凯发官网地址 可移動式拋丸機的設計實驗及施工運用

[摘要] 拋丸工藝是一種利用丸料對材料表面的高速沖擊進行表面處理的相關工藝。為使拋丸機的工作效 率與工藝更加優化，本研究通過數學分析并經過實驗機驗證調整設計新型的拋丸機。對拋丸機關鍵零部件尺 寸及位置進行優化設計與討論，通過實驗調整拋頭、定向套的位置和角度使拋丸寬幅達到1 000 mm，同時保 證較佳的拋丸效果。
 [關鍵詞] 拋丸機；拋丸器；表面處理；實驗機；拋丸寬幅；拋丸效果 [中圖分類號] TG23 [文獻標識碼] [文章編號]1009-1742

1 前言
拋丸工藝是一種在歐美發達國家廣泛應用的 表面處理方法，是指通過機械的方法把丸料（鋼丸 或砂粒）以很高的速度和一定的角度拋射到工件表 面上，讓丸料沖擊工件表面，然后在機器內部通過 配套吸塵器的氣流清洗作用，將丸料和清理下來的 雜質分別回收，并且使丸料可以再利用的技術 世界上第一臺拋丸設備誕生于100年前的美 國，起初的拋丸工藝主要是應用在各種鋼板表面的 去除雜質、氧化皮、增加表面的粗糙度以及金屬表 面的強化等方面，由于其高效、環保、丸料循環等優 點，20 世紀60 年代，拋丸工藝開始進入到交通工程 建設領域。傳統拋丸設備的工作是固定式的，將拋 丸處理的零件送進一個密閉的空間里進行，主要應 用于各種金屬或非金屬表面去除雜質、氧化皮、增 加粗糙度等方面 [2，3] 。隨著世界上第一臺水平移動 式拋丸設備于20 世紀60 年代在美國佰萊泰克 （BLASTRAC）誕生，其應用領域迅速擴展到混凝土 表面涂裝處理和船舶甲板金屬表面處理上 [4，5] 中國的拋噴丸設備生產始于20世紀50 年代， 主要是仿前蘇聯技術。歷經幾十年的不斷發展，拋 丸機從傳統的固定式發展到現在的移動式，從單一 的一種機械發展到一個領域，從單一的一道生產程 序到整個生產工藝中的一部分。隨著拋噴丸工藝 的廣泛應用，至今世界上已經發展了適應各種不同 工藝要求的拋噴丸設備，具上千種規格品種，但國 內生產的還沒有一種規格的可移動式拋丸機其拋 打區域寬度能達到1 000 mm。國外先進設備廠商 基于其自身的技術保護，還沒有對中國輸入寬幅拋 丸機技術，本項目旨在研制出拋打區域寬度能達到 000mm的可移動式拋丸機，突破國外廠商技術壁 壘，填補國內產品技術。

 2、工程背景
南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝采用復合澆筑 式瀝青混凝土技術，南京重大路橋建設指揮部、南 京林業大學、日本長大公司、山東路橋集團有限公 司、鎮江藍舶工程科技有限公司（簡稱藍舶科技）等 單位成立鋼橋面鋪裝技術研究課題組。藍舶科技 負責對于鋼橋面拋丸施工特別拋丸設備方面，進行 有針對性的研究和嘗試。

 根據項目總體安排部署，鋼橋面拋丸施工時間 確定為2012年6月1日至2012年7月20日；其時為 多雨、高濕、悶熱的梅雨季節。施工周期為50 歷日，有效工作日28天，施工面積70000 以上。為達到以上目標，課題組跟蹤國際環保涂裝界 較新產品，學習借鑒國內外拋丸機設計制造的先進 技術和理念，科學設計、精心制造，在LKP50 LKP700型多功能自回收拋丸機的基礎上研發了 LKP1000型多功能自回收拋丸機。

 拋丸機參數計算及尺寸設計

LKP1000 型 可移動式拋丸機 的設計是公司自主研發的LKP550 型和LKP700 收多功能拋丸機的基礎上實行的，外形結構和部分零部件的結構尺寸仍沿用LKP550型拋丸機的。拋 丸器是拋丸機的核心部件，主要包括分丸輪，帶有一定開口角的定向套和拋頭，其結構尺寸和放置位 置直接影響著拋丸機的拋丸寬度和拋打效果。因 此，拋丸機設計主要是拋丸器結構尺寸和放置位置 的設計。
 3.1 主要參數的確定
 原蘇聯學者阿克肖諾夫在教科書上以及薩威 林博士在《噴彈硬化》上書中提出了拋丸器設計常 用的公式如下

