防扭钢丝绳保养系统高压水清洗及浸油装置设计论文-本科论文.doc

济南大学毕业设计1 前 言1.1 选题背景及意义1.1.1 国内外研究现状国内清洗钢丝绳的方法一直是沿用铜丝刷或者钢丝刷，辅助以清洗剂（柴油或汽油）完全用人工来清洗。这种原始方法，不但清洗效率低、工人劳动强度大、污染环境、清洗过程中还存在严重的安全隐患等弊端。清洗一直是工业领域中极不可缺少的一个重要工程项目，而多年来我国的清洗业一直处于化学和手工为主进行清洗的落后状态。化学清洗不但腐蚀性大，对环境造成严重污染，而且成本高、效率低，并危害操作人员的健康。北京科技大学开发总公司高压水射流研究所依靠学校科技人才集中及先进的实验室设备的优势，深入地研究水射流理论，经过十几年的苦心钻研，终于开发出高压水射流清洗机，填补了国内这一领域的空白，为我国工业清洗的现代化及数控化发展做出了巨大贡献。高压水射流清洗技术是近二十年来发展起来的一门新技术，在采矿、冶金、石油、电力、制糖、市政等行业清洗积垢方面得到广泛的应用。发达国家，高压水射流清洗占工业清洗总量的70%80%。在我国起步较晚，但是发展速度很快，而油脂行业高压水射流清洗刚刚起步。在各种清洗作业中，水射流清洗技术较之其它方式因具有明显的诸多优点而受到青睐。国外高压水清洗业非常发达，专业化的高压水清洗装置制造厂和专业化清洗公司很多。如美国的AQUA-DYNE、NLB、FLOW公司、德国的WOMA、URACA、HAMMELMANN公司及英国的HARBEN公司等1。1.1.2 选题的目的及意义随着我国国民经济快速发展，电网的发展非常迅速，为确保这些线路的正常安全运行，每年输电线路损坏导电线需检修更换，大量的线路技改基建工程需施工放线。所使用的数十万米的各种规格的大张力放线用防绕钢丝绳反复使用，大量积污、锈蚀及损伤。根据安全规定要求，为防止钢丝绳断裂造成人员伤害、交通中断、和停电等事故发生。各类施工用钢丝绳每年应定期进行清洗，彻底清除钢丝绳上的结垢、泥土、杂草及附着物而不损伤钢丝绳本体，并在这个基础上对钢丝绳进行热浸油保养。由于清洗介质为水，一般不会产生污染，有利于环境保护；高压水喷头和执行机构可根据架设电网用到的钢丝绳的最大直径而设计，清洗效率高、质量好，设备结构简单，操作方便，安全可靠。另外，在清洗干净钢丝绳后对其进行热浸油可以达到保养的理想效果。热浸油时，钢丝绳在热油中运动可以使热润滑油充分浸入钢丝绳内部，使钢丝绳得到全面保养润滑。目前钢丝绳润滑的几种方式：手工润滑、气动自动润滑器、钢丝绳内部润滑；考虑钢丝绳热浸泡、清洗、热浸油的一次性作业，采用钢丝绳从热浸油箱中运动浸油的方式简单可靠。架设电网的钢丝绳使用环境非常恶劣，由于腐蚀、清洗和润滑不良等问题，达不到规定的使用寿命。因此钢丝绳应定期进行清洗润滑检查，并将检查结果做好记录。良好的清洗润滑不仅可以有效弥补钢丝绳出厂润滑存在的先天不足，而且有利于延长其使用寿命。1.2 设计内容在电网铺设中所用到的钢丝绳，由于使用环境比较恶劣，导致钢丝绳本体上夹杂着杂草、污垢、泥土等垢渍；这极大地缩短了钢丝绳的使用寿命。现在维护钢丝绳的措施一般是直接浸油，这样钢丝绳上的垢渍得不到有效解决，针对这一问题，对钢丝绳的清洗成为浸油前的有效前提。高压水清洗具有清洗效率高，清洗效果好，清洗介质是水对环境无污染，设备结构简单操作方便，安全可靠。经过清洗后浸油的钢丝绳得到很好的维护和保养，对其第二次的使用的安全性得到很大程度上的提高。