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悬链式抛丸清理机性能分析和结构优化

栏目:产品问答 阅读:601

摘要:抛丸清理工艺是一种表面处理技术,它是通过抛丸器叶片的高速运动利用离 心力将弹丸高速抛落冲击在工件或物体表面,达到清理强化的效果。与其他表面 处理技术相比来说,它更快、更有效。我国抛丸技术随时间不断的发展,抛丸设备已 经广泛应用于零件表面的清理和强化,例如铸锻件、部分焊接件、热处理件的表面清理 和齿轮、弹簧、受到高应力的板簧的强化处理。此外,其技术还可应用于车辆、轮船的 表面处理。经过不断地发展,多年来抛丸装备越来越完善,技术也变得更成熟,性能和 效率不断提高。 目前,国内的抛丸装备与国外相比,差距越来越小,但是一些耐磨件使用时间相对 较短,易损件更换频率高,后期维护费用较多。对于悬链式抛丸机来说,室体的维护和 密封有一些不足,辅助系统在实际应用中也有不足,需要改进。 本论文的主要内容: (1)研究抛丸器的工作原理,对弹丸清理和强化效果的影响因素进行分析,并对 抛丸器基本性能指标进行了理论数据计算。根据实际生产加工的悬链式抛丸机,对机器 进行整机研究,获得抛丸器的各种尺寸数据,用UG软件建立其抛丸器和室体的三维模 型,为软件分析提供基础。 (2)用ADAMS仿真模型,分析弹丸的运动状态,结合文献中分析弹丸几种理论, 选择合适的方法进行软件仿真。考虑空气阻力、重力、抛打角度和抛打距离的影响,对 弹丸冲击过程进行分析,并计算验证。运用ANSYS/LS.DYNA对室体内护板进行分析, 得到相应的应力图和较大应力,对其设计方案进行了改进。当对抛丸清理机进行方案设 计时,根据较大工件的外形尺寸来选择合适的室体结构和承载机构。合理布置抛丸器的 位置,若布置不当将会增加弹丸打空的机会,降低抛打效率,同时也加快室体护板和其 他结构的损坏。 (3)对抛丸机其它系统进行简单的介绍和分析,主要包括丸料循环分离系统和悬 链输送系统。其中丸料系统分析主要针对螺旋输送器、提升机和除尘系统。计算验证螺 旋输送器输送量,并针对螺旋输送器轴承易磨损问题进行了分析和改进。调研噪声来源, 提出降低噪声的办法。
关键词:悬链式抛丸机;抛打效果;护板;结构优化

第一章 绪论

1.1表面清理技术和抛丸机概述

1.1.1表面清理技术

表面清理设备通常用于清除铸件或零件表面氧化物和表面的粘结物,并使它们的表 面质量达到一定要求的机械设备。其设备可以分为湿式清理设备和干式清理设备两种类 型。湿式清理设备是在湿态下进行清理的,一般情况无法使表面达到一定的粗糙度和清 洁度,也不能清除表面氧化物,而且它投资也较大、环境污染严重,一般在特定的条件 下才会选用。而有一定的作用使工件表面产生塑性变形带有冲击作用的干式清理设备, 不仅能够去除工件表面的氧化物和粘结物,还能使工件表面达到一定的表面质量要求, 且投资较低、污染小,因而已在实践中应用广泛【l 干式清理是在无液态介质、干燥条件下进行清理的。这种方法是对某些钢结构件、大部分的铸件等工件进行表面去除残留的型砂以及氧化皮等粘结物的主要方法。 按照可以使弹丸产生加速的方式可以把磨料清理分成喷丸清理和抛丸清理两种。喷 丸清理是以高压来压缩空气作为动力,将弹丸或丸砂加速;抛丸清理是由机械方法利用 抛丸器通过离心力获得高速投射到零件表面上的清理方法。 从工艺分类来讲,抛丸清理只是限于以清除铸、锻、热处理等工件的表面氧化膜、 黑皮等为目的的一种清理工艺,类似的工艺还有喷丸和喷砂。抛丸的原理是利用高速旋 转的叶片将弹丸加速到一定速度,将具有一定速度的弹丸抛向所要清理的工件表面,用 以去除工件表面的粘砂、氧化皮、毛刺等,得到具有一定表面粗糙度的过程。使工件变 得美观或者改变工件的焊接拉应力,达到提高工件使用寿命的目的。提高工件表面的粗 糙度,也可以提高工件后续喷漆的漆膜对工件的附着力。抛丸工艺用于机械很多领域, 如汽车的零部件、军工、桥梁、钢结构、钢板型材、桥梁养护、管道内外壁除锈防腐甚 至隧道道路表面等行业【2J。 喷丸清理有如下特点: (1)可以根据实际要求使用金属或非金属丸砂,以适应清理不同工件表面的要求。 (2)容易清理复杂的管壁内、外表面,清理的灵活性大并且不受场地的限制,可将设 备移至大型工件附近进行清理【3j。 悬链式抛丸清理机性能分析和结构优化 (3)设备结构原理较筒单,整机投资少;易损件少且维修费用相对较低。 (4)必须配备大功率的空气压缩站,在清理效果相似条件下,能量消耗较大并且所清 理表面易有湿气,易生锈‘41。 (5)清理效率低,操作人员多,操作环境差。 相比喷丸清理方法,

