黃翔宇

（同濟(jì)大學(xué) 機(jī)械與能源工程學(xué)院，上海 200092）

本文將以凈鑫市政管道工程配套有限公司的全防腐涂塑鋼管流水線為研究對(duì)象，通過(guò)設(shè)計(jì)新型輸送鏈、噴粉臺(tái)及對(duì)熱功率再設(shè)計(jì)解決其現(xiàn)存問(wèn)題，滿足生產(chǎn)要求。

1 流水線性能分析

1.1 只能加工定長(zhǎng)6m及DN300以下的鋼管，雖然可以通過(guò)調(diào)整導(dǎo)軌間距及更換擋條進(jìn)行調(diào)整，但最短也只能加工2.5m的短管，且調(diào)整作業(yè)勞動(dòng)強(qiáng)度大，十分不便。

1.2 鋼管兩端與聚四氟乙烯滾輪的接觸面漆層破壞嚴(yán)重，與固化箱鏈條接觸時(shí)還會(huì)造成二次破壞，無(wú)法達(dá)到使用要求［1］。

1.3 固化箱和預(yù)熱箱的升溫效果和保溫效果均不理想，升溫慢降溫快，造成預(yù)熱和固化溫度均達(dá)不到要求，環(huán)氧樹(shù)脂涂層質(zhì)量差。

由于現(xiàn)有全防腐給水涂塑復(fù)合鋼管流水線存在以上問(wèn)題，故亟待改進(jìn)。

2 輸送系統(tǒng)設(shè)計(jì)

原有的輸送鏈為傳統(tǒng)的擋條式輸送鏈，鋼管在擋條的推動(dòng)下向前運(yùn)動(dòng)。這種老式的輸送鏈不僅會(huì)讓鋼管在兩個(gè)相鄰擋條之間來(lái)回運(yùn)動(dòng)，同時(shí)因?yàn)殇摴苤苯咏佑|鏈條，鏈條上的潤(rùn)滑劑油污、高溫碳化的黑色污漬都會(huì)直接附著在鋼管上，在噴涂完成后的輸送過(guò)程中更會(huì)直接破壞接觸到的所有涂層［2］。

本文提出了一種全新的四點(diǎn)支撐輸送鏈。該輸送鏈的內(nèi)鏈板和外鏈板被設(shè)計(jì)為帶有90°的尖齒造型（圖1）。

圖1 新型輸送鏈?zhǔn)疽鈭D

這樣首先就避免了鋼管直接與套筒及滾子的接觸，避免油污的沾染。其次鋼管與鏈條的接觸部分也縮小到只有4個(gè)點(diǎn)，最大限度地保證了涂層的完整。最后這樣的設(shè)計(jì)去除了擋條式輸送鏈對(duì)管道尺寸的限制，不管是多少口徑的管道都可以輕松地做到四點(diǎn)定位并輸送，而無(wú)須增大或者縮小擋條的間距來(lái)對(duì)應(yīng)各種不同口徑的管道。

3 噴粉臺(tái)設(shè)計(jì)

噴粉臺(tái)（見(jiàn)圖2）原來(lái)的設(shè)計(jì)為使用2 組聚四氟乙烯輪作為驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置在鋼管兩端，由兩邊的電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)驅(qū)動(dòng)輪進(jìn)行旋轉(zhuǎn)。鋼管在驅(qū)動(dòng)輪的摩擦力下相應(yīng)轉(zhuǎn)動(dòng)。但在實(shí)際生產(chǎn)中，鋼管的這兩部分恰好是最重要的端口防腐位置。現(xiàn)有的加工方法會(huì)讓噴涂上去的環(huán)氧樹(shù)脂粉末在熔融狀態(tài)下黏附在驅(qū)動(dòng)輪上，只要稍有滾動(dòng)就會(huì)破壞整個(gè)端口的涂層，并為補(bǔ)噴帶來(lái)不便。