1.2.1 工作原理经过高温水浸泡过的钢丝绳，从浸泡水池出来进入清洗水箱，穿过多喷嘴合一喷头出清洗箱体；电机带动高压水泵转动从水箱抽水、加压到达喷头实现高压清洗。清洗后的污水经过沉淀泥沙结构流回储水箱，实现循环利用。为清洗前做准备的是对钢丝绳进行高温浸泡，要求浸泡时间为1分钟，由于钢丝绳盘体积大直径达到150cm，如果对其进行整体高温浸泡，占据的浸泡空间比较大，需要的水也比较多，这样既浪费空间又浪费能量，因此不能将钢丝绳盘整体进行浸泡；只有将其从钢丝绳上缠绕下来经过浸泡箱进入清洗箱，因此就要使钢丝绳在浸泡箱内走过的时间大于等于1分钟，这就需要缠绕滑轮组，使钢丝绳在浸泡箱内多走几个来回。钢丝绳在滑轮组上的缠绕方法又是关键的问题。用于高压水射流设备的高压往复泵主要有立式泵和卧式泵。它们具有共同的特点, 随压力变化流量基本保持不变, 技术参数之间的匹配使之能适用于高压、大功率工作场合,需要安全、调压、溢流等。卧式高压往复泵以其运行平稳、拆装方便、便于观察为主要优点而广为应用。虽然它占地面积大,但对高压设备运行可靠性是第一位的。它的传动端与与立式泵基本一致，所不同的是柱塞呈水平布置。另外, 高压水射流设备用泵工况还不同于连续运行的流程泵, 加之随着技术水平的提高, 泵的高速化使其外形尺寸大为减小。动力的提供靠的是电动机，其与高压水泵相连，带动高压水泵工作，来增加水的压力，高压水经过高压软管到达喷头。设计中有如下参数要求： 1）浸泡时间1分钟；2）钢丝绳速度15002000米/小时；3）要求浸泡后采用高压水喷清洗及空气吹干，清洗结构可变范围： 直径15mm90mm；4）热浸油油温控制在100110之间；5）热浸油时间1分钟。1.3 设计方案在钢丝绳的清洗过程中，钢丝绳首先要从钢丝绳盘上放下，进入热浸泡箱体中，为满足浸泡时间在1分钟以上的要求，钢丝绳在浸泡箱中的缠绕行走方式是很重要的，浸泡完进入高压水清洗箱体中在这里通过清洗箱体中的高压喷头喷出的高压水将钢丝绳上的垢渍一并清洗掉，然后走出清洗箱体，进行吹干，进入热浸油的箱体内，水浸泡和热浸油中钢丝绳的缠绕行走方式采用相同的设计思想，箱体采用保温措施。1.3.1 钢丝绳缠绕方案在浸泡箱体内，两根轴是平行的滑轮组在轴上是自由转动的，滑轮上有凹槽且两个轴上的凹槽是相互错开的。可以实现多次缠绕以延长钢丝绳在箱体内的行走时间，满足热浸泡时间1分钟以上，使钢丝绳得到充分浸泡。钢丝绳缠绕轮槽底部直径最小按600mm计算。在清洗前的热水浸泡箱内和清洗后的热油浸泡箱内都采用这种钢丝绳滑轮组的缠绕方式。钢丝绳在滑轮组的缠绕示意图如图1.1。图1.1 钢丝绳缠绕示意图1.3.2 高压水清洗方案对不同直径（15mm90mm）的架设电网用的防扭钢丝绳进行使用后的高压水喷清洗，以实现除去附着在钢丝绳上的各种污垢，为后续的对钢丝绳进行的热浸油的工作做好准备。主要由水箱、三合一喷嘴组合的喷头、电动机、高压水泵（选用的是卧式三柱塞往复泵）、高压胶管等组成。箱体结构简单，清洗箱体和水箱是上下一体的，上面为清洗箱体，下面为过滤箱体，底部为沉淀泥沙和除沙结构以实现水的循环利用。1.3.3 喷头布置方案钢丝绳从热浸泡箱体出来进入清洗箱体后，直接穿过高压水清洗喷头；为了满足对钢丝绳的全面冲刷，设计4个喷头座，呈90分布，为了降低相对喷嘴喷射高压水的压力减弱作用，圆周上的相邻喷嘴的位置相互错开。