抛丸清理有以下特点:
(1)清理效率高,操作人员少,费用低。容易实现机械自动化,适用于工件大批量清 (2)无需压缩空气的方法加速弹丸,因而不用设置功率大的空气压缩站,表面清洁,无湿气,不易生锈。 (3)灵活性差,受限制较多。清理工件时有些盲目性,在工件内表面易产生清理死角, 无法彻底清理干净。 (4)易损件多,特别是抛丸器叶片、护板等零件磨损快,维修费用高。 (5)一般情况下不能使用轻小型的弹丸或丸砂。通过弹丸冲击后会使工件表面产生表 面强化现象,工件抗腐蚀能力较大时可提高一倍,较大情况下可提高约50%的抗疲劳强 度,表面硬度也将提高【51。经弹丸冲击后,可以消除钢材表面焊缝的内应力,并可显现 出材料中的隐蔽的裂纹。 目前抛丸清理方法是世界上较可靠和经济的表面清理方法之一。

抛丸清理技术与其 它清理技术相比,具有下述的优点:
(1)提高机械产品或工件的抗疲劳性能。 (2)延长工件使用寿命。 (3)消除其应力集中。 (4)极大的减轻环境污染。 (5)提高清理的效率。 (6)减轻清理工作的劳动强度。 (7)优化工件的表面工艺状态。
1.1.2抛丸清理设备的类型
抛丸机按工件承载体的结构不同,可分为转台式、滚筒式、吊钩式、台车式、鼠笼 式和悬链式等,每种抛丸机特点不同,适合处理的工件也不同【61。转台式抛丸机是将工 件放在可以转动的工作台上,以转台的转动来改变工件被清理的位置;翻滚式抛丸机是将工件放入具有一定操作空间的室体内部,由运动的室壁带动工件作翻滚运动,达到全 面清理的目的;台车式设备是工件放在可以移动和旋转的车式承载台上,使工件做平移 运动或旋转运动。悬链式抛丸机主要适用于大批量中小型工件的抛丸处理。从结构形式 上,一般可分为Q48系列普通悬链步进通过式、Q58系列积放链式等类别。其工作原理 是工件随吊链可以进行连续运行、步进运行或采用先进的积放式悬链运输工件,使工件 在装卸处以及抛丸区处于停止状态,达到定点装卸和定点抛丸工序的目的。根据工件不 同,可吊重50---2000kg的工件,且运行可靠,生产率高,对各类易吊挂类零件的大批 量清理非常适用【_71。它可以实现工件静态装卸、快速输送与定位,工件旋转抛丸清理。适 合于大批量、铸铁、铸刚、及焊接件的全方位抛丸清理,用于各种形式的可吊挂式工件, 如转向架组件、发动机缸体缸盖、电机的壳体、齿轮、机车钩尾框组件、五金工具壳体、 水泵等清理效果尤佳,一般可按照用户产品的特点和要求设计制作瞵J。

