Q69 系列抛丸清理设备清扫提升系统的优化与改进

王瑞国，袁存波，刘旭东，王砾沣，张成勋，李计良，牛玉亮，刘金杯

（山东开泰抛丸机械股份有限公司，山东滨州 256217）

0 前言

Q69 式钢板预处理线是我司生产的抛丸清理设备，常用于钢板、型材的抛丸、喷漆及烘干，抛丸清理是指利用抛丸器将一定粒度的弹丸高速抛射到需要处理的工件表面上，抛出的弹丸形成一定的扇型流束, 直接冲击需要清理的表面，使表面残留物脱落，从而达到表面清理的目的[1]。通过抛丸处理的工件，不但可以去除其表面的锈蚀、氧化皮、铸造后的型砂等，还可以降低工件的内应力，提高其耐腐蚀性、抗疲劳强度以及喷漆表面附着力等[2]。滚刷清扫系统是我公司生产的Q69 式抛丸清理设备的部件[3]，它适合用于钢板、型材表面的磨料清扫，将抛丸之后留存在钢板、型材表面的磨料清扫干净为后续的喷漆和烘干做好准备工作。清扫提升机构有手动调节和自动调节两种方式，手动调节方式为人工操作按钮驱动清扫提升机构的减速机，根据指针位置确定停止和升降；自动升降需在钢板和型材进入抛丸室之前设置测高机构，由测高结构反馈至PLC 系统，由PLC 控制清扫提升机构的升降及停止位置。本次优化与改进主要体现在提升机构动力系统，将之前的摆线减速机加链条传动的方式改进为采用蜗轮丝杆减速机加钢丝绳[4]传动的方式，蜗轮丝杆减速机的使用改善了旧提升机构停止位置不精确的问题，新的方式也降低了整体部件的制作和外购成本。

1 钢板线设备工作原理、组成及技术参数

1.1 设备组成

设备组成包括送进辊道、钢材测宽测高装置、抛丸清理室、丸料清扫室、中间辊道、喷漆室、烘干室、送出辊道、抛丸除尘系统及电气控制系统。

1.2 设备工作原理

将工件放在送进辊道上，并顺序启动输出辊道、板链、中间过渡辊道、抛丸室内辊道、输入辊道；抛丸室前压辊检测开关检测到工件前端；检测工件高度，自动调整吹扫系统高度；抛丸室感应开关计数延时，开启抛丸器供丸闸，对工件进行清理；抛丸室前压辊检测开关检测到工件尾端；抛丸室感应开关计数延时，关闭抛丸器供丸闸；工件离开抛丸清扫系统；喷漆室前压辊检测开关检测到工件前端；喷漆测宽装置开始检测工件[5]；喷枪根据喷漆测宽装置测得的数据而往复运行；喷漆室前压辊检测开关检测到工件尾端；喷漆室感应开关计数，喷枪根据最后一次喷漆位置数据继续喷漆一段时间后停止；喷漆室前压辊检测开关检测到工件尾端；喷漆室感应开关计数，喷枪根据最后一次喷漆位置数据继续喷漆一段时间后停止；工件离开喷漆系统；工件进入烘干室，漆膜被烘干；工件进入输出辊道，行走至下件工位；下件工人吊走工件（工件进入尾端光电开关检测范围，则执行暂停程序），工作流程图如图1 所示。

图1 工作流程图

1.3 技术参数

表1 和表2 分别是辊道系统和抛丸、清扫系统的技术参数。

表1 辊道系统技术参数

表2 抛丸、清扫系统技术参数

2 清扫提升系统工作原理及组成

2.1 清扫提升系统工作原理

本机构主要有滚刷机构、收丸螺旋、高压吹扫机构及驱动系统等部分组成。滚刷机构由滚刷、滚刷罩、导向滚轮等组成，滚刷与工件表面接触将留存在工件（钢板、型材）表面的磨料扫起来；收丸螺旋由螺旋轴、螺旋壳、防护罩、导向滚轮等组成，收丸螺旋负责将滚刷机构扫起来的磨料收集起来并通过螺旋轴及螺旋壳从螺旋壳的两侧预留通道将磨料流入室体底部，通过室体底部的丸料回收系统让磨料继续参与抛丸清理；高压吹扫机构采用高压风机吹风通过可调节的吹管将滚刷清扫之后残留在工件表面的磨料吹掉并落入室体下部的丸料循环系统，高压吹扫和收丸螺旋一起升降，而不是跟滚刷一起，因为滚刷在使用过程中会磨损，因此，它的高度是不确定的。

2.2 清扫提升系统组成

2.2.1 清扫室

清扫室由钢板、型材骨架、室体辊道、底部漏斗及室体顶部的驱动支撑架组成，内部采用5 mm橡胶板防护，室体进出料口设置橡胶密封帘防止磨料及粉尘外溢。

2.2.2 清扫提升装置

清扫装置由滚刷清扫系统、收丸螺旋、高压吹扫装置组成，结构见图2。

图2 清扫提升机构外观图

2.2.2.1 滚刷清扫系统

滚刷清扫系统，采用高强度尼龙滚刷+收丸螺旋的方式进行清理。人工将滚刷清扫系统提前提升至合适位置（滚刷与工件相接触），工件通过清扫室时，滚刷旋转将工件上表面的积丸清扫至收丸螺旋内，收丸螺旋将丸料输送到室内，落入底部螺旋继续参与循环，清扫动作见图3。其中1 为指针，用于观察滚刷的升降高度；2 为滚刷，用于清扫钢板上的磨料；3 为收丸螺旋，用于收集滚刷清扫起来的磨料。关键部件尼龙滚刷具有下述优点：

