凯发官网地址 拋丸器主軸系統的設計和研究

摘要： 拋丸機 是一種表面處理設備，它是通過拋丸器葉片的高速轉動將彈丸拋出， 擊打在工件表面，來達到金屬或者非金屬表面清理強化的效果。拋丸機可一次性 完成表面清理、落料分離、彈丸回收、凈化除塵，與其他表面清理設備相比，它 不僅方便、高效，而且清理成本也較低。 目前，國內的拋丸機與國外相比，功能上的差距越來越小，但使用壽命相對 較短。拋丸器作為拋丸機的核心部件，其主軸系統理論研究還不成熟，在主軸配 合結構、振動控制方面還存在一些問題。本文針對公司生產的拋丸器主軸系統存 在的問題，在對拋丸清理設備發展狀況全面了解的基礎上，結合公司現有產品， 利用ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ三維建模軟件和ＡＮＳＹＳ有限元分析軟件等現代設計工 具，對拋丸 器主軸系統進行了結構改進與深入的仿真分析。論文主要研究內容有以下幾個方 （１）結合拋丸機的工作機理和結構特點，利用三維軟件ｓｏｌｉｄｗｏｒｋｓ建立拋丸機的整機模型，并進行虛擬裝配；針對某公司拋丸器存在的問題，對拋丸器主軸 系統進行設計。 （２）對主軸結構進行理論設計與計算，得出各軸段的軸徑尺寸，建立新主 軸實體模型；簡化主軸模型細節特征，在有限元分析軟件中建立主軸有限元模型； 以實際拋丸器工作狀態下主軸所受載荷為基礎，利用ＡＮＳＹＳ ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ對主軸 進行靜力結構分析，得到主軸在工作狀態下的等效應力和變形。 （３）分析主軸系統的熱源分布情況，對電動機、軸承的發熱量以及主軸系 統的傳熱機制等問題研究；對主軸系統進行熱一結構耦合分析，得到主軸系統在 工作狀態下的位移變化情況；通過分析結果驗證設計結構的合理性。 （４）對主軸進行模態分析，得到主軸在約束狀態下的前六階固有頻率和振 型，利用分析結果對拋丸器主軸系統產生振動的原因進行分析，提出降低振動的 措施，并通過分析驗證改進措施的合理性。
關鍵詞：拋丸器靜力分析穩態溫度場熱變形模態分析 萬方數據 拋丸器主軸系統的設計與研究