式中，Vr為相對速度，m/s;Ve 為牽連速度（拋丸器出口處拋頭葉輪外徑的切向速度），m/s；V max 為絕對 速度，m/s；ω 為角速度，rad/s；ρ 為計算點直徑（本 設計直接作為拋頭葉輪外徑），m；ρ 為原點直徑（拋頭葉輪內徑），m；θ 為角位移，為拋丸器彈丸自 定向套窗口由起始點（即拋頭葉輪內徑或定向套外 徑）到拋頭葉輪出口的角位移，rad。 實際應用中絕對速度V max 即是拋出速度，與切 向速度的夾角σ= tan -1 1.4 55 ，這也是常用定向套 窗口角度多取54、55的原因，故本設計中，拋丸器 的定向套窗口角度定為55。為方便起見，將定向 套外徑近似看為拋頭葉輪內徑，本設計取定向套外 徑即拋頭葉輪內徑 98mm ，拋頭葉輪外徑 220mm ，拋丸幅寬1 000 mm。根據方向角 tg ，求得彈丸拋出時的速度方向與葉片徑向之間的夾角α= 41.8 ，將參數代入式（4）， 求得彈丸在葉輪中的角位移θ 1）拋丸區域關于拋丸輪中心對稱，如圖1a所示，拋出來的彈丸所形成的扇形流束被分成了兩部分。 這種方式會造成對稱兩拋射帶拋打效果不均勻。 2）拋射扇形流束角對稱，如圖1b 所示，拋打在 區域abcd內與cdef 內的彈丸的拋射角度是相同的， 只是兩個區域的拋丸量不同。 3）拋打量對稱，如圖1c 所示，拋打在區域abcd 內與區域cdef 內的彈丸的拋丸量是相同的，其中 bc=cf，整體來說拋打效果較好。 對于單拋頭拋丸機應該選擇第1 種方案進行 設計，盡量滿足整機結構上的對稱性；對于雙拋頭 拋丸機，則應選擇第3 種方案，保證拋打效果的均 90.4，拋出時的方向角 41.8，定向套外 49mm ，定向套窗口角度為55，拋頭葉輪外 徑為220 m，以拋打量對稱方式設計拋射區域，以及 設計要求的拋打幅寬1 000 mm，因此如圖2 所示 可得兩葉輪的中心距為422 mm，距離地面較小高度 為483 mm。若要保證足夠的拋打寬度，則拋頭到地 面的垂直距離要大于483 mm。

 3.2 電機的選擇
 拋頭轉速的大小決定著彈丸的拋出速度。對 拋丸機而言，其彈丸的拋打速度上般在75 m/min左 右，鑄件表面清理時，其彈丸的拋射速度上般在 70 m/min 左右。同時彈丸的拋射速度可按下式近 似計算

圖1、拋丸區域的3種設計方式

圖2拋頭位置與彈丸軌跡（單位：mm）

根據上述計算結果，在電機功率為15 kW，轉 940r/min，拋頭線速度為75 m/s，小輪轉速 013r/min的條件下，帶輪傳動比為

4實驗分析
根據以上初步確定的參數，設計生產出拋頭 距地面的距離可調的實驗機，可調距離為400～ 520 mm。在此基礎上進行實驗，分析拋頭距離地面 的高度對拋丸寬度和拋打效果的影響，較終確定拋 頭的位置。用設計生產的實驗機來拋打布滿嚴重銹跡的鋼板。

 實驗結果表明，拋頭距地面高度小于440 mm 時，拋丸寬幅不足1 000 mm；大于480 mm時，出現 拋打不均勻現象，兩側拋打效果不明顯；拋頭距地 面高度在440～480 mm時，拋打均勻，且滿足粗糙 度要求。如表1 所示為拋頭距地面高度分別為 440 mm、460 mm、480 mm時，選取的5 個不同區域 測量的粗糙度值。圖4為拋頭距地面高度為440 mm 時的實際拋丸效果圖對比

表1 Elcometer223數字型表面粗糙度測量儀的測量數據

圖4、拋丸效果圖對比

5 研發設備在南京長江第四大橋施工中的運用

 南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝項目中對鋼橋 面打砂除銹的質量標準為：1 級拋丸除銹（GB/T 8923 Sa3級）。 課題組使用試驗樣機通過場內工藝實驗和麒麟 互通實驗橋現場實驗比對，控制磨料的型號、配比， 拋丸機的行走速度，研究滿足設計要求的施工工藝 參數。較終確定南京長江第四大橋拋丸施工磨料采 用全鋼砂（G16），拋丸機行走速度0.7 m/min。 2012 月27日開始LKP1000 型、LKP700 LKP550型多功能自回收拋丸機單機鋼橋面打砂除銹試驗，磨合施工工藝。2012 日藍舶科技以6臺新交付的LKP1000型多功能自回收拋丸機為 主，10臺LKP700和LKP550型多功能自回收拋丸機 為輔正式開始打砂除銹施工，經日本專家鑒定鋼橋面打砂除銹充分滿足1級 拋丸除銹（GB/T 8923 Sa3級）。
 結語
通過數值分析與實驗驗證得到該拋丸機設計 的較佳參數，使拋丸機的拋丸效果較優化。拋丸機 在實際應用中，還需要經過不斷的改進與創新，將 拋丸工藝不斷的優化，使我國的拋丸機的技術水平 躋身于世界前列。 參考文獻 拋丸工藝在公路、橋梁上的應用[J].建設機械 技術與管理，2005（7）：47-49. 用拋丸機去除鋼材表面氧化鐵皮的技術發展[J]. 遼寧冶金，1992（5）：36-41. 高能噴丸表面納米化后表面粗糙度和損傷的研究[D].遼寧：大連交通大學，2006. 水泥混凝土橋面拋丸技術應用研究[J].中外公路， 2009，29（1）：143-146. 拋丸工藝在橋面工程的應用[J].公路，2010 （11）：210-213. 拋丸機中拋丸器的優化設計再議[J].鑄造設備與工 藝，2010（4）：1-6. 新一代水平移動拋丸機[J].鑄造設備 研究，2006（5）：24-25. 8