喷头的布置结构图如图1.2所示。图1.2 喷头布置结构图2 高压水清洗装置的设计计算2.1 动力装置选择2.1.1 水泵的参数确定泵压的大小对清洗效果有着直接影响, 它主要与附着层能否被有效破坏有关。压力小了不能将附着层去掉, 压力大了就可能破坏基体, 而且也使能量损耗加大。因此要根据被清洗附着层及其粘附强度、清洗方式进行综合考虑。对粘弹性附着层(沥青、氯化橡胶、润滑脂) , 因这种附着层性能近似极粘的液体, 所以轻微的加载就会引起不可逆的变形, 并且准静态加载足以使基体与附着层分离。因此清洗时无需多大压力。泵流量选择得恰当与否将影响到清洗速度的快慢, 从而对清洗效率产生影响。因此在选择清洗设备时, 泵的压力与流量的合理选择与匹配是很重要的2。对于只需要清除钢丝绳表面的油泥污垢和轻度浮锈的高压水射流清洗系统中压力和流量的确定,可以参考现在清洗车辆表面油泥污垢用的清洗参数,因为二者的清洗对象都是表面的油泥污垢,而且采用现在的参数洗车时清洗效果良好。现在高压水射流洗车压力一般都在46MPa之间,单个喷嘴的流量一般在1040L/min之间,在此参数范围内,射流压力超过了垢物破坏的门限压力,而且在最佳性价比范围内3。由于钢丝绳清洗还要清洗表面上一些轻度浮锈,可以将系统压力提高到20MPa,单个喷嘴流量选取23L/min。清洗箱体内设计4个喷头座，每个喷头座上3个喷头，因此，每个喷头座的流量计算如下： (2.1)因此，单个系统的流量选取Q=70L/min，压力选取P=20MPa。根据压力和流量这两个参数，查询表3.1选取出高压水泵的型号HDP-404。表3.1 德国Hammelmann GmbH2.1.2 电动机的选择根据选定的高压水泵的压力P泵=20MPa，流量Q泵=70L/min=4.2m3/h，电动机的效率选取=0.7；依据这些数据算得驱动高压水泵的电动机功率如下：查阅机械设计手册根据计算的电动机功率选取电机型号：Y2-225S-4；电动机功率为37KW，满载转速1475r/min5。2.2 高压水管的选择嘴中喷出的实际压力等于高压泵出口压力减去高压水在高压胶管中的压力损失。在以往的清洗过程中,人们往往忽视了对高压胶管的选择,认为在胶管中高压水的压力损失不大,对清洗效果不会产生多大的影响。而事实并非如此,高压胶管管路中的总压力损失hw为沿程损失hf与所有管件局部损失hj之和,即：式中 沿程阻力系数；局部阻力系数；d0管径,mm；l管长,mm；v流体速度,m/s；gn重力加速度,m/s2。为便于应用,可将其变为：由式(2.6)可知，对总压力损失hw影响最大的是胶管直径d0，其次是泵的流量Q泵，然后就是胶管的管长l。当Q泵、l一定时，hw是随d0的5次方变化的；当d0、l一定时,hw是随Q泵的平方变化的；而当d0、Q泵一定时，hw是随l的一次方变化的。hw与胶管内流速v的平方成正比，即流速越大，总压力损失hw越大。然而，在一般机动往复泵设计时由于机组外形尺寸与胶管规格的限制，胶管内的流速往往要取大值。兼顾这两方面的影响，建议一般清洗机的流量在10200 L/min之间，则胶管直径在6 25 mm就可以满足这一流速要求。另外，在满足使用的情况下，胶管总长度尽量压缩，一般不超过30 m，而单根胶管应取较长规格以减少接头数量，单根长度一般应大于5 m，总压力损失范围在5%15%2。