自适应钢管外表面除锈装置的研究与设计

摘要：为了满足不同直径钢管的外表面除锈要求，设计出一套自适应钢管外表面除锈装置。由于该装置不 但能实现除锈工作半径与中心高度的同步线性调节，而且还能根据钢管外径变化进行自动调整，因此可减少人工 辅助时问及劳动强度，大幅度提高生产效率。本文由抛丸机生产厂家青岛益合泊朗整理。
关键词：钢管；外表面除锈；自适应除锈装置；除锈工作半径；除锈中心高度；同步可调 中图分类号：ＴＧｌ７４ 文献标志码：Ｂ

一般来说，小直径无缝钢管经过超声波探伤检 测后，其表面会附着一层水分。在南方梅雨季节， 由于空气湿度较大，导致存放的钢管外表面局部产 生浮锈：钢管表面涂层后其表面局部产生凸起剥落 等缺陷，给交货带来影响。

目前，钢管的外表面除锈方式主要有废酸洗处 理〔１〕、磨削抛光处理〔２｜、喷砂处理〔３｜、振动处理〔４｜、 机械刷除处理等。其中，酸洗、磨削抛光、喷砂及 振动处理主要用于钢管外表面严重锈蚀的除锈。资 金投入及使用成本较大：而钢丝刷除锈比较适合去 除钢管外表面浮锈。钢丝刷除锈技术在现有的专利 技术〔５－７〕中可以找到多种方案，虽然有可调节钢丝 刷除锈机〔７〕，但不能以简单方式实现除锈工作半径与中心高度的同步调整功能。 宝山钢铁股份有限公司精密钢管厂于２００８年 投入使用的固定式钢管外表面除锈机，除锈效果较 好，但需要操作人员频繁地更换筒形刷以满足不同 外径钢管的除锈要求．且由于中心高度无法调整导 致其工作范围受到限制。为此，改进设计出一套自 适应钢管外表面除锈装置。本文将对该装置的研究 基础、特点及设计作详细介绍。

１自适应钢管除锈装置的研究基础

自适应钢管外表面除锈装置是在现有的钢管除 锈技术及固定式钢管外表面除锈装置的基础上做出 的改进设计。 固定式钢管外表面除锈装置由安装座、除锈机 本体及皮带传动（电机）等组成，其中除锈机本体结 构如图１所示。机架用于支撑工作轴及其关联零件；工作轴是空心轴，一端与皮带轮以平键联接，另一端的内腔开设有键槽，与套筒或筒形刷联接； 套筒为内柱面开设有键槽的空心圆柱体。用于调整 筒形刷规格；筒形刷是剖分式中空圆柱体结构，其 内柱面以一定排列形式布置于开设的小孔中：压盖 为盘形零件，更换规格时需更改结合面：透盖用于 固定支撑工作轴两端轴承外圈：皮带轮与工作轴连 接，通过皮带传递电机提供的动力及扭矩。
１一机架２一工作轴３一套筒 ４一筒形刷５一压盖６一透盖７一皮带轮
图1、固定式钢管外表面除锈机本体结构示意
固定式钢管外表面除锈机的工作原理是：当钢 管由ｖ形辊道向除锈机工作轴孔输送时，筒形刷 在皮带传动的带动下做回转运动．钢丝刷接触钢管 表面，将其表面的浮锈刷除。 由于不同外径钢管在固定高度Ｖ形辊道上的 中心高度存在差别，导致固定式钢管外表面除锈机 无法适应大范围钢管的外表面除锈工作要求，且对 于小批量多规格合同生产而言．由人工手动频繁调 整筒形刷规格也导致劳动强度及辅助时间增加，生 产效率低。因此，有必要开发设计一种能满足不同 外径钢管外表面除锈要求的自适应除锈装置。

