钢结构半封闭空间喷砂用设备

2021-07-17杨锋

电镀与涂饰 2021年12期

杨锋

（南通理工学院，江苏南通 226001）

喷砂是一种常用的表面处理技术，它采用压缩空气为动力，将磨料从喷砂枪内高速喷射到待处理的钢结构表面，有效果好、效率高的优点，但一些狭小的半封闭钢结构空间的喷砂很成问题。如果仅为半封闭空间但不狭小，其喷砂是很容易的，例如船舶的舱室，因为人员可以进入操作，磨料也很容易清除。但狭小的半封闭空间的喷砂就极为困难，一是没有太多回旋余地而施展不开，二是难以清砂。钢结构半封闭空间的形式多种多样，典型的有3种：第一种类似于船用起重机的伸缩臂内壁的箱体结构，第二种是工程机械的小型液压油箱，第三种为钢制管道或者内部形状与之类似的圆形或矩形管状物。

1 钢结构半封闭空间的常规喷砂

在上述3种典型的半封闭钢结构空间中，钢制管道是最常见的，在石油化工、市政建设等工程中有广泛的应用[1]。我国每年因管道腐蚀造成大量的经济损失[2]。故专用于管道内壁的喷砂装置早已得到研究和开发。如图1所示，管道内壁喷砂装置由主体部分、行走机构和喷砂部分所组成。

图1 管道内壁喷砂装置Figure 1 Sketch of a sandblasting equipment for internal walls of pipeline

管道内壁喷砂装置的中心被称为主体结构，它连接其他各个部分。喷砂管从主体结构中间穿过，是输送磨料以及驱动磨料用压缩空气的管道，压缩空气驱动磨料经过喷砂管并从管口喷出。行走机构由滚轮和支撑组成，令装置能在管道内壁行走。喷砂管的最前端有一个锥形头，磨料喷出后会喷射到锥形头上，并通过锥形头向周围散射，从而均匀地打在管道内壁。但这款装置是专门针对钢制管道设计的，它很难作用于非钢制管道的半封闭空间。

对于非钢制管道(类)半封闭钢结构空间，通常需要喷砂与打磨等其他工艺相结合。半封闭空间不是全封闭的，通常都有一个小孔能够让喷砂枪深入其中进行喷砂，难以喷砂的地方主要是反口和侧面，尤其是反口。船舶分段T型钢强肋骨以及一些舾装件、工程机械的液压油箱是较为典型的结构。船舶分段强肋骨的反口喷砂处理难度虽然不大，但这种结构几乎在所有的船舶分段都存在；而液压油箱的数量在钢结构中所占的比重虽不大，但它的反口很难进行有效的喷砂，并且液压油箱的涂装极为重要。相关调查显示，由液压系统所引发的机械故障率达70%～80%[3]，液压油污染是主要原因之一[4]。液压油受到污染的一个重要原因是液压油箱的表面处理和涂装缺陷导致的涂层剥落和锈蚀，虽然液压油本身有防腐的作用，但液压油内混入水分(尤其是在潮湿的作业环境中)就会加速锈蚀[5]。液压油箱本身对涂层厚度的要求不高，一般只涂装一道底漆，膜厚不超过100 μm，但对表面处理和涂装质量要求很高[6]。液压油箱表面处理和涂装的难点主要在于空间狭小、密闭。

对于上述较难喷砂的钢结构反口部位，处理的方法主要是利用反弹磨料进行清理，在这种钢结构中，喷砂枪可对着正前方直接喷砂，而对于喷砂枪侧面的区域，喷砂枪进入小孔后可尽量斜着，让磨料以一定的角度射向钢材；至于反口区域，喷砂枪对着正面喷砂，让喷砂的磨料反弹到反口区域，但此时的动能会有明显的损失。喷砂后磨料的清理常用刷子扫或以吸尘器、电磁铁吸。考虑到磨料的影响，半封闭空间的喷砂应先喷底部，再喷侧面，最后喷顶部。因为喷砂过程中，磨料会在半封闭空间沉积，如果先喷顶部的话，磨料在底部沉积后会影响底部和侧面的喷砂，增加清理磨料的次数，可能还会有很多区域喷砂不合格，就算再用打磨等方式对这些区域进行表面处理，效率和效果都较喷砂差。对于这些反口的区域，需要涂装对表面处理要求比较低的涂料，在造船业比较常用的两种涂料为国际油漆的Intergard 251环氧磷酸锌底漆和Intergard 269环氧连接漆。