根据以上经验值，取Re=16002000求得：选取高压水管的管长l=15m=15000mm，管径d0=20mm；因此，高压胶管管路中的总压力损失：由此，算得的总压力损失值在5%15%之间符合这个经验值范围。2.3 喷头的设计计算2.3.1 喷嘴的尺寸计算1. 喷嘴的直径确定高压清洗机的喷嘴作用是将液体的流动加速形成高速的水流。根据伯努利方程：式中，Z单位重量液体从某一基准面算起所具有的位置势能（简称位能）；p/r单位重量流体对压力为大气压的流体来说所具有的压力势能（简称压能）；v2/2g代表单位重量流体所具有的动能。根据伯努里方程，如图2.1所示，两个断面之间：图2.1 高压水清洗喷嘴示意图为了简化计算, v12/2g为高压管中的动能省略，得：换算成国际单位制后的计算公式为：式中d喷嘴孔径，单位为mm；Q泵的流量，单位为m3/h；n孔数；p1泵的压力，单位为MPa6。根据公式(2.16)计算得出喷嘴的孔径：2. 喷嘴导向段长度确定为减少喷嘴能量损失可从以下几个方面着手：（1）高压水从喷嘴入口处的圆锥段严格按13设计，圆柱段长度为喷嘴直径的2.5倍。（2）喷嘴出口处不得有倒角和圆弧, 避免射流发散, 影响射流流束喷射质量。（3）喷嘴孔水流断面变化不得过大, 拐弯、急流不得过多, 且死角要圆滑过渡。（4）内孔表面要有很高光洁度, 粗糙度选为1.6有条件时按0.4设计与制造7。故计算得出喷嘴圆柱导向段长度：2.3.2 喷嘴的参数计算1. 靶距的确定计算靶距也是高压水射流清洗的一个重要参数。实验表明,无论是附着层的还是基体的破碎量与靶距的关系都有一个最大值，即存在所谓的最佳靶距。最佳靶距就是射流对清洗表面的打击力最大时的靶距；经过测试和数学分析可得出最大打击力Fmax与最佳靶距Lopt有如下关系：因而为了使清洗过程不仅能清除附着层，且不破坏基体，就必须选择一个合适的靶距，靶距不是越大越好，也不是越小越好。当然在高压水射流清洗能力足够大的时候，可以适当加大靶距，那样不仅提高了单位时间的清洗面积，而且增加了作业的安全性2。因此，求得最大打击力和最佳靶距： 2. 高压水射流扩展直径的计算联合式(2.21)、式(2.22),可以确定在最佳靶距(即打击力最大)时的扩展直径计算公式：式中D射流扩展直径mm；k与喷嘴结构有关的试验系数,约为0.20.2358。故可求得高压水射流的扩展直径： 2.3.3 喷头参数选取喷嘴在喷头座上的布置方式，直接影响清洗效果，因而这是整个清洗系统的关键技术部分，喷嘴的布置要根据高压水射流理论，优化水力学参数及喷射集水管设计相关参数，使系统达到最好的清洗效果。影响喷嘴布置的因素主要有3个：一个是喷嘴的入射角，一个是喷嘴的偏转角，还有一个是相邻喷嘴的间距L。如图2.2所示。图2.2 喷嘴布置示意图(1) 作为影响高压水射流清洗钢丝绳效果的因素之一，喷嘴入射角的合理设计十分重要，试验表明，清洗防扭钢丝绳选取入射角在4055之间合适，为了满足清洗钢丝绳的效果需求，选取喷嘴入射角=50。(2) 喷嘴的偏转角对高压水射流清洗钢板效果也有很大的影响, 试验表明保持喷嘴40左右的偏转角十分重要，该角度过小会造成喷嘴相互之间射流干扰，从而降低水射流打击力，过大会使高压水射流近乎竖直打击在钢丝绳上，降低高压水射流的冲刷效果；故选取喷嘴偏转角=40。(3) 喷嘴的间距也是影响高压水射流清洗钢丝绳效果的因素之一。当喷嘴的入射角、偏转角和高压水射流靶距确定后，由于清洗的是钢丝绳表面的灰尘、油泥和轻度浮锈，可以避免高压水射流喷射在钢丝绳上的重叠量；因此，选取相邻的喷嘴的间距L=40mm。