２自适应钢管除锈装置的特点及实现方案

２．１除锈工作半径的连续可调

为了大幅度降低除锈工作的辅助时间，必须将 除锈刷工作半径设计为连续可调。为实现其连续可 调．可采用杠杆机构、螺母丝杆机构、端面螺纹机 构、凸轮弹簧机构等形式来实现。
２．２除锈中心高度的连续可调
为了使Ｖ形辊道上不同外径的钢管能够基本 处于除锈刷的工作中心线上，必须将除锈刷的中心高度设计为连续可调。该动作可以利用升降机构来 实现。
２。３除锈工作半径与中心高度的同步可调
Ｖ形辊道上钢管半径与中心高度的关系如图２ 所示。假设Ｖ形辊夹角为２ｐ，钢管外径为２尺，从 图２中的三角关系可以得出Ｖ形辊道上大小钢管 的中心高度差为ＡＨ＝ＡＲ／ｓｉｎ ｐ，即ＡＲ／ＡＨ＝ｓｉｎ 由于口值为定值，故大小钢管的半径差ＡＲ与中心高度差日成正比。 为了实现除锈工作半径与中心高度的同步调整， 可采用同一调整电机拖动两套调整机构进行调整。
图2、ｖ形辊道上钢管半径与中心高度的关系示意
２．４调整动作与除锈动作的离合切换
为了使整个机体紧凑，除锈机调整与除锈动作 采取同轴设计方式，以气动离合方式进行切换。
２．５钢管高度位置的自动检测

钢管外径决定调整量的大小，故将钢管外径测 量数据作为自适应钢管外表面除锈装置的先决条 件。钢管外径数据可以通过相关的传感器实现，也 可从上道工序的料流信息中自动获取。简单而言， 采用无量化数据的方式比较简单可靠。本设计采用 定性化测量方式．对于钢管外径发生变化时无需采 用精确的测量数据，即可实现除锈机的自动调整。

３自适应钢管外表面除锈装置的设计
自适应钢管外表面除锈装置的结构如图３所 示，其中包括升降底座、除锈机本体、浮锈收集 箱、除锈电机、调整电机及钢管位置检测机构。 ３．１除锈机本体的结构设计
自适应钢管外表面除锈机本体结构如图４所 示，机架是内圆外方铸件；内凸轮轴以轴承支撑于 机架内孔中，一端以平键形式与皮带轮连接，另一 端设有内齿圈；风扇叶片安装在内凸轮轴出口端；
１一升降底座２一除锈机本体３一浮锈收集箱４一位置 检测机构 ５一除锈电机（带传动） ６一调整电机（链传动）
图3、自适应钢管外表面除锈装置结构示意
通过链传动将动作传递给调节轴。调节轴与内凸轮 轴相对转动，带动弹簧钢丝刷沿内凸轮轴渐开线轮 廓槽滑动。实现了钢丝刷工作半径的连续可调。



３．２连续可调钢丝刷的结构设计

采用凸轮弹簧顶杆方式实现除锈工作半径连续 可调。其工作原理是：当装置进入调整工作状态 时，气动拨叉将双联齿轮与内齿圈结合，调整电机 为了实现除锈工作半径与中心高度的同步调 整，将升降机倒装，调整电机置于升降底座的可动 板上。调整电机在带动升降机的同时，通过升降机 另一端的链轮带动除锈机本体调节轴，实现弹簧钢 丝刷工作半径的同步调整。为了实现除锈工作半径 与中心高度均按ＡＲＩＡＨ＝ｓｉｎ ０关系进行调整．设计 中假设内凸轮轴渐开线轮廓线较高点与较低点沿半 径方向的高度差为ｒ，蜗轮蜗杆升降机导程为Ｐ， 那么内凸轮轴与蜗轮轴转速比应满足ｉ＝（Ｐｓｉｎ ｏ）／ｒｏ

３．３除锈中心高度连续调整机构的结构设计

采用蜗轮蜗杆升降机实现除锈中心高度连续可 ６调，升降机由调整电机带动进行上下调整。

３．４除锈工作半径与中心高度的同步可调结构设计 弹簧钢丝刷安装在调节轴开设内孔中，且与内凸轮 轴开设渐开线轮廓槽对应：调节轴一端支撑于内凸 轮轴内孑Ｌ中．另一端支撑于内齿圈轴内孔中；气缸 离合器用于推动双联齿轮实现离合动作；双联齿轮 与调节轴以花键形式连接；内齿圈轴支撑于机架与 调节轴之间。且以平键形式与链轮连接。
１～机架２一内凸轮轴３一皮带轮４一风扇叶片 ５一弹簧钢丝刷６～调节轴７一气动拨叉 ８～双联齿轮９一内齿圈轴１０一链轮
图4、 自适应钢管外表面除锈机本体结构示意
３．５调整动作与除锈动作的切换机构设计

