肖玉瑛，王子文，郝超超

(河北聯(lián)合大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，河北唐山063009)

0 引言

油氣道內(nèi)部焊縫處理機(jī)器人研究立足于國內(nèi)所鋪設(shè)油氣管道為400～600mm的石油管道內(nèi)部焊接處的表面處理。其主要的工作機(jī)構(gòu)包括:一，內(nèi)部焊縫打磨機(jī)構(gòu);二，防腐噴涂機(jī)構(gòu);其中為了使得油氣管道內(nèi)部焊縫防腐處理達(dá)到最佳效果，可以在焊縫處噴涂防腐漆，其中防腐漆的噴涂是先在已經(jīng)對(duì)表面處理好的焊縫噴涂底漆，然后噴涂面漆從而達(dá)到從而達(dá)到，如果有必要可以在底漆與面漆的中間環(huán)節(jié)噴涂中間漆。從而大大提高對(duì)處于惡劣環(huán)境下的油氣管道焊縫具有很好的對(duì)環(huán)境腐蝕的抵御能力提高，達(dá)到提高管道使用壽命，延長維修和更換管道間隔的目的。

1 防腐噴涂系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)

1.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

如圖1所示防腐噴涂系統(tǒng)主要由主動(dòng)撥盤，從動(dòng)槽輪組成的簡諧運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)，導(dǎo)通桿壓盤與從動(dòng)槽輪縱向緊固在一起，氣缸下面裝有三個(gè)90°分布的導(dǎo)通桿，彈簧以及調(diào)節(jié)螺母7，釋壓孔9可以在導(dǎo)通桿關(guān)閉壓縮氣出口8后將管道剩余壓縮氣排出管道，從而實(shí)現(xiàn)有效，快速關(guān)閉自動(dòng)噴槍的目的。

圖1 防腐噴涂系統(tǒng)裝配

1.2 工作原理

主動(dòng)撥盤2固定于車架主軸1上，當(dāng)噴涂機(jī)構(gòu)相對(duì)車架轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，主動(dòng)撥盤相對(duì)噴涂機(jī)構(gòu)轉(zhuǎn)動(dòng)，這時(shí)從動(dòng)槽輪1由于未被主動(dòng)撥盤上S1鎖住所以靜止不動(dòng);當(dāng)?shù)灼釃姌屢呀?jīng)對(duì)管道焊縫噴涂完畢后，鎖止弧S1進(jìn)入從動(dòng)槽輪凹槽，鎖緊帶動(dòng)槽輪反向轉(zhuǎn)動(dòng)1/4圈［1］。在從動(dòng)槽輪同軸帶動(dòng)導(dǎo)通桿壓盤，這樣在槽輪機(jī)機(jī)構(gòu)工作時(shí)壓盤對(duì)三個(gè)導(dǎo)通桿工作，而每個(gè)導(dǎo)通桿上有一個(gè)通孔，這樣就實(shí)現(xiàn)了氣缸壓縮氣入口與各出口的通路，而導(dǎo)通桿底端裝有彈簧，可以在導(dǎo)通桿不受壓盤擠壓后恢復(fù)原位，這樣氣缸循環(huán)工作可以依次實(shí)現(xiàn)各管路通斷。而三支縮氣出口分別與各自的油漆桶、自動(dòng)噴槍的導(dǎo)通動(dòng)作空氣入口與霧化空氣入口相通，這樣在實(shí)現(xiàn)連續(xù)噴槍噴涂轉(zhuǎn)動(dòng)也實(shí)現(xiàn)了底漆面漆的依次噴涂。

2 建立數(shù)學(xué)模型

在工作的過程中，需要達(dá)到當(dāng)主軸轉(zhuǎn)動(dòng)一周的時(shí)間與壓縮氣出口導(dǎo)通時(shí)間相同的要求，而且在這個(gè)過程中導(dǎo)通桿不會(huì)出現(xiàn)較大的振動(dòng)，否則會(huì)影響到通道的截面面積，從而影響到氣壓是否足夠以及噴涂的均勻性和穩(wěn)定性。式(1)為槽輪間歇機(jī)構(gòu)中主動(dòng)撥盤ω1和從動(dòng)槽輪角速度ω2關(guān)系式

式中(λ=R1/α，α=β=π/4，θ1=ω1t)，可得ω2與時(shí)間t的關(guān)系式(2)

如圖2所示為導(dǎo)通桿托盤工程圖，已知ω2=ω3(ω2為動(dòng)槽輪角速度ω3為導(dǎo)通桿撥盤角速度)，槽輪轉(zhuǎn)過θ3時(shí)導(dǎo)通孔向下移動(dòng)σh(設(shè)σh≤h)達(dá)到托盤A點(diǎn)，此后，氣壓足夠打開噴槍開關(guān)并且可以提供足夠的防腐漆霧化氣壓，當(dāng)斜坡使得下一個(gè)導(dǎo)通桿壓縮到A點(diǎn)時(shí)，上一個(gè)導(dǎo)通關(guān)閉。此時(shí)導(dǎo)通桿撥盤正好轉(zhuǎn)過θ4=，主動(dòng)撥盤旋轉(zhuǎn)一周，由此建立導(dǎo)通壓桿盤運(yùn)動(dòng)數(shù)學(xué)模型見式(3)。