2.4喷嘴的布置充分考虑到钢丝绳的全面清洗，根据选取的高压水射流的喷头参数，喷头采用环绕钢丝绳90布置；4个喷头在平行钢丝绳前进的方向上相距40mm，每个喷头上安装3个高压水喷嘴，每一个与喷嘴座用螺纹连接，密封圈密封，以保证良好的密封，降低系统压力和流量损失。为了保证喷头的加工制作方便，喷头由喷头本体、喷嘴座、进水管座3部分组成，这三部分是焊接在一起的。喷头布置的结构如图2.3所示。图2.3 喷头布置结构图1-喷头本体 2-喷嘴座 3-进水管座 4-喷嘴3 钢丝绳的缠绕设计计算3.1 滑轮组的计算布置1. 根据设计要求，浸泡时间1分钟，钢丝绳速度15002000米/小时，清洗结构可变范围：直径15mm90mm；热浸泡的箱体最小按3m的长度设计，缠绕滑轮组的单个滑轮直径最小按槽底直径600mm设计，凹槽直径按变动范围的最大值90mm设计，轮缘按10mm宽度计算；初步选定滑轮组中心距为2200mm。由此，计算出钢丝绳在滑轮组上缠绕一圈的长度：选取最大钢丝绳的速度v=2000m/h=33.3m/min。因此，得出单排滑轮组中滑轮的个数：故取单排滑轮组中滑轮个数为6个。2. 在热浸泡箱体长度方向上，布置两排滑轮组，单排滑轮组由6个滑轮组成，为了满足热浸泡要求，滑轮的材料选用铸铁材料，且滑轮组轴向方向上相互错开距离为55mm，方便钢丝绳在滑轮的凹槽内行走。滑轮组的布置示意图如图3.1所示。图3.1 滑轮组布置示意图3.2 芯轴的尺寸计算钢丝绳在滑轮上行走，滑轮收到钢丝绳的两边拉力的作用，给定的钢丝绳的初拉力为500N，根据公式9：式中，k取1.03，可求得钢丝绳每过一个滑轮的拉力增加量：初步选定芯轴的直径为60mm，滑轮体去掉直径为200mm的4个圆，留下4个辐板；滑轮的结构示意图如图3.2所示.图3.2 滑轮结构示意图由此，可估算单个滑轮的体积为： 则单个滑轮的重力为：根据求合力的公式10：由此，可求得每个滑轮上所受到的合力分别为：根据算得的芯轴所受到的力，绘制的芯轴受力简图如图3.3所示。图3.3 芯轴受力简图根据图3.3，可以分别求得f1、f2： 经过以上分析计算可以判定F4对芯轴产生的弯矩作用最大，因此计算得出M4来设计计算芯轴的最小直径即可。计算得出F4产生的弯矩M4为：芯轴的材料选用45号钢，查表得知许用弯曲应力为55MPa；由于芯轴只受弯矩的作用，故可根据弯曲应力公式10(3.17)求解：因此，可以计算得出芯轴的最小直径：由于芯轴与滑轮之间由轴承连接，故选取芯轴的直径为65mm。4 保养系统辅助装置的选取4.1 电加热器的选取根据设计的箱体的大小可以计算出热浸泡中水的体积：可以计算得出加热时水吸收的热量：加热时间选取1小时，可以求得加热器的功率：将加热器的功率圆整到120kw，设计加热管每根功率为20kw，共6根，均匀布置11在热浸泡箱体内，由于热浸油中油的比热容小于水的一半，故热浸油中布置3根加热管即可满足要求。4.2 吹干喷头的设计在钢丝绳的清洗完进入热浸油之前，需要将其吹干，在设计中采用空气压缩机产生高压气流经过风刀喷口吹干钢丝绳；经过查询资料，选用的空气压缩机的额定排气量L=0.28m3/min，额定压力P=0.7MPa，即可满足对钢丝绳的吹干要求。