凯发国际 拋丸機中拋丸器的優化設計

摘 要:根據作者多年來對拋丸清理設備的設計與研究經驗,對拋丸機中關鍵部件拋丸器的歷史與設計理論作了分析比較;并對拋丸器本身參數的選擇以及結構的設計作了詳細闡述。通過分析認為:啊克肖諾夫理論只適用于小拋丸量拋丸器的設計而不適用于大拋丸量的拋丸器;在葉輪葉片的結構設計上直葉片與后曲葉片各有優點;適當縮短被拋表面距離和適當增加拋丸器數量,既可提高拋丸生產率,又可減小機器體積降低制造成本和使用面積。該文為目前拋丸機的設計與研究起一個拋磚引玉作用。

  關鍵詞: 拋丸機 ;拋丸器;定向套;分丸輪
  中圖分類號:TG231.64   文獻標識碼:B  文章編號:1004-6178(2007)03-0006-06

   拋丸器是拋丸清理設備拋丸機的關鍵部件,它己經有百余年使用歷史,已經有了完整的理論體系和多種型號的拋丸器產品。我國是在由原蘇聯援建一汽后,才有了國產仿蘇拋丸器產品的生產與使用,拋丸量只有每分鐘幾十千克,很小。在拋丸器的理論和觀念上只接受適用于小拋丸量的阿克肖諾夫的觀念(特點是以鐵丸作為分析實例,略去其鼓風作用影響)。進入上世紀七十年未,引進一些大批量生產線,配帶大拋丸量拋丸器,由于以老觀念認識它,國產化后不但拋丸量大大低于引進的,而且壽命很短,短得不可想象。為此國家劃撥科研經費對拋丸耐磨材料和拋丸器結構同時開展研究,取得了一定成果,首先用于太原鋼鐵公司第七軋鋼廠的軋鋼自動生產線上的替換磨耗的進口拋丸器(其特點是采用鋼丸,充分利用了其鼓風作用),節省外匯支出。由于商品經濟要求各參與單位對核心資料不公布于學術刊物上。到如今,有些單位和有關人員對大拋丸量拋丸器只知道所然,不知道所以然。歷史發展到當今IT時代,在計算機軟件不斷發展尤其是強大的三維造型軟件建模,將模型導入到ADAMS中。這樣一來對擬要分析研究的機器,只要掌握了其結構參數和施工圖紙,將其建立的模型輸入電腦中,就可在電腦里敲打鍵盤分析各種包括靜、動力學
在內各種問題了,取得應有的結果、數據和資料[2]。由于大批丸量拋丸器的核心資料在刊物上難以找到,以至目前個別以IT技術出現研究拋丸器[2]和以數理分析拋丸器[3]
對現代拋丸器工作原理了解比較模糊,這不但影響其分析效果,也會波及到拋丸器正確的使用和制造;有些制造商(率先的是國外的制造商)的拋丸器廣告上,說明書上,將歷史上曾使用過而被淘汰(如前曲葉片)了的拋丸器結構又撿了回來榮為新技術來吸引用戶等等。在拋丸機的設計上也有模糊觀念:在一臺拋丸機上采用多臺拋丸器時究竟是分散布置還是集中布置好呢?拋丸器距離被拋表面究竟遠些好還是近一些好等等,沒有一個理論上的理由和標準。還有拋丸器本身一些參數選擇上也有些模糊觀念存在。為此撰寫本文以闡明諸多問題,起一個拋磚引玉作用

 1 分析對象選取


   在當今虛擬樣機廣泛應用時代,拋丸器研究者首先想到應用IT虛擬技術來研究其優化設計問題。這就要選擇分析樣機。那么選擇的樣機就要能較普遍地代表分析對象,使分析問題能揭露通用規律,不是只優化設計一個產品,而是要用于優化設計系列產品。由此,筆者覺得應將標準拋丸器產品參數、圖紙和資料導入ADAMS中為好。目前我國各制造廠制造的標準拋丸器有<360mm(3000r/min直聯);<420mm(260r/min)和<500mm(2250r/min)三個基本規格品種。為滿足機械零部件拋丸強化要求,另設置:<380mm(配2極電機),<420mm(2600r/min),<500mm(2400r/min)三個變型規格產品,前者是直徑變大,轉速不變,大多數采用電機直聯傳動,后兩者是直徑不變,轉速加快,一般采用三角帶輪轉動。由葉片寬度不同,還有些派生產品。也還有個別非標無分丸輪單軸雙葉片多葉輪串聯式拋丸器用于非機械制造行業部門。這些品種拋丸器符合國際標準。