圖2 托盤工程圖

如圖3是基于Adams對(duì)防腐噴涂系統(tǒng)α=45°進(jìn)行動(dòng)力分析測試得到導(dǎo)通桿part14向下移動(dòng)δh－t坐標(biāo)圖，其與3式δh－θ數(shù)學(xué)模型相互對(duì)應(yīng):當(dāng)主動(dòng)托盤轉(zhuǎn)動(dòng)開始與槽輪鎖緊時(shí)，此時(shí)導(dǎo)通桿位移δh位于O位置;隨著導(dǎo)通桿撥盤轉(zhuǎn)時(shí)，此時(shí)導(dǎo)通孔達(dá)到打開流量要求，part14支路噴槍開始工作;當(dāng)時(shí)，導(dǎo)通桿不再向下移動(dòng)，此時(shí)δh=h，位于B點(diǎn);隨著轉(zhuǎn)動(dòng)，從動(dòng)槽輪不再被主動(dòng)撥盤鎖緊，從而停止轉(zhuǎn)動(dòng)，此時(shí)位于C點(diǎn);而噴涂機(jī)構(gòu)仍然在工作時(shí)，在噴涂機(jī)構(gòu)要轉(zhuǎn)過時(shí)，導(dǎo)通桿撥盤開始?jí)嚎s導(dǎo)通桿part15，并且在A處開始下一個(gè)循環(huán)，上一個(gè)循環(huán)停止。

圖3 導(dǎo)通桿(part14)δh－t坐標(biāo)圖

3 氣壓缸的流體分析

如圖4所示，壓縮空氣從入口A進(jìn)入，B為其中一個(gè)出口，導(dǎo)通桿在向下移動(dòng)的過程中，δh由0→5 mm逐漸變化，這時(shí)壓縮空氣在通過氣缸的過程中存在直管中的沿程損失以及在管道導(dǎo)通孔、管徑變化處以及彎頭彎頭所造成的的局部壓力損失。

由伯努利方程可得

式中ωA，ωB—入口，出口處流速，PA，PA—截面壓力值，∑ΔP—截面A到B的壓力損失，其等于沿程損失和局部壓力損失之和，即∑ΔP=∑ΔΡl+∑ΔΡp。根據(jù)已知設(shè)計(jì)空氣使用量為Q=1L/s，PB≥2×105Pa，根據(jù)連續(xù)性方程可知

圖4 防腐噴涂系統(tǒng)剖面圖

式中SA=2.01×10－4m2，SB=5.02×10－5m2，ρ=1.2388kg/m3，由此可得ωA=4.02m/s，ωB=16.08m/s。

4 結(jié)構(gòu)優(yōu)化

導(dǎo)通桿在向下移動(dòng)的過程中，導(dǎo)通孔由小變大，這時(shí)由于局部壓力損失使得氣泵所提供的壓力發(fā)生變化，所以保持支路出口氣壓的均勻性對(duì)噴涂質(zhì)量的控制很有必要。如圖5是h=4 mm時(shí)，通過Solidworks/ Flow Simulation建立流體壓力云圖，在h由0→5 mm過程中云圖所得數(shù)據(jù)建立壓力變化曲線圖6，由云圖及壓力變化曲線圖可以看到氣流在氣缸的主腔底部發(fā)生流線變形，壓力損失主要發(fā)生在導(dǎo)通桿通孔的出入口處，壓力損失較為明顯由于氣流由管徑較大的主腔進(jìn)入較小管徑的支路時(shí)流速發(fā)生較大變化同時(shí)由于管路中局部設(shè)計(jì)的不合理使得壓力損失增大［2］，同時(shí)h在0→5 mm的過程中損失越來越小，入口A處流體壓力也逐漸減小，使得PA趨于PB。

圖5 δh=4 mm流體壓力云圖

圖6 壓力變化曲線

由伯努利方程求得h在0→5 mm的過程中壓力損失∑ΔP1，在經(jīng)過減小管路內(nèi)表面摩擦系數(shù)，管路內(nèi)腔優(yōu)化，局部銳角改為圓角后結(jié)合Solidworks/Flow Simulation分析后所得壓力損失∑ΔP2可得壓力損失對(duì)照表1

表1 壓力損失對(duì)照

5 結(jié)論

在進(jìn)行防腐噴涂系統(tǒng)設(shè)計(jì)過程中采取建立數(shù)學(xué)模型進(jìn)行系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)分析使得間歇機(jī)構(gòu)更好的滿足設(shè)計(jì)要求，并且利用Solidworks/Flow Simulation對(duì)氣缸通道進(jìn)行流體分析，通過對(duì)流體通過管道的狀態(tài)以及參數(shù)變化找到壓力損失的主要原因，將優(yōu)化前后的數(shù)據(jù)發(fā)現(xiàn):通過流體的優(yōu)化設(shè)計(jì)可以降低壓力損失，使得在導(dǎo)通桿通孔開啟閉合的過程中噴涂氣壓穩(wěn)定性得到加強(qiáng)。

［1］ 朱孝錄.中國工程學(xué)會(huì)，中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典編委會(huì).中國機(jī)械設(shè)計(jì)大典第4卷［M］.南昌:江西科技出版社，2002:1666-1670.

［2］ 《氣動(dòng)工程手冊(cè)》編委會(huì).國防工業(yè)出版社［M］.北京:國防工業(yè)出版社，1995.8