200GWC型鋼管外壁除銹機設計

張義勝，肖榮寶，陳金利，侯心愛，魏云怡

(淄博市農業機械研究所，山東 淄博 255086)

鋼鐵材料裸露在空氣中會被腐蝕，這是自然現象，但鋼鐵材料作為應用最廣泛的材料之一，其銹蝕會造成巨大的資源浪費和安全隱患。以用于傳輸的金屬管道為例，其腐蝕常常會引起災難性的后果，如發生爆炸、火災、停產、污染環境等，造成巨大的經濟損失[1]。因此，探究合適的除銹方法和工藝用以指導除銹作業很有必要。現有的除銹方法有化學除銹法、物理除銹法等[2-3]，但無論采用何種方法，都需在防腐前進行除銹，即通過預處理工序將金屬表面的銹層清除干凈，否則將使復合層與基材的結合強度降低，無法達到提高金屬管道耐腐蝕性能的目的[4]。隨著市場對鋼管外壁質量要求的提高，對鋼管在線除銹設備的需求量日益增加[5-6]。針對鋼管外壁銹蝕問題，采用物理除銹工藝，設計了200GWC 型鋼管外壁除銹機。

1 200GWC型鋼管外壁除銹機的設計

1.1 整機結構

除銹機由進料軌道、進料翻轉機構、進料機架、外壁除銹機構、控制室、鋼管輸送機構、出料翻轉機構、出料軌道、出料機架、限位裝置等組成，如圖1所示。

進出料翻轉機構由氣缸支座、氣缸、轉軸、氣缸轉臂、翻轉板、翻轉機架等組成，如圖2所示。

鋼管輸送機構由右滾輪輸入鏈輪、鏈條、減速機鏈輪、右滾輪總成、減速機、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。減速機通過鏈輪傳動帶動右滾輪輪轉動，右滾輪輸出鏈輪帶動左滾輪轉動，如圖3所示。

圖3 鋼管輸送機構示意圖Figure 3 Schematic diagram of the steel pipe conveying mechanism

外壁除銹機構由阻尼器、轉板吊軸、氣缸、機架、電機、滾刷總成、油管、轉板總成等組成，如圖4所示。

圖4 外壁除銹機構示意圖Figure 4 Schematic diagram of external wall deruster

電機、滾刷總成等固定在轉板總成上，兩對轉板總成對稱懸掛在轉板吊軸上，可以沿著轉板吊軸擺動。工作時，氣缸將兩個轉板總成撐開，使兩個轉板總成處于浮動狀態。電機通過兩個等直徑的帶輪傳動，帶動滾刷總成轉動。鋼管一邊軸向移動，一邊旋轉擠壓，通過兩個滾刷總成之間的間隙，實現外壁除銹。阻尼器的作用是使轉板緩慢上升和下落。

滾刷總成由帶輪、轉軸、轉軸支座、轉軸支座固定板、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

需要進料時，控制系統發出指令，進料翻轉機構動作，翻轉板將鋼管從進料機架上翻轉到進料軌道上，通過進料軌道滑送到鋼管輸送機構上。輸送機構的兩個滾輪傾斜安裝在底板上，導致兩個滾輪在同向轉動時，鋼管產生軸向和徑向兩個速度。軸向速度使鋼管向外壁除銹機軸向移動，徑向速度使鋼管徑向轉動。徑向轉動的目的是在通過外壁除銹機時，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，其目的是改變兩個滾輪的安裝角度，以調整鋼管軸向和徑向速度。控制系統也可通過調頻控制鋼管輸送機構電機的轉速，達到調整鋼管軸向和徑向速度的目的。在滾輪的外圓上加工上網狀花紋，以提高鋼管和滾輪摩擦系數，降低滑移程度。鋼管輸送機構的數量由現場安裝位置而定。

在輸送機構作用下，鋼管一邊軸向移動一邊徑向轉動，在向外壁除銹機移動的過程中擠壓兩個鋼絲滾刷之間的間隙，使旋轉的鋼絲滾刷與旋轉的鋼管互相摩擦，達到鋼管外壁除銹的目的。

鋼管外壁除銹完畢后運行到限位裝置，此時控制系統發出指令，讓出料翻轉機構動作，隨后，翻轉板將鋼管翻轉到出料軌道上，通過出料軌道滑送到出料機架上，至此，鋼管外壁除銹工作全部完成。

2 技術參數

鋼管外壁除銹機技術參數見表1。

表1 技術參數Table 1 Technical parameters

3 有關設計計算

3.1 鋼管輸送機構

如圖3所示，輸送機構的兩個滾輪傾斜安裝在底板上，滾輪轉動時使鋼管產生軸向和徑向兩個速度。改變底板上兩個滾輪的安裝角度，可以調整鋼管軸向和徑向速度。

兩個滾輪的中心距設計為220 mm，滾輪的直徑設計為100 mm。

3.1.1 摩擦力矩計算鋼管支撐在滾輪上，滾輪轉動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；r—滾輪半徑，m。

除銹機適應最大鋼管尺寸為120 mm×10 000 mm(直徑×長度)，這里壁厚按10 mm 計算，則G=270 kg，g=9.8 m/s2，μ=0.15[7]，α=45°，半徑r=0.1 m。由式（1）計算得

3.1.2 滾輪、鋼管轉速計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行速度v=0.2 m/s，滾輪轉速為

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

右滾輪輸出鏈輪與左滾輪輸入鏈輪齒數相同，故二滾輪轉速相同。

鋼管轉速為

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

n2=8.53 r/min。

3.1.3 功率計算實際使用中，一根鋼管需要2～3套輸送機構支撐傳送，這里按照二套輸送機構計算，則滾輪轉動需要的功率為

式中:P—電機功率，kW；φ—總傳動效率；取總傳動效率φ=0.95；由式（4）計算得

減速機的輸出轉速為

式中:n3—減速機輸出轉速，r/min；Z1—右滾輪輸入鏈輪齒數，個；Z2—電機鏈輪齒數，個；Z1=11；Z2=13。選用鏈條型號10A 型，節距t=15.88。由于本機構傳遞功率較小，強度滿足需要。由式（5）計算得

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

3.2 外壁除銹機設計計算

如圖4、圖5 所示，電機通過兩個等徑的帶輪傳動，從而帶動滾刷總成轉動，電機轉速即為滾刷總成轉速。鋼絲滾刷直徑設計為250 mm，滾刷轉速設計為1 480 r/min。

3.2.1 摩擦力矩計算滾刷與鋼管緊密接觸，滾刷轉動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、轉板、滾刷等質量，kg；γ—滾刷等偏轉角度，°；滾輪半徑r2=0.125 m，γ=70°，經計算得出G1=97 kg，由式（6）計算得

3.2.2 功率計算滾刷轉動需要的功率為

式中:P1—電機功率，kW；n4—滾刷轉速，r/min。其中，滾刷轉速n4=1 480 r/min，取φ=0.9，則由式（7）計算得

P1=1.05 kW。

選用電機型號Y100L1-4，其功率為2.2 kW，轉速為1 480 r/min。

4 結論

針對鋼管外壁銹蝕問題，設計了200GWC型鋼管外壁除銹機。介紹了除銹機的結構及工作原理，計算了鋼管輸送機結構和外壁除銹機構的運行速度及功率消耗等。本研究是按鋼管最高除銹效率計算的，如需降低除銹效率，則可通過控制系統調整鋼管輸送機構、外壁除銹機構的運行速度，使之與除銹效率相匹配。在生產實踐中，該機具有除銹效率高、結構緊湊、維修方便、操作簡單等優點，為鋼管除銹提供了新型設備。