1.2国内外技术发展状况

悬链式抛丸清理机适用于批量生产的中、小型工件的抛丸清理和处理。老式的连续 式悬链抛丸清理机,在上个世纪的六、七十年代、直到八十年代初,一直是发动机生产 厂家清理工件的*选产品。但其存在着以下较大的缺陷: (1)对于某些小型件的行进抛丸清理,由于吊链是连续运行的,而工件之间具有一定 的间隔或距离,在工作过程中抛丸器在不停地抛丸,有些弹丸并没有抛打在工件上,所 以其弹丸利用率较低,同时造成抛丸器对面护板的损坏加剧【9J。 (2)由于吊链在不停地运行或停止,致使抛丸室进、出121处无法加装防护门,而只能 用橡胶帘或其他措施密封,弹丸或灰尘不宜被彻底密封住,导致弹丸四处飞溅或者灰尘 较多,对生产环境造成了污染。许多生产厂家先后对该系列抛丸机作了许多方面的改进 设计,但始终未能完全克服以上缺吲10】。 二十世纪八十年代初,国内企业相继开发了Q48系列、Q58系列、QL20系列步进式 悬链式抛丸清理机。采用普通悬链“步进”输送工件,可使工件在加卸料地点以及抛丸处理 区都处于静止状态,以方便加卸料和提高弹丸抛射效率【11。21。吊钩自转可视工件要求被 处理情况实现调速和正反转。抛丸室采用全封闭的结构,在抛丸室两侧设有密封室,使 弹丸不再飞溅出来,同时在抛丸室项部及抛丸器开口处均采取特殊方式密封和吸尘装置。 在抛丸室内衬有快换式高高合金耐磨或含猛量高的衬板,使用寿命增长而且更换方便【13】。 根据生产率相应要求,可设置1个或多个抛丸工位。单钩吊重可达1200公斤,生产率可 悬链式抛丸清理机性能分析和结构优化 高达80钩每小时【14J。 对于不同的工件和相应的抛丸要求,可以设计不同的抛丸机,其相应内部系统的配 合和优化变得尤为重要,许多系统都可以进一步改进和优化。 对于分丸轮中弹丸在抛丸叶片上的加速运动,有很多人对此进行了研究,并取得了 一定的成果,然而实际生产中所观察到的抛丸叶片损坏形式不能很好地解释,于茂旺等 人提出了“多次碰撞”的理论,抛丸叶片的破坏形式得到了很好的解释【l 51。张丹等人应用 ADAMS软件进行仿真,仿真了弹丸在抛头器中的运动加速过程。主要考虑了重力、空气 阻力、摩擦力等因素对弹丸的方向和速度的影响【l 61。运用了计算机软件仿真的方法模拟 钢丸从定向套窗口抛出至抛出抛丸器这一过程中弹丸的速度变化情况,并分析了空气阻 力和摩擦力的变化情况,对于弹丸速度的理论研究及现实计算具有一定的参考意义。王 守仁等通过相互对比的方式介绍了几种国内外抛丸器高铬铸铁叶片的力学性能与微观组 织结构。经过试验与分析,而且组织结构合理,并被合理的热处理后叶片的硬度达到 HRC64.2,具有优良耐磨性,为抛丸机的叶片材料分析提供了相应的依据【l。71。经复合精密 铸造工艺生产的叶片和抛头轴承是抛丸器内部的关键部件,也是较易损坏被更换的部件, 实际中生产中,抛丸器抛头采用2313调心滚子轴承,转速可达3500r/min,较大输入功率 为15kW〔博J。径向轴和抛头采用直接配合,可以无调节装置;轴向双端固定,预紧量可以 调节。由于振动相对较大,载荷变化剧烈。孙永豪等人通过大量的失效实验和实际观察, 认为轴承主要的失效类型有:滚动体受到剥落引起的失效、外圈的变形过量失效、保持架 断裂失效、外圈的磨损过量失效、滚动体的变形过量失效、内圈的点蚀造成的失效【l 91。 引起失效的主要原因有:机械振动、润滑剂高温下失效产生的坚硬的烧结物和进入的灰 尘和碎弹丸引起的磨粒磨损【201。现在某些企业通过对抛丸器轴端结构改进,在抛丸器抛 头长时间工作后,可以快捷容易地更换分丸轮联接座和分丸轮,这样就不需更换抛丸器 的传动轴。由于分丸轮连接座的制造较为容易且便于更换,从而更换抛丸器传动轴所带 来的工时和维修费用损失可以得到一定的避免,所以有效地提高了抛丸机的生产效率。 为了提高抛丸器前曲叶片在使用中的寿命,一些文献中运用ANSYS软件,建立了抛丸 机相应的叶片的有限元模型,采用加载方式是节点载荷加载的方式。其结果显示:虽然叶 片总体应力比较低,但存在应力集中点明显存在。叶片弹丸叶片边缘受到正压力的较大值。 叶片的失效形式是过大的正压力引起的表面磨损和应力相对集中引起的疲劳断裂。提高 叶片的使用寿命,除选用合适的材料提高叶片的耐磨性外,还需要设计适合的叶片形状,以 降低较大正压力的影响12。