图3 清扫工作原理图

（1）采用高弹性、∅3mm 的复合尼龙材料，硬度适中、弹性大、耐磨性好。

（2）刷毛装夹牢固，采用专用工装将刷毛冲压成块，工作中无掉刷毛现象。

（3）刷块结构半圆式组合，安装、更换极为方便。

（4）整个尼龙滚刷装好后精车轴头保证了同轴度，动平衡性好，工作平稳。

2.2.2.2 收丸螺旋

收丸螺旋由螺旋轴、螺旋壳及驱动螺旋组成，用于收集滚刷清扫起来的磨料并送回清扫室底部漏斗，让磨料继续参与抛丸循环系统。

2.2.2.3 高压吹扫装置

高压吹丸系统采用高压风机在清扫室内上部布置前后两道吹管而实现两次吹丸，将滚刷遗漏的丸料和浮尘进行二次清理。

3 部件优化及改进项

3.1 改进背景及应用场合

Q69 抛丸机针对钢板抛丸的情况，有一套收丸滚刷和吹扫系统，这一套系统需要根据钢板的不同厚度及时调节其高度。一般国内都是采用大减速比减速机带动两套链轮旋转机构升降来调节高度，这一种结构调节高度位置不精确。随着客户对于自动化抛丸及清扫[6]的需求，这种结构满足不了高端客户要求的调节精度。而且，这种调节结构成本比较高。在此背景下创新设计一种新的Q69滚刷高度调节系统，既能满足客户新的需求也能起到降低成本的作用。

3.2 旧结构调节精度不足分析

3.2.1 机械设计方面

减速比1：289 的情况下，滚刷收丸等升降速度为40～50 mm/s。因减速机采用制动电机，由于惯性存在，很难迅速制动停车，即使0.5 s 内停车，也会产生20～30 mm 的高度差。

3.2.2 电气设计方面

为了进一步降低转速，提高精度，采用变频器降低频率。但是由于变频器存在加减速时间以及电机抱闸制动的不确定性，很难做到10 mm 以内的准确精度。

3.3 新结构设计

由于丝杆具有自锁性质，同时减速比也很大，因此选择丝杆作为驱动滚刷升降的动力机构，同时通过丝杆安装位置和增加防护套措施，增加可靠性；当选择丝杆减速比1∶8，导程7 mm 时，滚刷收丸等升降速度为20 mm/s,而且丝杆和刹车电机都具有制动效果，停车稳定快速，精度可达2 mm以内，定位精度提高10 倍，新设计结构见图4。

图4 动力及传递部件装配图

3.3 新旧机构成本对比分析

以QH6920TK 为依据设计不考虑安装等费用，成本对比如表3 所示。

表3 成本对比

从表格中可以看出，设备在达到控制精度的同时，还将节约成本18532 元。

4 清扫提升蜗轮丝杆减速机选择方法

4.1 功率选择

式中：P 为功率，单位kW；F 为重力，单位N；V 为提升线速度，单位m/s。

举例：QH6935ZP 设备需要提升的重量为2000 kg,转换单位后重力为F=20000 N；提升速度设定为0.02 m/s（需要根据清理速度初选，提升速度要大于最大清理速度，本设备最快清理速度为0.016m/s）；计算功率如下：

考虑效率和安全系数问题，将效率设定为2、安全系数设定为2，那么最终功率为P=FV=0.4×2×2=1.6（kW），取1.5 kW。

4.2 蜗杆行程选择

行程根据工件的高度确定，以中品智能QH6935ZP 为例，工件高度为1000 mm，考虑蜗轮蜗杆减速机的特性将行程增加200 mm 余量，那么此设备蜗杆的行程为1000+200=1200（mm）。

4.3 减速机速比的选择

已知蜗杆的导程为7 mm（可根据样册选择不同的导程），减速机电机为4 极，则电机转速为1450r/min。根据线速度公式：

将已知参数代入反推可求丝杆转速N2=0.02×60÷0.007=171.428（r/min）。

根据以上数据可求得减速机速比如下：i=1450÷171.428=8.45。

4.4 校核减速机转速及线速度

根据公式计算丝杆转速：N2=1450÷8.45=171.59（r/min）。

根据线速度公式计算N3=171.59×0.007÷60=0.02（m/s）。

以上数据满足要求，可根据计算数据选择减速机。

5 结论

作为一种非标产品，我公司已生成、销售该系列产品上百台，受到用户的广泛好评。实践证明,该系统的设计具有以下优点：（1）采用丝杆调节装置，提高了定位精度；（2）简化了调节装置，安装调试方便；（3）设备简单，成本更低。清扫提升机构更改满足客户需求，实现了滚刷的高精度控制；简化了清扫提升机构，降低了原材料成本；通过精简机构，节省了安装和调试费用。