圖2 噴粉平臺(tái)結(jié)構(gòu)示意圖

因此，為了能減少支撐驅(qū)動(dòng)部分給涂層造成的影響，本文設(shè)計(jì)了新的噴粉臺(tái)結(jié)構(gòu)。

放棄大面積支撐的聚四氟乙烯輪，而采用2 組帶細(xì)齒的刀輪作為主驅(qū)動(dòng)輪設(shè)置在中間位置。這樣既能保證摩擦系數(shù)，經(jīng)過(guò)試驗(yàn)，最終只會(huì)在管中留下兩條細(xì)細(xì)的跡，經(jīng)過(guò)局部補(bǔ)噴可以保證涂層的完整和使用性能［3-4］。

刀輪下設(shè)置抬升裝置。當(dāng)鋼管進(jìn)給到位后，刀輪抬升，將鋼管垂直托離輸送鏈。在噴涂完成后，刀輪下降，將鋼管平穩(wěn)地放置在輸送鏈上，并立刻對(duì)細(xì)齒刀輪留下的痕跡進(jìn)行補(bǔ)噴。這樣就能使流水線對(duì)圖層的損傷降到最低，最大限度保護(hù)了涂層的完整和使用性能［5］。

4 熱效率設(shè)計(jì)

現(xiàn)有的預(yù)熱烘箱和固化烘箱存在升溫慢，散熱快的問(wèn)題。所以必須評(píng)估熱效率后對(duì)現(xiàn)在烘箱做出調(diào)整。

4.1 預(yù)熱室熱耗量計(jì)算

K—熱損耗量?jī)?chǔ)備系數(shù)，K取1.2

Qh1—預(yù)熱室散熱量（Kcal/h）

Qh2—地面散熱量（Kcal/h）

Qh3—預(yù)熱室內(nèi)與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量（Kcal/h）

Qh4—外部風(fēng)管與熱風(fēng)接觸金屬的吸熱量（Kcal/h）

Qh5—送排風(fēng)系統(tǒng)中巖棉吸熱量（Kcal/h）

Qh6—送排風(fēng)系統(tǒng)中與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量（Kcal/h）

Qh7—工件吸熱量（Kcal/h）

Qh8—預(yù)熱室內(nèi)空氣加熱量（Kcal/h）

Qh9—補(bǔ)充新鮮空氣加熱重量（Kcal/h）

4.1.1 預(yù)熱室散熱量Qh1，

K1—預(yù)熱室保溫層的傳熱系數(shù)（Kcal/m2·h·℃）

F1—預(yù)熱室保溫層的表面積之和（m2）

t1—預(yù)熱室工作溫度（℃），取280℃

t2—環(huán)境溫度（℃），考慮冬季升溫取最低－10℃

Qh1=1/2×0.258×118.5×［280-（-10）］=4 433（Kcal/h）

4.1.2 地面散熱量

K2—地面的傳熱系數(shù)（Kcal/m·h·℃）

F2—地面散熱面積（m2），由于預(yù)熱室不與地面接觸，為0m2

4.1.3 預(yù)熱室內(nèi)與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量

G1—預(yù)熱室內(nèi)金屬的重量（kg）

C1—金屬比熱（Kcal/kg·℃）

t—升溫時(shí)間，0.75h

4.1.4 外部風(fēng)管與熱風(fēng)接觸金屬的吸熱量Qh4

G2—外部風(fēng)管與熱風(fēng)接觸的金屬重量（kg）

Qh4=500×0.115×［280-（-10）］/0.75=22 233（Kcal/h）（8）

4.1.5 送排風(fēng)系統(tǒng)中巖棉吸熱量Qh5

G3—保溫材料的重量（kg）

C2—保溫材料的比熱（kcal/kg·℃）

4.1.6 送排風(fēng)系統(tǒng)中與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量Qh6