１緒論
１．１拋丸清理概述
許多金屬設備在使用過程中，由于長期暴漏在大氣中，所以會產生腐蝕現象， 會不同程度的產生鐵銹。根據不完全統計顯示，我國每年為材料銹蝕所花費的直 接開銷已經達到２０００億元以上，如果考慮到由于銹蝕而產生的間接花銷，可達 ５０００億元以上，這一數字是我國國民生產總值的５％，而其他發達國家的這一數 字約在３％左右，遠小于我國在這一塊的花費。但考慮到全世界梅縣的銹蝕損失 依然是一個龐大的數字，約占每年鋼鐵產量的１／５，對于世界范圍內的工業發展， 產生了嚴重的負面影響。在工業生產中，產品的在加工過程中包括鑄件、焊件等 表面的粘砂、銹蝕層和焊渣等清理問題是工業生產中重要的一環。對于這些問題 的處理程度的好壞，會影響到生產的工件的表面質量，腐蝕浪費情況以及對環境。 以前對工件的處理方法主要有化學酸洗、砂輪機打磨或手工打磨等，這些方法費 時、費力，環保性差【ｌ】。 表面清理工藝是指用清理設備使被清理工件表面的粗糙度、光潔度達到一定 的加工要求的工藝方法，主要處理方法包括對工件表面進行落砂、除銹、拋光等 根據表面清理方式的不同，可以把表面清理機械分為干式清理和濕式兩種。濕式 清理工作條件比較潮濕，很難使工件表面達到要求的粗糙度和清潔度ｉ而且使用 成本較高，對環境污染也比較嚴重，現在只有在一些特定的場合才會使用濕式清 理；干式清理分為：拋丸清理和噴丸清理，其中拋丸清理是依靠高速旋轉的葉片 將彈丸高度甩出，拋打到工件表面完成清理工作：噴丸清理是依靠壓縮的空氣， 用高速氣流噴射彈丸，使其得到一定的動能，來完成對工件表面的處理工作【２】。 拋丸清理是一種遠距離投射的非接觸式清理，所以被清理工件的外形并不會 影響其清理效果【３Ｊ。拋丸器拋出的彈丸速度較高可達８０ｍ／ｓ，拋丸機上的拋頭的拋 丸量根據功率的不同從３００ｋｇ／ｍｉｎ到ｌ ｌＯＯｋｇ／ｍｉｎ不等；其分離器的分離率一般在 ９９．５％以上【４】。相比噴丸清理方法，拋丸清理可一次性完成表面清理、落料分離、 彈丸回收、凈化除塵等工序，而且清理成本較低，發展空間更大。現己得到廣泛 的應用。拋丸清理的主要有以下特點： 拋丸清理技術跟其它清理技術相比具有下述特點：
（１）拋丸清理能夠達到高效的落砂清理效果，而且清理落下的砂子可以利 用分離器將彈丸與砂子分離，回收利用，降低了人力資源浪費，提高了勞動生產
（２）拋丸機對被清理工件的溫度要求較低，不會因為工件溫度過高或急劇變化，而影響清理效率。
（３）清理工作不需要靠壓縮空氣使彈丸獲得速度，所以不需要安裝價格昂 貴的空氣壓縮機，工作時不會像噴丸清理那樣生成水分，可以持續保持高質量的 表面清理工作。
（４）對于噴砂處理只能達到工件表面清理的效果，而拋丸清理在高速鋼丸 作用下，現在已經用于金屬表面的強化處理等領域。
（５）拋丸清理工作對拋丸器內部零部件的磨損比較嚴重，需要及時更換磨 損失效的部件。
１．２拋丸機國內外發展歷程與研究狀況
１．２．１拋丸機發展歷程
１個世紀前德國制造出了第一臺拋丸清理設備，主要用于鑄造件的落砂和鋼 結構件在涂裝前的清理工作，在完成清理工作后，雜質和磨料要單獨分離，工作 效率比較低。從２０世紀５０年代中期開始。技術人員開始將拋丸器和分離器設備 按照一定設計方案組裝在一起，使拋丸機可以同時完成表面清理、丸料分離，節 省了人力、物力，提高了使用效率【鋪】。１９５８年美國潘邦（ｐａｎｇｂｏｎ）公司在賓夕法 尼亞工程首先使用拋丸落砂滾筒創立了新工藝。在接下來的幾年內，這項新的技術在歐、美、日等地得到普及。 拋丸機較先發明的是固定式拋丸器，主要應用于機械工廠中，各類零件的表面處 理。這類固定式拋丸機，經過多年發展，生產和使用水平已經非常成熟。固定式 拋丸機的類型多種多樣，考慮清理工作對環境的影響，在原拋丸機的結構的基礎 上裝配了除塵設備，改進后的拋丸機結構可以實現無塵作業。 美國ＢＬＡＳＴＲＡＣ公司發明了較早的移動式拋丸機，使拋丸機的應 用范圍從室內作業，發展到了戶外作業，主要應用于各種船舶的甲板在涂裝前的 除銹清理工作，隨著移動式拋丸機的方便高效，使船舶行業的許多表面處理的標 準和處理方法重新制定。

隨著拋丸機應用行業的需要，又相繼出現了懸鏈式拋丸機、吊鉤自轉式拋丸 機。其中懸鏈式采用“步進”式輸送工件，可以使工件清理的裝卸都在一個地方， 使工人操作更簡便，提高了工作效率。吊鉤自轉式拋丸機可以根據被清理工件的 外形，有側重點的進行拋丸清理，因為該類設備的吊鉤在工作時可實現正反轉， 而且旋轉的速度，也可以調節。經過多年來的研究改進，拋丸清理技術不斷提高， 其應用領域也不再局限在各種重工業機械行業。目前為止，世界上拋丸機技術較 先進的國家主要有德國、美國、日本、法國等，他們也是在鑄件、壓鑄件、鍛件 的表面清理、Ｈ型鋼、線材及各種鋼材的清理運用較廣的國家【７１。