2 分丸輪作用


根據有關資料,可建立彈丸在拋丸器內運動的微分方程。設:N是葉片反作用力(即彈丸法向力),T是切向力,f是摩擦系數,m是質量,ω是角速度。并設初始條件是:t=0時,徑向位移r=Rk,Vτ=0。于是可解運動微分方程后得到在葉片任一位置上的K點彈丸:
絕對運動速度:Va=ω2R2k-R2
0/
1十f
(此處R0是座標原點,本例是拋丸器中心)
當R2
k/R2
0足夠大時:
Va=ωRk
2/
1十f=(1.3～1.4)ωRk
(1)
不考慮摩擦和R2
k/R2
0夠大:
Va=ω2R2
k-R
20=1.4ωRk(2)
相對運動(徑向)速度:
Vτ=ω
R2
k-R2
0/(1十f)
(此處RO是相對速度起始點,本例是葉片進口點)
設牽連速度
  Ve=ωRk不考慮摩擦和R2
k/R2
0夠大:
Vτ=ωRk=Ve(牽連速度)當Rk=R0時:Vτ=0
方向角 tg
α=1-(R0/Rk)2
(3)設f表示分丸輪;d表示定向套;x表示葉輪;<和R為其直徑和半徑;0和1分別為內徑和外徑的注腳。作圖如下圖1。

圖1 彈丸團運動情況分析簡圖

  由于彈丸團具有散體性質(即其壓力傳播具有流體力學規律),由進丸管進來的彈丸團,依靠風力輸送(流體力學)送到拋丸器中獲得速度能(具有沖量)和重力作用使彈丸從供丸閥流出到拋頭器中心的位能轉變速度能(動能)獲得沖量,將彈丸送入拋丸器中心,靠(2)式關系(機械力學),擠入并充滿分丸輪中心

在此要說明的是對大拋丸量拋丸器的進丸管、分丸輪都很大,其鼓風作用而產生的風力輸送彈丸作用很大,而啊克肖諾夫所遇到的是小拋丸量拋丸器,進丸管和分丸輪都較小,拋丸器的鼓風作用,被小進丸管、小分丸輪所擋而忽略了可以理解。當今國內使用的都是大拋丸量拋丸器,還延用‘啊氏’觀點分析現代拋丸器,由此得到的結論難以和現代拋丸器真實性能所吻合。文獻[3]是依啊克肖諾夫的觀念為基礎分析問題的,從其題目的開頭取的“機械進丸”四字,想是作者為區別風力進丸而取的。風力進丸拋丸器在國內外都有產品使用過(不是試用),國內是閆萌槐教授設計的在諸城鑄機廠使用較長時
間;圖2所示為國外風力進丸拋丸器結構圖。從閆教授使用情況而言,拋丸量比機械進丸小些,未推廣開來,但拋丸器的鼓風作用能促使彈丸充滿分丸輪內腔,并(擠入)分丸輪葉片間空腔是確實無疑的,從太鋼七軋拋丸器分析看,風力不起作用,不可能達到600kg/min-700kg/min的大拋丸量。