在考察过程中，发现有企业尝试过对喷砂枪进行改造，但效果不理想，并且没有找到更好的解决办法，故没有采用。主要办法是把喷砂头做成弯的，这样就能够对侧面和反口进行更好的处理。不同场合下，喷砂头的弯曲程度也可以不同。通过在喷砂枪口设置螺纹，再利用螺纹连接一段有长柄且弯曲的喷砂头(长柄与喷砂头为一体)，根据不同的需要来连接弯曲程度不同的喷砂头。

按实际需要来选择不同规格的喷口和握把，这样就有很多种产品组合，会给企业增加很大的负担。笔者对握把及喷头进行了模块化设计，企业只要买不同长度、不同规格的握把，再选购不同弯度的喷头，通过螺纹连接即可。图2a所示的喷砂头弯度小，用于侧面部分的喷砂；图2b所示的喷砂头弯度大，用于反口部分的喷砂。这种改造的弊端在于对侧面喷涂时，弯度过小就起不到很好的效果，因为即使喷口没有弯度，斜着对侧面进行喷砂也能起到不错的效果，而对反口喷涂时如果弯度过大，喷砂过程中动能的损失就太大，达不到应有的喷砂效果。

图2 对喷砂枪的简单改造Figure 2 Simple transformation of sandblasting gun

针对弯管喷砂头的喷砂动能损失，研究了一种与抛丸器相结合的新型喷砂枪；针对类似伸缩臂结构的半封闭空间的喷砂困难，研究了一种半封闭空间辅助喷砂机器人；针对磨料清理的困难，研究了一种磨料清理装置。以上3项技术全部申报了发明专利，并均进入了实质审查阶段[7-9]。

2 一种带有抛丸头的喷砂枪

为了解决喷砂枪枪口磨料喷出的动能衰减问题，可以在喷砂枪端口位置增加一个类似于抛丸机抛丸头的抛丸装置，图3就是这种装有抛丸装置的喷砂枪。该喷砂枪将喷砂枪与抛丸机的抛头相结合，相当于把抛丸机的抛丸头安装在喷砂枪上。抛丸机的抛丸原理是用电动机带动叶轮体旋转，靠离心力的作用将钢丸抛向工件的表面，抛丸机内部安装有多个抛丸头。喷砂枪下部装有一个小型抛丸头(比抛丸机用的抛丸头小得多)，也可以理解成由抛丸头来代替喷砂头，起到喷砂头的作用。抛丸头由外壳、叶轮、电机等组成，磨料通过握把内部的空心结构被送进抛丸头，输送的过程同喷砂过程一样利用了压缩空气，再通过抛丸头内的叶轮转动，将磨料抛出。磨料同时受到压缩空气的喷射作用以及叶轮的抛射作用，所以这是一种喷砂和抛丸相结合的装置，通过抛丸头的叶轮转动对磨料增添动能来抵消喷砂头弯曲带来的动能损失。

图3 带有抛丸头的喷砂枪Figure 3 Sketch of a sandblasting gun with an impeller head

因为喷口比较朝上，所以方便对反口进行喷砂处理，但也有个弊端，就是如果操作不当，磨料容易打到人身上。故为了安全起见，在握把上安装一块挡板(如图3所示)，用来阻挡磨料。上述喷砂枪在喷砂过程中会产生一定的后坐力。为了抵消或者减少后坐力的影响，可以在下部安装支撑，使用时将支撑顶在钢结构上，就像枪托一样。

3 半封闭空间辅助喷砂机器人

从图4的上部可以看出，伸缩臂内壁上部在完成涂装工作一段时间后出现了锈蚀。出现这种情况有的是因为伸缩臂内壁没有进行有效的涂装，甚至有大面积漏喷，锈蚀部位周围的涂层厚度不达标；有的则是因为伸缩臂内壁没有进行有效的喷砂，导致涂层剥落，这种情况下锈蚀部位周围的涂层厚度通常达标，在箱体内能够看到脱落的涂层。对于因涂装问题造成的锈蚀，笔者之前研究过针对半封闭空间的涂装设备和方法，开发了一款辅助喷涂支架和辅助喷涂机器人[10-11]。于是采用与之类似的方法，制作了一种辅助喷砂支架和辅助喷砂机器人。它们的结构类似，喷砂机器人是在喷涂支架的基础上增加了相应的设备，该组件与管道内壁喷砂装置结合，使之能用于钢结构半封闭空间的喷砂。