２０世紀６０年代，拋丸機引進國內，初期我國在拋丸機的制造和維修等技術 問題上遠遠落后于西方國家，當時拋丸機只是應用于為數不多的幾種機械表面清理工作中，而在船舶、橋梁、路面行業等，拋丸機的應用很少。從２０世紀８０年 代，我國開始廣泛推廣拋丸清理機械，拋丸機的制造技術也得到了很大的提高目 前在國內，拋丸機械設備技術和規模比較大的公司有巨環拋丸機鑄造有限公司、 開泰拋丸機械公司、宏盛集團，另外還有許多高等院校也在對拋丸技術進研究。 如：山東大學、吉林大學、濟南大學等〔８－９１。

１．２．２拋丸清理技術的研究狀況
（１）拋丸器耐磨材料的研究 在拋丸機功能多樣化，應用領域廣泛化的同時，拋丸機工作原理的理論研究 也沒有停止，拋丸器內彈丸的加速運動過程，很多人對此進行作了很多的研究， 并有了一定的進步，但是對于拋丸器工作時葉片的磨損的情況，不能給出很好的 解釋。１９５６年，蘇聯科學家薩維林較先提出了薩維林“碰撞”理論，來解釋彈丸 運動原理。后來國內山東大學于茂旺教授又提出了“多次碰撞”的理論，在薩維 林碰撞理論的基礎上，做了拓展。在拋丸機工作時，彈丸的清理過程非常復雜， 屬于非線性問題，找不到合適的公式來準確的計算出清理過程，現在常用分析拋 丸清理工件的理論研究方法是數值模擬法。德國科學家Ｓ．Ａ．Ｍｅｇｕｉｄ利用數值模擬 法，建立了拋丸運動的模型，通過數值模擬的方法來表示出實際拋丸清理過程【ｌｏ】。

隨著計算機技術的發展，一些大型運動學分析軟件不斷出現，我國利用這些 分析軟件在拋丸清理的運動學研究領域也有了很大進步。吉林大學的張丹教授利 用運動學分析軟件ＡＤＡＭＳ對拋丸器清理過程，對彈丸的運動情況作了仿真分析。

在分析過程中考慮了彈丸的自重，葉片的摩擦力，空氣的阻力等因素運動過程的 影響，利用ＡＤＡＭＳ分析磨料在被拋射出時運動軌跡、拋射速度、空氣阻力、葉 片摩擦力等因素的變化，對拋丸器清理時彈丸的運動理論研究具有一定的參考價 值。濟南機械研究所的王守仁研究了耐磨件葉片的微觀組織結構，并通過合理的 加工工藝制造出硬度達到６４．２的高耐磨葉片，對于提高葉片的使用壽命具有重要 意義，也為葉片的熱處理和材料選擇方面提供了理論依據【ｌｌ＿１２】，圖ｌ－４為山東某 公司生產的幾種耐磨材料。

（ａ護板） （ｂ定向套）（ｃ葉片）

圖１-４國產拋丸囂內的幾種耐磨件

在企業生產加工時，如直連拋丸器轉速３０００ｒ／ｍｉｎ，較大輸出功率２０ＫＷ，軸 承選擇２３１５調心滾子軸承。拋丸器主軸系統的結合盤和電機主軸聯接，這種結 構受拋丸器主軸系統的穩定性影響較大，由于葉輪的動平衡問題、主軸的裝配精 度、葉片的耐磨性都會引起主軸的振動，影響主軸系統工作的穩定性【怫１４】。企業 工程師孫永豪等人利用公司的實際生產和實驗室測試的數據進行對比，影響直連 拋丸器主軸系統使用壽命的還包括軸承潤滑脂的添加量、潤滑脂粘度等；直連拋 丸器主軸系統對密封的要求比較高，由于機械振動原因引起軸承端蓋的密封效果 變差，使主軸系統中進入灰塵，造成潤滑脂潤滑效果變差。一些公司提出改進措施主要通過對拋丸器和電機連接的主軸進行改進，使易損件更方便，不至于使主 軸產生劇烈的振動而影響到主軸系統的壽命，此方法對于直連式拋丸器的使用壽 命具有一定的提高【１５．１６１。