圖2 國外風力進丸拋丸器

  為了增加分丸輪內腔中彈丸容積,現在生產的拋丸器的分丸輪葉片越來越短,如Q033型拋丸器的分丸輪葉片只有9mm,也有的廠家制造的拋丸器,其分丸輪去掉8個葉片,以四根小柱代替,效果很好,既增大分丸輪內腔容量,又加強了分丸輪耐磨性能(因每根直徑比其葉片2倍厚度還大),也暢通了彈丸送進來的通道。上述名種分丸輪結構的拋丸器在用戶廠里可以看到,而在刊物上介紹的很少,筆者借此機會介紹如上所述。進一步對其進行數理分析。
3 定向套作用
定向套是固定在拋丸器機殼上的零件,它的作用是使在分丸輪內初步被加速的彈丸只能從定向套窗口飛出,除窗口以外的彈丸被定向套內壁阻擋住外飛。使彈丸團的徑向速度為零,在其兩者間隙較大條件下,接觸到定向套壁的彈丸有可能被其壁的粗糙度阻擋使其絕對速度為零(使定向套和分丸輪不磨損),也有些被其內層分丸輪帶動的彈丸推動依極小的絕對速度而滑動(使定向套和分丸輪少磨損),一旦遇到定向套窗口而飛向葉輪,依此來控制拋丸器的拋出方向。除飛出的彈丸外,其余的彈丸又隨分丸輪旋轉;如果兩者間隙很小,若小于一顆彈丸直徑時,其間隙中就要夾著硬度極高的破碎彈丸
(因彈丸數量極多,總有機會夾進去)那就像砂輪切割機那樣,不是分丸輪(碎彈丸嵌在分丸輪上)切割定向套內壁,就是定向套(碎彈丸嵌在定向套上)切割分丸輪外圈。而且隨著為提高拋丸器拋丸量(上節己分析)而加大分丸輪直徑,由(2)式可知,其圓周速度也加大,磨損也加大。這就是我們以‘啊氏觀點來國產化引進西方大拋丸量拋丸器所走的彎路。椐此使我們了解到‘啊氏’觀點的局限性。我們通過三單位聯合課題組的研究和探索而得到實驗公式:
Rd0-Rf1=(3～5)d丸(4)
既減輕“定向套與分丸輪”磨損,也是提高拋丸量的關鍵。定向套為了給拋丸器拋出彈丸定向,就要擋住本來在分丸輪加速可達到(1)式要求(即達到1.4ωRf1),因為有定向套阻擋而降低到(2)式(即ωRf1)要求,降低40%,這是為了彈丸拋出有個方向而作出犧牲(消耗掉)的。是否可以不要這樣消耗呢?那就是一種無分丸輪拋丸器(一般是單軸、雙葉片、多葉輪串聯),它不需要定向套定方向,而是由進丸管位置來決定拋出方向的。這種拋丸器國內外都依非標產品生產,提供特定需要(上海造船廠有此拋丸設備)的行業使用。


4 葉輪葉片形狀


   葉輪葉片有直,前曲,后曲三種,目前廣泛使用的是直葉片,一些拋丸器制造廠采用曲葉片,稱為新技術。但前蘇聯學者薩威林在他的理論分析中,列出如下方程式:
Va=ω
2R2K-R2
x0+2Rx0
R2k-R2
x0
(5)(適用前曲葉片)
Va=ω
2R2k-R2
x0-2Rx0
R2k-R2
x0
(5′)(適用后曲葉片)
N=mω2
(2
R2
k+R2
x0+Rx0)
(6)(適用前曲葉片)
N=mω2
(2
R2
k+R2
x0-R
x0
)
(6′)(適用后曲葉片)
在此列出直葉片拋丸器的彈丸對葉片壓力方程是:
N=mω2
(2
R2k+R2
x0)
(6″)
連同(1)式(其中Ro=Rxo)比較上述各式以后,可知:對于前曲葉片,彈丸拋出速度和對葉片磨損都加大了。速度加大,對拋丸器有利,但費能;而以ω2關系加大磨損,對拋丸器壽命很不利。為了和直葉片在同一拋出速度比較,由ωRk的關系,其速度只是按一次方關系降低前曲葉片拋丸器轉速,使和直葉片的相同,前曲葉片的磨損還要以ωRk一次方關系加大,對拋丸器壽命不利。對后曲葉片,由于其曲率按彈丸對葉片的正壓力為零而設計的,拋丸器任何速度,其正壓力都接近零(考慮到制造誤差),彈丸對葉片磨損明顯減輕了(由(7)式便可知),但拋丸速度也減小了。薩氐的意見:上述兩種曲葉片結構都應棄之,只推薦采用直葉片。筆者覺得后曲葉片有它優點,其速度只依照ω一次方關系降低,它可用提高拋丸器轉速來彌補,轉速提高后,對葉片正壓力并不提高,因而使拋丸器壽命大大提高了,既節約磨損能,又方便生產(較長時間可連續使用)。為此,筆者于上世紀八十年代作出后曲葉片較佳曲率半徑計算公式(4),其Rk點較小曲率半徑是:ρmin=3/4(R2k-R20)(7)算出如下數列(此處R0=Rx0):Rk= 1.0R0 1.5R0 2.0R0 2.5R0 3.0R0ρmin=00.84R01.30R01.72R02.12R0作圖如圖2所示。找出1-2,2-3,3-4,4-5,四段線,其中1-2線以r=0.84R0圓的弧段曲線表示,其他三條線段以直線(虛線)表示,修正成2-5直線,傾斜角范圍是60°～63°。(也可做成虛線表示的準直葉片)于是便可畫出這種后曲葉片形狀了。圖3所示的葉片的進口端呈徑向為起端,便于彈丸順利進入葉片,不會打在葉片背面,接著以一段圓弧過渡到直線段(或準直線),使彈丸以零(或接近零)壓力,在直線(準直線)段上滑動(滾動),直到葉片頂端拋出。這種形狀葉片有使用,效果很好。新技術名稱應屬后曲葉片。而前曲葉片不但在薩氏那個年代就被原蘇聯淘汰,也被其他國家淘汰。