在抛丸过程之中,工件与弹丸之间的接触情况十分复杂,具有高度非线性,用理论公式 很难直接分析,因此目前的分析抛喷丸工艺的主要实施理论方法是数值模拟的方法。 S.A.Meguid等开发了单弹丸抛丸模型、多弹丸抛丸模型用来模拟实际的抛丸工艺【22-251。 同时抛丸室体整体制造技术逐步更新,优化了室体内外的结构和内衬材料;室内护板 采用了新型的材料;悬链轨道的密封是采用的迷宫密封形式,从而有效地防止丸砂外溢。 对于悬链式抛丸机来说,悬链钓钩系统总成得到优化,结构得到更新;而且,可以通过铸 件抛丸后的效果,来适当地调整悬链行走的速度。轧制高锰钢护板在清理室内部得到应 用,有效提升了防护等*;室壁采用了压嵌式的结构,接缝部位出现漏洞的几率减少了, 提高相应的使用寿命。现在某些厂家开始把机械手用于清理铸件工件的清理。从总体讲, 该抛丸机对发动机缸体和缸盖等难清理铸件的背面和内腔清理效果较好,同时操作简单, 生产效率提高,因此公司的清理质量和效率得到了显著提高【2 不同规格铸管和钢管在抛丸室内需在一定的位置旋转。为保证各种规格管的抛丸质量和效率,安志平等人通过把抛丸机夹持装置和夹头结构进行了创新改进,实现了铸管 自动升降和旋转【2 71。解决了传统铸管和钢管抛丸机升降装置设备备件消耗量大、故障频 繁、生产率低的难题,达到了备件消耗少、投资省、生产效率高的目的。

重新装配使用的螺旋叶片经过耐磨堆焊后,有效地提高了螺旋输送器叶片的耐磨性, 降低了螺旋轴和轴承的更换频率。原来需要每半年更换一次,现在使用一年后,叶片表 面仍没有明显磨损,降低了更换费用,减少维修工时【2引。同时在同样工况条件下,选用 性能优异的焊接材料可以使产品磨损程度更小,生产效率得到一定程度的提高,可以满 足了生产实际中的需要。螺旋轴在抛丸机上拆装非常的不便,叶片耐磨处理和修复延长 了螺旋输送器叶片的使用寿命。而且采用电弧焊,设备简单,容易操作,费用较低,节 省了大量购置配件的投资,为企业节省了设备维护费用具有一定的推广使用价值。 在不改变丸砂分离器的丸砂分离结构和原理的基础上,根据螺旋给料系统中给料弹丸 量的增加,对给料螺旋加以设计并重新制造;在气路上加接相应组件,对气源进行进一步的 净化处理,以利于气动元件运行正常。 经过六十多年的不断发展,我国清理装备和技术同其他行业设备一样走过了从开始 的仿制到现在的自主开发,一个从无到有慢慢发展的道路,到目前已经发展成了品种齐 全并且具有一定生产能力的清理行业,出现了一些优秀企业。 由于清理设备制造厂家能力和水平有差异,在使用中投入的维护差别也很大,如表 1.1所示。在抛丸设备的维护使用费用中易损件相对占用了大部分的比例,根据经验来看其比例接近80%。国产抛丸清理设备在使用中后期的时候,抛丸室的飞溅抛丸现象较为 严重,主要包括抛丸室室壁护板的破损引起的漏洞,连续式抛丸机轨道的间隙也是钢丸 漏出的一个原因,造成了后期维护的工作量较大,维修工时时间长,所以提高抛丸机磨 损件的寿命变得非常重要【29】。 抛丸设备国内外维护投入对比
表1-1抛丸设备国内外维护投入对比
1.2.1小结
同日美国、欧洲等发达国家相比,从产品使用寿命、加工水平,还是产品的可靠性、 控制水平等都存在着一定的差距。具体主要表现在如下: (1)材料及加工装备 抛丸器和抛丸室之中用的耐磨件、易损件的使用寿命等与国相比存在着一定的距离, 加工制造水平等还需要进一步的提高。 (2)设计水平 现在我国设计人员的自主开发能力仍然还不够,大多数企业仍处于仿制的阶段,同 时其试验条件及设计条件均不够适宜和理想。 (3)控制水平 我国产品的智能控制、自动化的水平和自动监测等技术与国外先进水平相比仍有一 定的差距。 随着技术的不断发展和实际要求对工件表面质量要求的不断提高,工件表面清理已 成为生产活动中必不可少的工艺处理手段,所以要求清理设备与技术的进一步提高和发展。

1.3选题的背景及意义

抛丸工艺自从产生以后,得到了广泛的应用,因为其生产率高、清理效果好、能耗 低。抛丸机械已经从较为单一的机械种类发展成一个领域,从单一的生产程序发展到整 济南大学硕士学位论文个生产工艺中的一个不可缺少的部分。历经几十年的发展,抛丸机从传统的单一种类到 现在的多种类发展,从水平移动到多个方向移动。抛丸机正在慢慢地延伸到每个行业中, 给各个行业生产和工艺带来了很大便利。多年来抛丸技术与设备日臻完善,性能不断得 到提高,应用范围亦从铸造业表面清理扩大到路面清理、机械