針對拋丸器葉片的使用壽命的研究是拋丸器耐磨材料研究的重要內容，蘇聯 專家發明了前曲葉片，前曲葉片的所受正壓力比普通直葉片要低，所以受用壽命 相比較高，為了進一步了解前曲葉片的受力情況，一些人運用仿真分析對前曲葉 片進行受力分析，通過分析結果可以看出，前曲葉片所受正應力低于直葉片，但 前曲葉片中存在應力集中點，并且葉片邊緣所受正壓力較大，所以對于拋丸器葉 片的使用壽命要綜合考慮葉片材料的耐磨性和葉片的形狀ｆ１７－－８】。
（２）拋丸機結構的研究
拋丸清理設備的應用范圍較初的是鑄件落砂處理。隨著技術的發展，目前拋 丸清理設備可以用于鋁合金、銅合金等材料表面的特殊加工，不僅能夠去除工件 表面落砂、氧化層，還可以在工件加工完成前，作為質量檢查前必要的工序。在 鋼鐵生產中，現在利用拋丸技術，發明了一種叫拋丸酸洗的工序，該工序用于鋼 件的退火熱處理之后，是一種物理和化學結合的加工方法，該方法不僅能夠提高 鋼鐵的生產率，而且也是目前國內第一次發明去除磷皮的方法。對于一些對外觀 要求較高的工件表面，拋丸處理還具有一定的裝飾加工效果。同時還能對所加工 表面進行一定的強化處理，可以起到增加被加工表面可靠度的作用〔１９１。 在一些國家，拋丸機己被用于一些特殊結構件的金屬強化處理中。其金屬強 化的基本原理是通過磨料的高速擊打增加結構件表面的密度，實現工件表面的相 變硬化的目的。目前，汽車行業、航空行業等對零件的可靠性要求不斷加強。對 零部件的抗壓強度和疲勞強度要求更高，可以利用拋丸方法對這些零部件進行強 化處理。主要針對零件強化的方向為抵抗損壞的能力和的抗疲勞破壞的能力。例 如：在汽車的彈簧加工中，其抗疲勞破壞的能力，在拋丸處理后可以提高數倍甚 至數十倍，極大提高了其使用壽命。目前世界汽車中的減震板簧，需要承受很大 的負荷，一般都采取拋丸強化，來提高疲勞強度〔２０－２２〕。 根據企業實習了解到，拋丸清理機的制造可以根據客戶的具體需求，自行設 計其結構外形。主要因為拋丸機的幾個重要部件：拋丸器、分離器、除塵器各自 的結構比較固定，裝配過程也相對獨立，拋丸機的外形不會影響各自的結構和功 能。在拋丸機的整體鈑金結構加工完成以后，根據需要，設計好拋頭等的安裝位 置，然后直接將這些獨立的裝配體組合起來，就完成了拋丸機的整機加工，實現 快捷、高效的制造。目前比較常見的拋丸機結構有翻滾式拋丸機、吊鉤式拋丸機、輥道式拋丸機、履帶式拋丸機、懸鏈式拋丸機等【２３ｌ，如圖１．５。我國拋丸機械制 造行業雖然已有長足提高，但和國外發達國家相比，國產拋丸機使用壽命遠遠低 于進口產品，所以我國的拋丸機研究應重點方在設備的使用的可靠性上。

（ａ輥道式拋丸機） （ｂ吊鉤式拋丸機）
圖１．５國內自主設計的拋丸機

 （３）主軸系統的研究狀況
拋丸器主軸是拋丸器加工設備的主要部件，主軸根據傳動的結構不同又分為 皮帶式主軸、齒輪式主軸、直連式主軸、電主軸。懸臂式拋丸器主軸系統使用是皮帶式主軸。隨著主軸的制造精度的提高和工作環境的要求，主軸單元特性的研 究對于提高主軸的研究水平顯得尤為重要。目前沒有針對拋丸器主軸的系統特性 研究，這里借鑒國內外其他設備的主軸的研究狀況【２４】。 隨著主軸的制造精度的提高和工作環境的要求，主軸單元特性的研究對于提 高主軸的研究水平顯得尤為重要。１９２０年以后，人們開始對主軸的靜、動態特性 及熱態特性進行研究。主要研究方向有主軸的強度、剛度、固有頻率、臨界轉速 和主軸的受熱變形等方面。主要研究方法主要是利用數學的理論解法，但這些方 法的求解過程比較繁瑣，實用性較低。近些年，隨著計算機性能的提高，許多高級仿真分析也越來越多，功能和精確度也越來越高，很大程度促進了主軸的特性 分析的研究進展〔２５－２７〕。