圖3 葉片分析

5 葉輪葉片長度

在葉輪外徑確定條件下,為了提高拋丸器拋丸量,就要減短葉片長度,以加大分丸輪直徑。為此將筆者在第六屆鑄機年會上宣讀的論文有關部份作一適當修正后摘出如下:根據QO33型拋丸器的葉輪內徑是<140mm,分丸輪外徑是<90mm和牽連速度公式(2),可知:由分丸輪飛出速度和葉輪進口速度之比是:
90ω/140ω=0.64=64%=2/3(8)也就是說由分丸輪飛出的彈丸速度和比自己起碼大1/3速度的葉輪葉片相應處相碰,(由圖3所示,可知其相碰點不在葉片起始點,而是>140ω的某點,究竟是那一點,大多少呢?將考慮系數加以解決)。發生碰撞,彈丸就要反彈跳躍起來,然后再落在葉輪葉片上,重復3～4次才能穩定,這由葉片的磨損實物照片圖4得到驗證,葉片長度確定起碼要讓彈丸穩定后再讓它拋出去的原則決定。

圖4 舊葉片實物照片

  對于這個問題分析研究還是要借鑒原蘇聯學者薩氏對無分丸輪拋丸器的研究成果。無分丸輪拋丸器原來很多國家都有生產制造,上世紀五十年代我國機械制造行業有進口使用。它是將幾乎靜止的彈丸直接送到高速旋轉的葉輪葉片上的,這就勢必發生碰撞,正因這個缺點,現在機械制造行業內幾乎沒有使用的,只在船舶制造、建筑工地現場鋼板鋼筋除銹等場合還有使用。為解決有分丸輪拋丸器的彈丸和葉輪葉片的碰撞問題,借鑒薩氐這一理論:由分丸輪飛出的彈丸只比葉輪進口處速度小1/3,因而采用(1/3)系數乘以薩氏理論中的一些結論或一些數據,就可直接使用。薩氐分析:速度為零的彈丸進到葉片上的第一次跳起再落下葉輪要轉過57°18′的轉角,現在我們的問題是用比它(無分丸輪拋丸器)大2/3速度的彈丸和葉片相撞,有理由設定第一次跳起再落下葉輪只轉(1/3)×57°18′=19°6′,于是將薩氏上述理論表格數據除以3后而得到的結論數據列于表1。

表1 薩氏理論的應用

碰撞的連續次數多少與碰撞反彈系數有關,若反彈系數K=0,表示沒有反彈,若葉片材料硬度小于彈丸硬度,那么碰撞后彈丸被嵌到葉片里。根據彈丸和葉輪使用的材料,取K=5/9=0.55,這種碰撞屬于彈性碰撞,于是每次碰撞后,彈丸要反彈出來,并向前跳躍一距離,設Rk表示每次碰撞后彈丸跳動在葉片上前進的距離(即向徑向增量差數)和葉片進口半徑(即進口處的向徑)R0之比有下數列(薩氏數據除3以后):Rk/R0=1+0.28+0.20+0.13+0.077…由上數據可設定彈丸跳躍3～4次就穩定了(參見圖3)。考慮富余系數1.5后,得到按較短葉片長度之后的葉輪外半徑是:Rx1=1.687×1.5=2.53Rx0
(9)于是可得到較小外片長度的葉輪外徑是葉輪內徑的2.53倍。回顧Q033型拋丸器的諸參數是合理的。目前已有20a～30a使用歷史了[5]。它的葉片長度只有110mm,還有一種葉片長120mm用于拋丸強化。