产生的高压气流经2个分管进入风刀驻室，2个风刀驻室分布在钢丝绳的两侧，考虑到空气压缩机到风刀的管道很短且密封性比较好，因此，在实际应用中高压气流的压力损失是很小的12。两个风刀喷口分布在钢丝绳的两侧且平行于钢丝绳的前进方向（风刀喷口在平行于钢丝绳的前进方向上的长度为200mm），分别对准钢丝绳的上半部分和下半部分。风刀口的分布示意图，如图4.1所示。图4.1 风刀口的分布示意图1-风刀口 2-钢丝绳5 结 论本文着重介绍了在防扭钢丝绳保养方面的设计，在现有钢丝绳保养仅有的浸油的基础上，加上了粗细，热浸泡，精洗，吹干四大改进创新模块，再加上热浸油该保养系统共有这五大模块组成；形成了完整的钢丝绳保养系统。该保养系统中的五大模块呈U字形排布，这种布置方式节省厂房空间，有利于钢丝绳的起吊；粗洗，主要采用固定钢丝刷对钢丝绳进行热浸泡前的初步清刷，去掉部分容易刷掉的污垢；热浸泡的设计重点在于为满足钢丝绳在高温水中的时间能达到一分钟而采用的双排自由转动的滑轮组来增加钢丝绳在热浸泡中的行走路程；按照滑轮槽底最小直径600mm设计要求，通过芯轴的受力的分析计算得出芯轴的直径大小。在精洗模块里，钢丝绳的清洗采用高压水射流技术，这种清洗技术在国内还属于新型技术，该技术的核心问题在于高压喷头的设计上，在本设计中采用的是圆锥直喷喷头，设计中遵循以下四点原则：（1）高压水从喷嘴入口处的圆锥段严格按13设计，圆柱段长度为喷嘴直径的2.5倍；（2）喷嘴出口处不得有倒角和圆弧, 避免射流发散, 影响射流流束喷射质量；（3）喷嘴孔水流断面变化不得过大, 拐弯、急流不得过多, 且死角要圆滑过渡；（4）内孔表面要有很高光洁度, 粗糙度选为1.6有条件时按0.4设计与制造；来满足高效率、高质量的清洗要求。同时，喷嘴的布置设计又是一个重要的关键问题，针对钢丝绳34m/min的运行速度，为保证钢丝绳充分全面的得到清洗，设计出4个喷头在围绕钢丝绳圆周上90布置的方式，且每个喷头在轴向方向上相差一定的距离，使得喷头上的喷嘴呈螺旋状分布在钢丝绳的圆周面上，喷嘴呈一定的角度倾斜地喷向钢丝绳，喷射方向相对于钢丝绳的前进方向。最后，在吹干和热浸油模块中，采用风刀喷头设计，可满足钢丝绳在较长的运动距离上吹干，为钢丝绳热浸油做好充分的准备，为满足热浸油时间一分钟，仍然采用热浸泡中钢丝绳的缠绕方式。本次设计的钢丝绳保养系统属于根据实际需要去研制和改进的一种项目，在实际的使用中根据钢丝绳的保养需求还需要不断的设计改进。毕业设计中，在导师的悉心帮助和指导下，解决了一系列的关键问题，提高了我的分析问题和解决问题的能力，扩宽和深化了学过的知识，掌握了设计的一般程序规范和方法。设计中难免存在不足之处，敬请各位老师指正。参 考 文 献1 曹昊翔, 张正学. 水射流清洗技术应用现状及其前景J. 矿业研究与开发, 2006,76(5):76-802 胡俊伟, 张曦, 冒维鹏. 高压水射流清洗参数的选择J. 煤矿机械, 2000,(8):17-193 武占芳, 刘丽伟, 鲁传林, 刘焱, 刘庭成, 范晓红. 高压水射流清洗钢板系统参数分析与研究J. 冶金设备, 2009(3):60-644 薛胜雄. 大泵-高压清洗机的发展趋势J. 清洗世界, 2008,24(5):28-315 成大先. 机械设计手册M. 北京: 化学工业出版社, 2004.16 王宝护. 高压清洗机喷嘴的计算J. 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