在國外，例如：Ｔ．ｊｉａｎｇ較先使用了數學模型來模擬機床主軸結構配合形式， 然后利用對模型的分析，借助有限元分析方法，完成了機床主軸有限元模型的建 立，并對模型個軸段的尺寸、位置進行了結構優化〔２９－２９〕；１９７３年，Ｍ．薩拉利用有限元原理，建立主軸有限元模型，完成了機床主軸動態特性分析和計算，包括 模態分析，諧響應分析等；１９９６年，美國普渡大學的Ｒｏｂｅｒｔ．ｊｏｒｇｅｎｓｅｎ，根據五自 由度的車床產生熱變形位移情況，結合主軸的動態模型，根據主軸軸承剛度進行熱-結構耦合分析，在溫度和載荷作用下得到主軸的較大位移量，通過對計算結果 的分析，得出主軸結構設計是否滿足設備的極限工作條件下的需要。２００１年，伯 爾尼和Ｊａｙ．Ｆ教授利用三維軟件配合有限元分析軟件建立了能量流模型，分析了 主軸的發熱情況，和在溫度影響下的微量變形情況〔３０－３２〕。 在國內，很多研究機構也開始了主軸相關技術的研究。湖南大學黃幼玲教授 根據ＡＮＳＹＳ軟件對鉆床主軸的在載荷的作用下其變形情況，利用ＡＰＤＬ建立了 鉆床主軸的有限元模型，以在保證強度剛度的情況下，減少主軸的用材，使結構 更合理為目的。大連理工大學的崔勇俊對機床主軸進行動態分析，計算得到主軸 的固有頻率的振型，又根據計算結果得到了主軸的剛度。東南大學機械工程學院， 利用ＡＮＳＹＳ對機床的整機進行了靜、動態分析，分析得到了機床在靜載荷和振動 的影響下，對其加工精度的影響【３３１。
１．３課題研究的提出及意義
１．３．１課題的提出
隨著國內外制造行業的發展，拋丸清理技術己從單獨的鑄件表面清理發展到 金屬表面的主要工藝方法之一，躋身于金屬表面加工技術行列，并具有其他加工 技術所沒有功能特點，近年來，拋丸清理工藝不僅用于鑄造業，而且還廣泛應用 于公路路面、船舶、鋼鐵冶煉業、鐵路機車、汽車的車身、飛機機翼、建筑機械 等，而且我們生活中的暖氣片、鋁合金、門框等都是經過拋丸器清理過得，拋丸 技術正在不斷影響著，并且改變著我們的生活。 國內外的機械設備的競爭日益激烈，拋丸機的競爭也越來越強。拋丸機制造 屬于制造業的范疇，拋丸清理為工業生產與加工提供了各種機械裝備和設備。產 業轉移己經成為促進我國機械行業快速發展的一個主要因素，近年來我國的機械 行業已經具備完善的設計研究模式，擁有密集的制造產業鏈，綜合的人力資源豐 富而且原材料價格也較低，由于我國對于機械行業的發展優勢明顯，近年來國外 的很多著名機械制造廠商，在這種形勢下紛紛向國內轉移，具體體現在國內的機 械產品的制造的數量和水平不斷增加。在這樣優勢的機械發展環境下，拋丸機制 造加工業也一直被看好。

由于國內外清理設備制造能力和水平有差異，在使用中投入的維護差別也很 大，如表１。ｌ所示。在拋丸設備的維護使用費用占了整個拋丸機設備成本很重要 的一部分，決不能忽視。據調查，國產拋丸清理設備在使用中后期的時候，拋丸 器部件就容易出現一些問題，主要問題包括拋丸器內耐磨件的磨損不均勻，更換 頻率高，主軸系統的振動導致拋丸器失效等，造成了后期維護的工作量較大，維 修工時時間長，所以提高拋丸機的壽命變得非常重要。

