200GWC型鋼管外壁除銹機(jī)設(shè)計(jì)

張義勝，肖榮寶，陳金利，侯心愛(ài)，魏云怡

(淄博市農(nóng)業(yè)機(jī)械研究所，山東 淄博 255086)

鋼鐵材料裸露在空氣中會(huì)被腐蝕，這是自然現(xiàn)象，但鋼鐵材料作為應(yīng)用最廣泛的材料之一，其銹蝕會(huì)造成巨大的資源浪費(fèi)和安全隱患。以用于傳輸?shù)慕饘俟艿罏槔?，其腐蝕常常會(huì)引起災(zāi)難性的后果，如發(fā)生爆炸、火災(zāi)、停產(chǎn)、污染環(huán)境等，造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失[1]。因此，探究合適的除銹方法和工藝用以指導(dǎo)除銹作業(yè)很有必要?，F(xiàn)有的除銹方法有化學(xué)除銹法、物理除銹法等[2-3]，但無(wú)論采用何種方法，都需在防腐前進(jìn)行除銹，即通過(guò)預(yù)處理工序?qū)⒔饘俦砻娴匿P層清除干凈，否則將使復(fù)合層與基材的結(jié)合強(qiáng)度降低，無(wú)法達(dá)到提高金屬管道耐腐蝕性能的目的[4]。隨著市場(chǎng)對(duì)鋼管外壁質(zhì)量要求的提高，對(duì)鋼管在線除銹設(shè)備的需求量日益增加[5-6]。針對(duì)鋼管外壁銹蝕問(wèn)題，采用物理除銹工藝，設(shè)計(jì)了200GWC 型鋼管外壁除銹機(jī)。

1 200GWC型鋼管外壁除銹機(jī)的設(shè)計(jì)

1.1 整機(jī)結(jié)構(gòu)

除銹機(jī)由進(jìn)料軌道、進(jìn)料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、進(jìn)料機(jī)架、外壁除銹機(jī)構(gòu)、控制室、鋼管輸送機(jī)構(gòu)、出料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)、出料軌道、出料機(jī)架、限位裝置等組成，如圖1所示。

進(jìn)出料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)由氣缸支座、氣缸、轉(zhuǎn)軸、氣缸轉(zhuǎn)臂、翻轉(zhuǎn)板、翻轉(zhuǎn)機(jī)架等組成，如圖2所示。

鋼管輸送機(jī)構(gòu)由右滾輪輸入鏈輪、鏈條、減速機(jī)鏈輪、右滾輪總成、減速機(jī)、左滾輪總成、右滾輪輸出鏈輪、底板、鏈條B、左滾輪輸入鏈輪等組成。減速機(jī)通過(guò)鏈輪傳動(dòng)帶動(dòng)右滾輪輪轉(zhuǎn)動(dòng)，右滾輪輸出鏈輪帶動(dòng)左滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)，如圖3所示。

圖3 鋼管輸送機(jī)構(gòu)示意圖Figure 3 Schematic diagram of the steel pipe conveying mechanism

外壁除銹機(jī)構(gòu)由阻尼器、轉(zhuǎn)板吊軸、氣缸、機(jī)架、電機(jī)、滾刷總成、油管、轉(zhuǎn)板總成等組成，如圖4所示。

圖4 外壁除銹機(jī)構(gòu)示意圖Figure 4 Schematic diagram of external wall deruster

電機(jī)、滾刷總成等固定在轉(zhuǎn)板總成上，兩對(duì)轉(zhuǎn)板總成對(duì)稱懸掛在轉(zhuǎn)板吊軸上，可以沿著轉(zhuǎn)板吊軸擺動(dòng)。工作時(shí)，氣缸將兩個(gè)轉(zhuǎn)板總成撐開(kāi)，使兩個(gè)轉(zhuǎn)板總成處于浮動(dòng)狀態(tài)。電機(jī)通過(guò)兩個(gè)等直徑的帶輪傳動(dòng)，帶動(dòng)滾刷總成轉(zhuǎn)動(dòng)。鋼管一邊軸向移動(dòng)，一邊旋轉(zhuǎn)擠壓，通過(guò)兩個(gè)滾刷總成之間的間隙，實(shí)現(xiàn)外壁除銹。阻尼器的作用是使轉(zhuǎn)板緩慢上升和下落。

