联通。

所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：所述的旋转出水轴的前端有圆形内倒角，圆形内倒角外装有垫片，垫片内孔有圆形外倒角与所述的圆形内倒角匹配。

本发明采用超高压纯水射流技术依靠水射流之打击力除锈。爬壁机器人带动超高压水旋转喷头形成旋转射流均匀除锈作业，以真空系统实现对爬壁机器人的真空吸附和对除锈作业之锈屑与废水抽吸，除锈质量可达到Sa2.5级，实现用水除锈，即除即干不返锈的完整过程——即超高压水射流除锈工艺。

即除即干是在作业的罩壳真空腔内实现，它包括两个条件：一是真空抽吸了全部的废水(渣)，其次是当常压水经泵转变成超高压水后伴生的高温条件(约在86~90℃)。

本发明的实现关键在于其技术参数的组合：即压力220-250MPa，流量≮30L/min，真空度约0.06MPa。当然，更高的参数有利于提高作业效率，但设备成本随之大幅增高。发明人提供的参数经试验已经能够满足钢质表面预处理的基本要求与质量，可以作为使用的门限参数。

实现这一除锈新工艺的成套设备包括：超高压泵机组、爬壁机器人、罩壳真空系统及辅助保险机构。该成套设备的执行机构是爬壁机器人，由超高压泵输出的超高压水经超高压软管至爬壁机器人罩壳真空作业腔内置的旋转喷头，因喷嘴偏置形成水力扭矩造成自旋转射流；同时真空系统的真空管接于爬壁机器人罩壳真空腔，用于吸附与抽吸功能；爬壁机器人则自带异步电机动力被操作者遥控其爬壁行走轨迹；也就是说爬壁机器人同步实现着行走、除锈与真空三种功能。为防止真空系统突发事故，对爬壁机器人实行同步钢绳收放保险，即一旦中断真空，爬壁机器人则由钢绳将其悬吊。

本发明关键技术主要有以下几点：超高压往复动密封、爬壁机器人行走与控制、超高压旋转密封、喷嘴的总成与喷头设计，真空系统、机器人自重与行走要求和超高压水射流三者的参数匹配。

本发明采用的三柱塞超高压泵，可以将常压清水一级泵送至超高压水。除了泵本身的材料、工艺与进出水阀组设计外，保障可靠运行的关键在于其采用了超高压往复动密封。超高压泵是超高压水射流技术的基本保证，超高压往复动密封又是超高压泵的基本保证。

超高压往复动密封的原理是间隙节流降压——无接触密封，其压力降取决于收敛间隙。由锥形套筒内、外压力分布及压力合成可见，作用在套筒外表面的密封压力P和作用在密封间隙内的稳定衰减压力P(x)之间的压力差产生作用在套筒上的压力载荷，如果柱塞和密封具有所需的自由度，那么套筒将会自动对中，通过合理设计，就可以利用这种合成压力作用，在运行中使得套筒产生弹性变形。形成难以加工的以微米计算的所需间隙，取得间隙节流降压效果，这种间隙可以是平行的，也可以是沿压力降方向呈楔形，以产生对中效应。

爬壁机器人的功能是：智能行走、旋转射流除锈和真空吸附排渣，这三项功能是同步复合的。所谓爬壁，是由于真空吸附作用和行走功能使其贴壁面动作；所谓机器人，它毕竟是依靠指令输入通过改变电机的转速以保证机器人的直行、横行、斜行等。在大型曲壁面动作主要体现在直行和换行上，所以爬壁机器人的技术难度主要在机械结构设计上。

爬壁机器人的电机通过减速驱动主动轮旋转并同步带动同侧的从动轮旋转，同样，另一侧双轮由第二台电机驱动，很显然，两台电机的同步导致机器人直行，异步则导致机器人经过“之”字型转向换行。喷嘴射流因安装角度形成水力扭矩，使得喷头旋转，而这里的超高压旋转接头正是保证稳定旋转的关键零部件；旋转喷头所处的真空腔与壁面弹性接触，在腔缘的真空作用达到了机器人附壁和抽吸锈屑、污水的目的，为安全起见，防止真空系统一旦失效时发生危险，在机器人上部必需设置保险装置，该卷扬滚筒钢丝绳只起到保险作用，不能拖带爬壁机器人运动，其升降功能由控制系统保证与机器人的行走同步，除升降功能以外，保险装置整体与机器人横向作业同步移动。由于被清洗对象无论垂直曲面还是水平顶面，都是大面积的平面，故该机器人又叫平面清洗器。