G4—送排風(fēng)系統(tǒng)中接觸金屬重量（kg）

4.1.7 工件吸熱量Qh7

G5—工件重量（kg）

4.1.8 預(yù)熱室內(nèi)空氣加熱量Qh8

G6—被加熱的空氣重量（kg）

C3—空氣比熱（kcal/kg·℃）

4.1.9 補(bǔ)充新鮮空氣加熱重量Qh9

G7—每0.5h補(bǔ)充新鮮空氣量kg

4.2 固化室熱耗量計(jì)算

Qh總——固化室總的熱損耗量（Kcal/h）

K——熱損耗量?jī)?chǔ)備系數(shù)， K取1.2

Qh1——固化室散熱量（Kcal/h）

Qh2——地面散熱量（Kcal/h）

Qh3——固化室內(nèi)與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量（Kcal/h）

Qh4——外部風(fēng)管與熱風(fēng)接觸金屬的吸熱量（Kcal/h）

Qh5——送排風(fēng)系統(tǒng)中巖棉吸熱量（Kcal/h）

Qh6——送排風(fēng)系統(tǒng)中與熱風(fēng)接觸的金屬吸熱量（Kcal/h）

Qh7——工件吸熱量（Kcal/h）

Qh8——固化室內(nèi)空氣加熱量（Kcal/h）

Qh9——補(bǔ)充新鮮空氣加熱重量（Kcal/h）

固化室計(jì)算步驟與預(yù)熱室完全一樣，故只給出最后結(jié)論：

4.3 預(yù)熱室循環(huán)風(fēng)量的計(jì)算

式中：Vc—必要循環(huán)風(fēng)量，m3/min

Q—所需熱量，Kcal

γ—空氣的相對(duì)密度，kg/m3

Cv—空氣的體積熱容，Kcal/（m3·℃）

△t—循環(huán)空氣的最高溫和最低溫度的差，℃。

爐內(nèi)循環(huán)次數(shù)的關(guān)系

式中：n—爐內(nèi)循環(huán)次數(shù)，次/min

Vc—循環(huán)風(fēng)量，m3/min

V1—爐內(nèi)容積，m3

4.4 固化室循環(huán)風(fēng)量的計(jì)算

爐內(nèi)循環(huán)次數(shù) n=111/34.4=3.22（次/min）

4.5 循環(huán)風(fēng)機(jī)能力確定

預(yù)熱室內(nèi)容積：41m3；循環(huán)次數(shù)：5 次/min；應(yīng)選用的風(fēng)機(jī)能力：200m3/min，靜壓1 200Pa，功率5.5kW。

固化室內(nèi)容積：34.4m3；循環(huán)次數(shù)：4次/min；應(yīng)選用的風(fēng)機(jī)能力：140m3/h，靜壓800Pa，功率5.5kW。

4.6 加熱裝置確定

預(yù)熱室：電熱管加熱；不銹鋼電熱管：4kW/h 支，309 577（Kcal/h）=360kW/h，360/4=90，共需要90支。固化室：電熱管加熱；不銹鋼電熱管：4kW/h 支，184 172（Kcal/h）=214kW/h，214/4=53.5共需要54支。

上述計(jì)算結(jié)果顯示，沿用原達(dá)不到該要求。原因有兩點(diǎn)：電熱管的功率不足以及缺乏必要的保溫措施。

因此，經(jīng)過(guò)新一輪的設(shè)計(jì)，得出了解決方案：①將原有的預(yù)熱烘箱和固化烘箱各延長(zhǎng)了1/3 以鋪設(shè)新的電熱管；②更換了新的加厚保溫棉；③加裝了前后各兩道保溫簾以阻止熱量散逸。

5 結(jié)語(yǔ)

本文通過(guò)對(duì)原有設(shè)備的分析，通過(guò)對(duì)輸送系統(tǒng)、涂裝系統(tǒng)和加熱系統(tǒng)的研究和計(jì)算，確定了原有流水線存在的問(wèn)題，并提出了新型輸送鏈、刀輪驅(qū)動(dòng)裝置及烘道改造的具體方案。本設(shè)計(jì)提高了涂層質(zhì)量，增大了管道的加工范圍，解決了端口涂層破壞問(wèn)題和粉末回收問(wèn)題，并且節(jié)約了能源，大大提高了生產(chǎn)效率和經(jīng)濟(jì)效益。對(duì)同類(lèi)設(shè)備的進(jìn)一步發(fā)展和改良起到了一定的借鑒作用。

［1］王錫春.涂裝車(chē)間設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2008，4.

［2］濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計(jì)（第七版）.北京：高等教育出版社，2004，5.

［3］張學(xué)敏.涂裝工藝學(xué)（第2 版）.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010，9.

［4］ Devolas Shetty，Richard A.Kolk.Mechatronics System Design.Beijing：China Machine Press，2005，（1）

［5］ 向江脇公雄.埋設(shè)配管の繼手部の防食法について，1980（8）.