滾刷總成由帶輪、轉(zhuǎn)軸、轉(zhuǎn)軸支座、轉(zhuǎn)軸支座固定板、鋼絲滾刷等組成，如圖5所示。

圖5 滾刷總成示意圖Figure 5 Schematic diagram of the rolling brush assembly

1.2 工作原理

需要進(jìn)料時(shí)，控制系統(tǒng)發(fā)出指令，進(jìn)料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，翻轉(zhuǎn)板將鋼管從進(jìn)料機(jī)架上翻轉(zhuǎn)到進(jìn)料軌道上，通過(guò)進(jìn)料軌道滑送到鋼管輸送機(jī)構(gòu)上。輸送機(jī)構(gòu)的兩個(gè)滾輪傾斜安裝在底板上，導(dǎo)致兩個(gè)滾輪在同向轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，鋼管產(chǎn)生軸向和徑向兩個(gè)速度。軸向速度使鋼管向外壁除銹機(jī)軸向移動(dòng)，徑向速度使鋼管徑向轉(zhuǎn)動(dòng)。徑向轉(zhuǎn)動(dòng)的目的是在通過(guò)外壁除銹機(jī)時(shí)，鋼管四周得到完全除銹。在底板上下兩端，加工了許多安裝孔，其目的是改變兩個(gè)滾輪的安裝角度，以調(diào)整鋼管軸向和徑向速度?？刂葡到y(tǒng)也可通過(guò)調(diào)頻控制鋼管輸送機(jī)構(gòu)電機(jī)的轉(zhuǎn)速，達(dá)到調(diào)整鋼管軸向和徑向速度的目的。在滾輪的外圓上加工上網(wǎng)狀花紋，以提高鋼管和滾輪摩擦系數(shù)，降低滑移程度。鋼管輸送機(jī)構(gòu)的數(shù)量由現(xiàn)場(chǎng)安裝位置而定。

在輸送機(jī)構(gòu)作用下，鋼管一邊軸向移動(dòng)一邊徑向轉(zhuǎn)動(dòng)，在向外壁除銹機(jī)移動(dòng)的過(guò)程中擠壓兩個(gè)鋼絲滾刷之間的間隙，使旋轉(zhuǎn)的鋼絲滾刷與旋轉(zhuǎn)的鋼管互相摩擦，達(dá)到鋼管外壁除銹的目的。

鋼管外壁除銹完畢后運(yùn)行到限位裝置，此時(shí)控制系統(tǒng)發(fā)出指令，讓出料翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)動(dòng)作，隨后，翻轉(zhuǎn)板將鋼管翻轉(zhuǎn)到出料軌道上，通過(guò)出料軌道滑送到出料機(jī)架上，至此，鋼管外壁除銹工作全部完成。

2 技術(shù)參數(shù)

鋼管外壁除銹機(jī)技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表1。

表1 技術(shù)參數(shù)Table 1 Technical parameters

3 有關(guān)設(shè)計(jì)計(jì)算

3.1 鋼管輸送機(jī)構(gòu)

如圖3所示，輸送機(jī)構(gòu)的兩個(gè)滾輪傾斜安裝在底板上，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)使鋼管產(chǎn)生軸向和徑向兩個(gè)速度。改變底板上兩個(gè)滾輪的安裝角度，可以調(diào)整鋼管軸向和徑向速度。

兩個(gè)滾輪的中心距設(shè)計(jì)為220 mm，滾輪的直徑設(shè)計(jì)為100 mm。

3.1.1 摩擦力矩計(jì)算鋼管支撐在滾輪上，滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服的摩擦力矩為

式中:M—鋼管與滾輪的摩擦力矩，N·m；G—鋼管質(zhì)量，kg；g—重力加速度，m/s2；α—鋼管與滾輪的夾角，°；μ—鋼管與滾輪摩擦系數(shù)；r—滾輪半徑，m。

除銹機(jī)適應(yīng)最大鋼管尺寸為120 mm×10 000 mm(直徑×長(zhǎng)度)，這里壁厚按10 mm 計(jì)算，則G=270 kg，g=9.8 m/s2，μ=0.15[7]，α=45°，半徑r=0.1 m。由式（1）計(jì)算得

3.1.2 滾輪、鋼管轉(zhuǎn)速計(jì)算滾輪的徑向線速度為v2，分解為軸向線速度v和徑向線速度v1。滾輪軸向線速度即鋼管運(yùn)行速度v=0.2 m/s，滾輪轉(zhuǎn)速為