表１．１拋丸設備國內外維護投入對比

拋丸器除了需要有高效的清理能力，還必須有足夠的使用可靠度。為了提高 拋丸器的使用壽命，近些年來，歐美一些國家對拋丸清理設備的研究重點放材料 的耐磨性方面，美國生產一種高耐磨直連式拋丸器。根據企業實習了解，很多進 ａａ口的拋丸器的耐磨件的使用壽命高出國產耐磨件的１０倍以上，但是成本也是 國產的１０倍以上。我國許多拋丸生產公司和研究所對于拋丸設備的耐磨性做了 大量的研究旨在找到一種成本較低耐磨性好的材料，但研究成果不理想。主要原 因：以現在國內的制造技術，提高材料的耐磨性，必然會造成制造成本的提高， 始終達不到降低成本提高耐磨性的研究目的。除了耐磨件的使用壽命，拋丸器主 軸系統的的問題也嚴重影響拋丸器的使用壽命，但目前針對懸臂式拋丸器的主軸 系統研究較少。本課題研究方向是對拋丸器的主軸系統結構特性進行有限元分 析，根據分析結果對主軸系統進行改進，來提高拋丸器的使用可靠度。 本課題主要來源是合作項目“拋 丸器主軸系統的設計研發”圖１－６是公司生產的Ｑ０３５型拋丸器外型。 本研究開發項目的要求如下：
（１）技術內容：Ｑ０３５懸臂式拋丸器拋丸器主軸系統的結構設計；拋丸器主 軸系統裝配工裝設計；拋丸器主軸系統熱變形研究；主軸系統振動控制。
（２）技術方法和路線：當前拋丸器主要問題是軸承發熱卡死或燒壞、系統 振動。 產生問題主要因素有：拋丸器工作時的高轉速導致摩擦產生的熱量不能及時 萬方數據拋丸器主軸系統的設計與研究 散出，致使軸發熱伸長，其主軸系統結構的設計不能很好地補償軸的熱伸長，從 而使軸承卡死或燒壞；軸承類型選擇不合理，新安裝軸承磨合期；潤滑油過多或 型號不對；振動引起軸承座孔不同心。

圖1－６懸臂式拋丸器外形示意圖

 １．３．２課題研究的意義
本課題研究的針對山東某鑄造有限公司拋丸器主軸系統存在的問題，提出改 進方案，對設計的結構進行靜強度分析、熱-結構耦合分析和模態分分析，主要 研究意義包括： （１）設計了新的主軸系統結構，解決了拋丸器主軸受熱伸長導致軸承卡死 的問題。 （２）分析拋丸器主軸系統的振動特性，提出降低主軸系統振動的方法。 （３）有利于提高拋丸器的使用壽命，降低拋丸機在使用的中后期維修費用。 （４）為以后拋丸器主軸系統研究提供較可靠理論依據。
１．４課題研究的內容
本課題針對拋丸器主軸系統進行結構設計，并從靜動態特性、熱特性方面對 主軸系統進行深入仿真分析，主要研究內容如下：
（１）基于實際拋丸機的工作機理、結構特點、結構尺寸，利用三維建模軟 件完成了拋丸機的所有結構建模，并進行了整機裝配；針對公司拋丸器主軸系統 存在的問題，對拋丸器主軸系統進行了改進。
（２）對主軸結構進行了理論設計與計算，得出各軸段的軸徑尺寸，建立了 主軸實體模型；簡化了主軸模型的某些細節特征，然后將模型導入到ＡＮＳＹＳ Ｗｏｒｋｂｅｎｃｈ中，建立主軸有限元模型；以實際拋丸器工作狀態下主軸所受載荷為 基礎，利用有限元軟件對主軸進行靜力結構分析，得到主軸在工作狀態下的等效 應力和變形情況。
（３）分析了主軸系統的熱源分布情況，對電動機發熱量、軸承的發熱量、 系統的傳熱機制等問題進行了研究；利用有限元分析軟件對主軸系統進行熱-結構耦合分析，得到主軸系統在工作狀態下的位移變化情況；驗證改進結構能解決 企業生產中主軸受熱伸長導致軸承卡死的問題。
（４）對主軸進行模態分析，得到主軸在約束狀態下的前六階固有頻率和振 型，利用分析結果對拋丸器主軸系統產生振動的原因進行分析，提出了降低振動 的措施，并通過分析驗證改進措施的合理性。