图4 伸缩臂副吊臂内壁的涂装缺陷Figure 4 Defect of the coating on internal walls of an auxiliary telescopic jib

首先要对管道内壁喷砂装置进行改造，拆除其行走机构，再将管道内壁喷砂装置与连接杆相连，通过连接杆将管道内壁喷砂装置伸入钢结构的半封闭空间之中，最后打开喷砂泵进行喷砂作业。这种方法对半封闭空间内壁的喷砂非常方便，但其缺点是喷砂时后坐力较大，不容易保持稳定，且时间长了操作人员会感到疲劳，较适用于以石榴石对镀锌件的扫砂，因为此时需要的气压很低，主要是为了在锌层上产生粗糙度。如果是正常的喷砂，就需要使用如图5所示的支架。该支架底座带有4个滚轮用来移动，支架就位后滚轮可以向上收齐，支架上设有2根伸缩杆，伸缩杆可通过插销调节高矮(不需要太过精确)，伸缩杆副杆上有圆环可让连接杆插入。在连接杆后面连一根绳子，喷砂时将连接杆伸入伸缩杆副杆上的圆环中，一边喷砂一边拉动绳子就可以了，操作极为方便。因为喷砂过程中会产生很大的后坐力，所以辅助喷砂支架的底板上需要放置一些重物作为配重，以防止支架在后坐力作用下发生移动。

图5 半封闭空间辅助喷砂支架Figure 5 Sketch of an auxiliary support for sandblasting the semi-closed space

如果要自动化操作，只需如图6所示，加入自动化控制的绞车系统，组成半封闭空间辅助喷砂机器人即可。其原理就是设置一个根据程序自动控制拖动的绞车，绞车由电机驱动，电机由PLC(可编程控制器)自动控制，绞车平台上也连有连接杆，同样可以通过连接杆上的插销调整高度，绞车系统的底盘和支架一样，由4个可以收起的轮子组成。这种机器人系统造价非常便宜，钢结构企业基本都能承受。

图6 半封闭空间辅助喷砂机器人Figure 6 Sketch of an auxiliary robot for sandblasting the semi-closed space

4 半封闭空间的磨料清理

除了钢制管道以外，半封闭空间内的磨料清理是一大问题。液压油箱还好一点，用刷子、电磁铁之类操作的话，工作量并不大。但对于类似于伸缩臂的半封闭箱体空间，因为通常内部会存在很多筋板，磨料会被截留，非常难清理。这正是目前钢结构企业遇到的主要困难。为此，特研究了这款半封闭空间吸砂机器人，如图7所示。目前我国钢结构制造企业所用的磨料基本都是铁质磨料，故可以通过电磁铁来进行磨料的清理。

图7 半封闭空间吸砂用设备Figure 7 Sketch of a sand collecting equipment for semi-enclosed space

该机器人的核心部件是中间的箱体，箱体上方设有一个开口，开口内设置带有一定倾斜的滑道，滑道末端与一收集桶相连，磨料进入滑道后沿着它滑落至收集桶内。箱体通过一套能够上下、前后伸缩的伸缩杆固定于带有滚轮的底座上，通过调节底座和伸缩杆来将箱体伸入半封闭空间内。箱体的前端装有一个能够360°旋转的曲柄，电磁铁安装在曲柄顶端，电磁铁与曲柄的连接部位可设置伸缩杆，一边能够伸到半封闭空间的任意位置，这一过程可通过测距仪或程序编写来控制。电磁铁在360°沿箱体旋转的过程中吸附磨料，电磁铁除了位于正上方时之外全程通电，位于正上方时电磁铁断电而失去磁性，磨料脱落后掉进滑道。操作时需要注意不要让曲柄打到筋板上，同时确保曲柄在伸缩杆收缩后能通过筋板。