式中:n1—滾輪的轉(zhuǎn)速，r/min；β—滾輪總成傾斜安裝角，°；取β=75°，由式（2）計(jì)算得

右滾輪輸出鏈輪與左滾輪輸入鏈輪齒數(shù)相同，故二滾輪轉(zhuǎn)速相同。

鋼管轉(zhuǎn)速為

式中:n2—鋼管的轉(zhuǎn)速，r/min；r1—鋼管半徑，m；取鋼管最大半徑r1=0.06 m，由式（3）計(jì)算得

n2=8.53 r/min。

3.1.3 功率計(jì)算實(shí)際使用中，一根鋼管需要2～3套輸送機(jī)構(gòu)支撐傳送，這里按照二套輸送機(jī)構(gòu)計(jì)算，則滾輪轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率為

式中:P—電機(jī)功率，kW；φ—總傳動(dòng)效率；取總傳動(dòng)效率φ=0.95；由式（4）計(jì)算得

減速機(jī)的輸出轉(zhuǎn)速為

式中:n3—減速機(jī)輸出轉(zhuǎn)速，r/min；Z1—右滾輪輸入鏈輪齒數(shù)，個(gè)；Z2—電機(jī)鏈輪齒數(shù)，個(gè)；Z1=11；Z2=13。選用鏈條型號(hào)10A 型，節(jié)距t=15.88。由于本機(jī)構(gòu)傳遞功率較小，強(qiáng)度滿足需要。由式（5）計(jì)算得

選用BWD-0.37-23 型行星擺線針輪減速機(jī)，電機(jī)功率0.37 kW，減速比i=23，輸入轉(zhuǎn)速1 450 r/min，輸出轉(zhuǎn)速60 r/min。

3.2 外壁除銹機(jī)設(shè)計(jì)計(jì)算

如圖4、圖5 所示，電機(jī)通過(guò)兩個(gè)等徑的帶輪傳動(dòng)，從而帶動(dòng)滾刷總成轉(zhuǎn)動(dòng)，電機(jī)轉(zhuǎn)速即為滾刷總成轉(zhuǎn)速。鋼絲滾刷直徑設(shè)計(jì)為250 mm，滾刷轉(zhuǎn)速設(shè)計(jì)為1 480 r/min。

3.2.1 摩擦力矩計(jì)算滾刷與鋼管緊密接觸，滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)需要克服的摩擦力矩為

式中:M1—鋼管與滾刷的摩擦力矩，N·m；r2—滾刷半徑，m。G1—電機(jī)、轉(zhuǎn)板、滾刷等質(zhì)量，kg；γ—滾刷等偏轉(zhuǎn)角度，°；滾輪半徑r2=0.125 m，γ=70°，經(jīng)計(jì)算得出G1=97 kg，由式（6）計(jì)算得

3.2.2 功率計(jì)算滾刷轉(zhuǎn)動(dòng)需要的功率為

式中:P1—電機(jī)功率，kW；n4—滾刷轉(zhuǎn)速，r/min。其中，滾刷轉(zhuǎn)速n4=1 480 r/min，取φ=0.9，則由式（7）計(jì)算得

P1=1.05 kW。

選用電機(jī)型號(hào)Y100L1-4，其功率為2.2 kW，轉(zhuǎn)速為1 480 r/min。

4 結(jié)論

針對(duì)鋼管外壁銹蝕問(wèn)題，設(shè)計(jì)了200GWC型鋼管外壁除銹機(jī)。介紹了除銹機(jī)的結(jié)構(gòu)及工作原理，計(jì)算了鋼管輸送機(jī)結(jié)構(gòu)和外壁除銹機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度及功率消耗等。本研究是按鋼管最高除銹效率計(jì)算的，如需降低除銹效率，則可通過(guò)控制系統(tǒng)調(diào)整鋼管輸送機(jī)構(gòu)、外壁除銹機(jī)構(gòu)的運(yùn)行速度，使之與除銹效率相匹配。在生產(chǎn)實(shí)踐中，該機(jī)具有除銹效率高、結(jié)構(gòu)緊湊、維修方便、操作簡(jiǎn)單等優(yōu)點(diǎn)，為鋼管除銹提供了新型設(shè)備。