切换机构由３只安装在机架外气缸、与气缸相 连的叉板（三叉板由一环形板连接）及与调节轴花键 连接的双联齿轮组成。 除锈时，双联齿轮在气缸及叉板的作用下与内 凸轮轴结合。同时与内齿圈轴脱开，此时除锈电机 通过皮带传动、内凸轮轴、双联齿轮调节轴带动弹 簧钢丝刷作圆周运动，由于内凸轮轴与调节轴同步 运动，弹簧钢丝刷径向位置不变。 需要调整时，双联齿轮在气缸及叉板的作用下 与内齿圈轴结合，同时与内凸轮轴脱开，此时调整 电机通过链传动同步带动升降机及调节轴转动，由 于除锈电机停止，调节轴带动弹簧钢丝刷沿内凸轮 轴作相对运动，达到调节工作半径的目的。

３．６钢管高度位置自动检测机构设计

为了实现除锈及调整工作的自动化．设计出如 图５所示的位置检测机构。 当钢管外径变大时，钢管端部将处于垂直位置 的摆杆顶开，并带动转轴转动一个角度。此时检测 标志偏离传感器，传感器发讯停止除锈电机及辊道 电机工作后，气动拨叉将调节轴与调整电机传动连 接，然后调整电机（正转）工作，带动升降机上升的 同时将钢丝刷工作半径调大，待“金属枝桠”上升至 钢管上表面较高点并与钢管上表面接触后。摆杆回 摆，检测标志回位，传感器发讯复位，调整电机停 止。切换机构复位，除锈电机及辊道电机运转。 当钢管外径变４ｎｔ．钢管上表面将与“金属枝桠”脱离接触，此时由辊道、钢管、“金属枝桠”、 导线、２４ Ｖ电源、继电器、接触器等组成的回路 断开，接触器另一触点吸合将除锈电机及辊道电机 停止工作后．气动拨叉将调节轴与调整电机传动连 接，然后调整电机（反转）工作，带动升降机下降的 同时将钢丝刷工作半径调小，待“金属枝桠”下降至 钢管上表面较高点并与钢管上表面接触后，回路导 通，接触器复位，调整电机停止，切换机构复位， 除锈电机及辊道电机运转。
１一安装支座２一传感器３一检测标志４一转轴５一滑轮座６一定滑轮７一钢丝绳 ８一摆杆９一非金属接头１０一“金属枝桠”
图５位置检测机构结构示意
４结语

在研究现有固定式钢管外表面除锈机的基础 上，结合生产现场的实际状况及需求设计出的自适 应钢管外表面除锈装置，不但具有除锈工作半径及 中心高度同步线性可调功能，同时还能根据钢管外 径变化进行自行调整，减少人工辅助时间及劳动强 度，可大幅度提高生产效率。该设计已获得国家专 利（专利号：２０１ １２００６９７１４．Ｘ）。

５参考文献
〔１〕梁改莲．钢管除锈新工艺〔Ｊ〕．钢管，１９９２，２１（６）：２６— ２８．
〔２〕王亚军，支左．新型钢管除锈机设计〔Ｊ〕．石油化工设备， ２００２，３１（６）：２５—２６．
〔３〕朱烷秋，刁小燕，刘贤兴，等．钢管内外表面喷砂除锈 半自动生产线设计〔Ｊ〕．石油机械，２００６，３４（２）：２０— ２２．
〔４〕广德春，葛宰林，张迎辉，等．小口径钢管内壁振动除 锈工艺原理及试验分析〔Ｊ〕．大连交通大学学报，２０ １０， ３１』１）：２６－２９．
〔５〕李奇文，荣连泉．钢管外表面在线除锈方法：中国， ２００８１０１５４３５７．ｘ〔Ｐ〕．