6 拋丸距離

611 拋丸較大距離


  采用文獻[2]中仿真時間t=0.01s,彈丸初始位置與較終位置的直線距離為715.5mm加上設定拋丸器半徑100mm,可得拋丸速度是Va=0.815.5m/0.01s=81.55m/s,這和文中的87.33m/s,83.635m/s等數有不一致之處,看作是誤差,由于彈丸在空氣中飛行受到空氣阻力Fw=1.74×10-4N而衰減,其衰減率是η=3.695m/s,根據文獻[2]的圖7是一固定數,由其圖8略有變化,也當作誤差處理。拋丸速度隨著拋射距離增加而按規律(即按η=3.695m/s)衰減,當衰減到不能打下氧化皮(鑄件清理)或達不到打出應有的機械零件殘余應力和Aemen試片拱度值的拋丸距離就是較遠距離。根據
實驗或生產經驗。一般鑄件清理,拋丸速度在40m/s還有效,但效果不大,機械零件強化要求拋丸速度不低于60m/s,于是求得鑄件清理較遠距離是[(81.55-40)m/s×0.7155m]/3.695m/s=8.05m,不能遠于8m(和文獻[2]的假設8.3m是一致),同理對機械另件強化是4m。給出定量關系。

612 拋丸較小距離

   有關資料指出:拋丸頭與被拋丸表面的距離也不能過近,否則會導致彈丸的拋出流束與反射流束相互干涉[2],筆者不同意這種說法。類似問題在文獻[4]中作了解答。現利用文獻[2]有關數據解釋如下:文獻[2]顯示了離地面高度H=500mm時的拋射帶寬度B=828mm,那么拋射帶厚度是葉片寬度加上擴散角15°的正切值,即δ=62+500tg15°=134(mm),于是得到自拋丸器出口到拋射帶矩形空間體積:V空間=B×δ×H=828×134×500=55476000(mm3)
(10)這是一個立方體,是為計算方便而這樣選取的(實際上拋丸口處的拋射面積要小些,是一立方截錐體,可桉(13)式的1/2選取),在這立方截錐體積內被飛行中彈丸在S=0.0061s(按81.55m/s拋丸速度算出)時間內拋出彈丸占了多少體積呢?這可從拋丸量算出來,現以拋丸量Q=360kg/min來計算出在S=0.0061s時間內拋出來的彈丸體積是(因彈丸空中是互不接觸的個體飛行,并且是鋼丸[5、6]故比重應取γ=7.8g/cm3):V丸=1000Q×S/60s×γ=360000×0.0061/60×7.8=4.69cm3=4690(mm3)(11)以(10)式去除(11)式得:4690/55476000/2=17×10-5=179(12)相互干涉的概率只有千分之二以下,可略去不計,當作不會相互干涉,因而流速相互干涉不是限制拋丸器靠近被拋表面的理由。限制拋丸器靠近被拋表面的理由有二點:1)拋丸機的結構,一般結構上不太容易設計成太靠近被拋表面,尤其是較大拋丸對象,要有一定距離才能使得在少量拋丸器條件下得到全面拋丸。2)靠得太近,反射彈丸對拋丸器、拋丸設備、以及其附件產生磨損,這就要考慮周全防護,防護是絕對的,有較大拋丸距離,也要盡量加以防護。筆者覺得,周全防護,適當縮短被拋表面距離和適當增加拋丸器數量,既可提高拋丸生產率,又可減小機器體積降低制造成本和使用面積。

7 后語

  1)從上分析,可以說Q033 拋丸器 的分丸輪直徑<=90mm,葉片長度有110mm和120mm兩種,相應的葉輪外徑<=360mm和380mm兩種分別用于清理和強化場合,是適合的,這是一種采用節能電機(如y型電機)條件較小規格拋丸器,因而比它小的<200mm(5634r/mim)拋丸器既不能用于清理、強化,也不能用于道路施工、橋梁施工、隧道養護(在后三種場合,倒可用筆者資料無分丸輪、單軸、多個<300mm[3000r/min直聯或<360r/min]雙葉片的葉輪串聯拋丸器)。
2)分丸輪作用是攪動彈丸使達到或接近分丸輪轉速的圓周運動,其葉片形狀可各種各樣,以耐磨和容納較大容積彈丸原則確定;其數量也不拘于和葉輪葉片數相同,現在8葉片葉輪采用4根園棒的分丸輪用得很好,不但耐磨,且拋丸量大(因容納更多彈丸使其被加速)。
3)分丸輪與定向套之間的間隙應為彈丸直徑的3倍-5倍以上才能達到較好的耐磨性和較高的生產率。
4)新技術的葉片應屬于后曲葉片。
5)葉輪葉片較短長度是依葉輪外徑為葉輪內徑的2.53系數決定。
6)拋丸較佳距離:拋丸較遠距離是8m(拋丸清理)或4m(拋丸強化);在機器結構和防護錯施允許條件下,拋丸較近距離是越近越好,達到經濟、好用目的。


參考文獻

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