超高压旋转密封是形成旋转射流的技术关键，同往复密封不同的是：往复密封的套筒是个单件，可采用高弹性材料在内外压力合成作用下变形以形成“难以测量的间隙”；而旋转密封本身是超高压流道，必需采用高强度钢管，主要是内压，这就不能以往复密封的形式来解释，但这两者密封的共性在于：都是利用间隙节流密封，都是要解决密封性能、确保实现超高压工况和防止因相对运动的线速度使运动副发热、抱死现象。归纳其设计原则为：旋转力矩要能克服摩擦阻力使喷头旋转起来；密封要能保证喷嘴的额定排出压力；密封不因压力与转速的提高而抱轴。

自带电机驱动行走的小车(爬壁机器人)带动超高压水旋转喷头形成旋转射流均匀除锈作业，以真空系统实现真空吸附和对除锈作业之锈屑与废水抽吸。

爬壁机器人自带异步电机动力被操作者遥控其爬壁行走轨迹，进而带动旋转喷头与罩壳爬壁移动进行除锈作业，同步实现着行走、除锈与真空三种功能。为防止真空系统突发事故，对爬壁机器人实行同步钢绳收放保险，即一旦中断真空，爬壁机器人则由钢绳将其悬吊。钢绳可通过卷扬滚筒收卷。

本发明爬壁机器人前、后侧共有四个车轮，电机通过减速驱动主动轮旋转并同步带动同侧的从动轮旋转，同样，另一侧双轮由第二台电机驱动，很显然，两台电机的同步导致机器人直行，异步则导致机器人经过“之”字型转向换行。

旋转喷头的旋转密封结构不同点在于超高压旋转密封为端部平面环形形式，这是一个很大胆的设计，将传统的长筒形大面积密封面一下子减缩为端部表面，但其优点在于：端面密封可选用耐磨性很好的材料，而且从结构上可以采用弹簧预紧，保证在超高压工况下间隙水膜的形式，当前这种旋转密封同样需要精细的工艺保证。三个球轴承并列安装，保证了旋转的平稳，在与密封相对的另一端周向设有注油孔，注意有一个注油孔设在了密封圈的中间，这是为了延长密封圈的寿命，该喷头的旋转适应在400～600min^-1，减速来源于外力，也正是因为采用端面旋转密封承受着射流反冲力，所以最大限度地减小了周向旋转摩擦，实际旋转密封摩擦功耗小多了。

由于罩壳边缘为弹性材料，真空腔与清洗表面弹性接触，在真空作用达到了罩壳附壁和抽吸锈屑、污水的目的。

在330mm直径的罩壳内，形成真空腔，有超高压水射流旋转流场，超高压水射流形成的温度场约80℃，且真空造成的真空场，其复合的结果是：水射流剥除了锈层、真空流卷走了锈屑和废渣、温度场及时干燥了被作业表面。于是，用水除锈、即干即除不返锈，爬壁机器人的行走使这一作业在旷大的钢质清洗表面展开，同时，它的贴壁又是真空系统的作用结果。

附图说明

图1为本发明工艺流程框图。

图2为泵机组结构示意图。

图3为本发明旋转喷头结构示意图。

图4为本发明爬壁机器人结构示意图。

具体实施方式

超高压水射流除锈工艺，其特征在于：采用超高压泵输出高压水经过超高压软管上连接的旋转喷头输出到清洗表面，进行超高压水射流清洗；旋转喷头外密封安装一个罩壳，罩壳边缘为弹性材料，罩壳联通真空系统，在清洗过程中，同步真空抽吸，吸走罩壳内的污水；另设置爬壁机器人带动旋转喷头与罩壳在清洗表面根据指令移动，进行大面积除锈作业；超高压水射流清洗的工作参数为：水压力220-250MPa，流量≮30L/min，罩壳内真空度约0.06MPa±5％。

