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
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1、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
2、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HAR
3、BEN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
4、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
5、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
6、。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
7、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
8、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
9、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
10、,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
11、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
12、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
13、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
14、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
15、,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
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