張義勝,肖榮寶,陳金利,侯心愛,魏云怡
(淄博市農(nóng)業(yè)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(xiàn)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?shù)慕饘俟艿罏槔?,其腐蝕常常會引起災難性的后果,如發(fā)生爆炸、火災、停產(chǎn)、污染環(huán)境等,造成巨大的經(jīng)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(yè)很有必要?,F(xiàn)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?qū)⒔饘俦砻娴匿P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(zhì)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。
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(tài)。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(xiàn)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
需要進料時,控制系統(tǒng)發(fā)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(chǎn)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(diào)整鋼管軸向和徑向速度??刂葡到y(tǒng)也可通過調(diào)頻控制鋼管輸送機構電機的轉速,達到調(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。鋼管輸送機構的數(shù)量由現(xiàn)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(tǒng)發(fā)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。
鋼管外壁除銹機技術參數(shù)見表1。
表1 技術參數(shù)Table 1 Technical parameters
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(chǎn)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(diào)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(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(shù)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(shù),個;Z2—電機鏈輪齒數(shù),個;Z1=11;Z2=13。選用鏈條型號10A 型,節(jié)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。
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(zhì)量,kg;γ—滾刷等偏轉角度,°;滾輪半徑r2=0.125 m,γ=70°,經(jīng)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。
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(tǒng)調(diào)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(chǎn)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(yōu)點,為鋼管除銹提供了新型設備。