超高压水射流除锈工艺，采用超高压泵经过超高压软管输出超高压水进入旋转喷头，旋转喷头外密封安装一个罩壳，罩壳边缘为橡胶弹性材料，旋转喷头安装于一自带电机驱动行走的爬壁机器人底部，爬壁机器人根据控制指令行走，带动旋转喷头与罩壳一起紧贴除锈清洗表面移动，超高压水经过旋转喷头形成射流喷射到除锈清洗表面，进行除锈作业，罩壳联通真空系统，以同步真空抽吸的方式，吸走罩壳内的污水。小车上拴有钢丝绳或丝龙绳，由卷扬滚筒收卷，和小车行走同步收放。

超高压旋转喷头的结构见图3：包括装配在一起的端盖1与填料函2和轴承套3、旋转出水轴4：端盖1中央有进水孔，端盖1内端面上有沉孔，所述的沉孔内有弹簧5，旋转出水轴4外套装有填料函2，填料函2套装在端盖1上，填料函2外套装有轴承套3，旋转出水轴4前端顶在弹簧5上并与进水孔联通；所述的旋转出水轴4与填料函2之间安装有密封填料6，所述的旋转出水轴4与轴承套3之间安装有轴承7，所述的旋转出水轴4外壁有环形限位凸起8挡在轴承7内侧壁，所述的轴承套3后端的环形挡圈挡住轴承7外侧，旋转出水轴4与环形挡圈之间有环形密封圈；所述的旋转出水轴4的后端螺合有喷头体9，喷头体9上安装有喷嘴10，喷头体9内有水流通路，与旋转出水轴4及喷嘴10联通。所述的旋转出水轴4的前端有圆形内倒角，圆形内倒角外装有垫片11，垫片11内孔有圆形外倒角与圆形内倒角匹配。

爬壁机器人结构见图4。所述的小车，小车有三个车轮12，各个车轮12分别由安装于车架上的不同电机驱动，车架13上安装一个罩壳14，罩壳14边缘为橡胶弹性材料15，旋转喷头的进水杆16及真空吸管17与罩壳14密封并固定连接，进水杆16前端接超高压旋转喷头的端盖1进水孔，超高压旋转喷头位于罩壳14内，爬壁机器人根据控制指令行走，带动旋转喷头与罩壳一起紧贴除锈清洗表面移动。真空吸管17接真空系统。

Claims (4)

1、超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：采用超高压泵输出高压水经过超高压软管上连接的超高压旋转喷头输出到清洗表面，进行超高压水射流清洗；旋转喷头外密封安装一个罩壳，罩壳边缘为弹性材料，罩壳联通真空系统，在清洗过程中，同步真空抽吸，吸走罩壳内的污水，并实现真空附壁；另设置爬壁机器人带动旋转喷头与罩壳在清洗表面根据指令移动，进行大面积除锈作业；超高压水射流清洗的工作参数为：水压力220-250MPa，流量≮30L/min，罩壳内真空度约0.06MPa±5％。

2、根据权利要求1所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其设备特征在于：爬壁机器人自带电机动力，被操作者遥控其爬壁行走轨迹，同步实现行走、除锈与真空三种功能，为防止真空系统突发事故，对爬壁机器人实行同步钢绳收放保险，即一旦中断真空，爬壁机器人则由钢绳将其悬吊。。

3、根据权利要求1所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：所述的超高压旋转喷头的结构：包括装配在一起的端盖与填料函和轴承套、旋转出水轴：端盖中央有进水孔，端盖内端面上有沉孔，所述的沉孔内有弹簧，旋转出水轴外套装有填料函，填料函套装在端盖上，填料函外套装有轴承套，旋转出水轴前端顶在所述的弹簧上并与进水孔联通；所述的旋转出水轴与填料函之间安装有密封填料，所述的旋转出水轴与轴承套之间安装有轴承，所述的旋转出水轴外壁有环形限位凸起挡在轴承内侧壁，所述的轴承套后端的环形挡圈挡住轴承外侧，旋转出水轴与环形挡圈之间有环形密封圈；所述的旋转出水轴的后端螺合的喷头体，喷头体上安装有喷嘴，喷头体内有水流通路，与旋转出水轴及喷嘴联通。

4、根据权利要求4所述的超高压水射流爬壁除锈成套设备与工艺，其特征在于：所述的旋转出水轴的前端有圆形内倒角，圆形内倒角外装有垫片，垫片内孔有圆形外倒角与所述的圆形内倒角匹配。

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