1.4论文研究内容
通过论述悬链式抛丸机的原理和性能,结合国内外研究现状和实际生产中的应用, 经过理论计算分析与实际应用调查,提出悬链式抛丸机在今后的发展方向和在实际应用 中改进,达到减少生产成本、减少维修工时、提高产品工作效率的目标。在总结国内外 对悬链式抛丸机研究的基础上,结合抛丸机工作原理,对抛丸机某些性能进行了分析计 算和验证。根据实际生产状况,建立悬链式抛丸机抛丸器和室体的三维模型。以计算机 作为辅助工具,选用合适的工程软件进行仿真和分析,提出了相应的改进方案。同时对 悬链式抛丸机的某些辅助系统进行了研究验算,对一些零件进行了改进。调查了实际生 产中噪声的来源并针对相应的问题进行改进,优化了员工工作环境。 本课题的研究为以后的设计创新打下一个良好的基础,进一步提高抛丸机的性能。

本文主要做了如下工作: (1)研究抛丸器的工作原理,对弹丸清理和强化效果进行分析,并对抛丸器基本性 能指标进行了理论数据计算。 (2)根据实际生产加工的悬链式抛丸机,建立其抛丸器和室体的三维模型,为软件 分析提供基础。 (3)用ADAMS仿真模型,分析弹丸的运动状态,结合文献中分析弹丸几种理论, 选择合适的方法进行软件仿真。考虑空气阻力、重力、抛打角度和抛打距离的影响,对 弹丸冲击过程进行分析,并计算验证。 (4)运用ANSYS/LS.DYNA对室体内对护板进行分析,得到相应的应力图和较大 应力,对其设计方案进行了改进。 (5)对抛丸器其他部分进行简单的介绍和分析,主要包括丸料分离系统和悬链输送 系统。对部分工件进行改进。同时分析噪声来源,提出降低噪声方案。

第二章抛丸机工作原理和数据计算及其三维建模

2.1抛丸机械结构与工作机理简介

抛丸清理设备是以电力带动电机为动力,通过叶片产生离心力加速弹丸,撞击被清 理平面。它是一种一定距离内投射的非接触式清理设备。它的工作过程如下:抛丸器是 用电机驱动抛丸轮和叶片在高速旋转过程中产生离心力,一定流量的弹丸流入进流丸管 时(用来控制弹丸流量)进入高速度回转的分丸轮中被加速,经离心力的作用,弹丸通过 分丸轮窗口抛出,然后进入定向套,再由定向套窗口(用来控制丸料抛打方向)抛出,被 高速回转的叶片碰到,并且沿着叶片的长度方向做加速运动直至被抛出,抛出弹丸形成 的扇型流束冲击在被清理平面,起到了清理和强化的作用。然后弹丸与灰尘经过输送机 构运到储料斗的上方。进入位于储料斗上方的分离装置内部,用功率大的除尘器根据风 选原理将丸料和灰尘等混合物分离,丸料进入料斗内继续循环使用,灰尘则通过连接管 道进入除尘器。经过滤芯的分离,进入除尘器后的灰尘停留在滤芯的表面和储灰斗中。 通过压缩机提供的压缩空气,除尘器可以在自动时间间隔内清理滤芯。较后在内部通过 相应吸尘器的气流进一步清洗,将清理下的杂质和丸料分别回收,并且将丸料再次利用。 抛丸机配有除尘器,可做到无尘和无污染情况下施工,保护了工人工作的环境,也利于 环保【311。

2.2影响弹丸清理与强化效果的理论分析

抛丸设备原理是基于被清理表面被高速弹丸打击或碰击,使其局部产生弹丸压痕和 变形,每一个弹丸压痕或变形有三层明显区别的结构层13引。如图2.1所示,即:零件表 面的脆性变形层;位于零件中间的基体塑性的变形区;和位于较深层的弹性变形区。在 弹丸打击以后,弹性变形区几乎同时产生以下三个作用:对中间层塑性区周围,从各 个方向产生瞬间压缩应力;使中层瞬间产生相应的压缩变形,并在瞬间向表面推动, 来使已经开始有破裂线的脆性层脱落;几乎在同时给弹丸一个反弹力,使其产生反弹 速度而被反弹出去。在具有弹丸压痕的地方,三个区域几乎是同时存在和发生的。 要使脆性破裂,必须要达到破坏变形量,因此压痕深度要有适当的要求,即必须塑 性变形区要适量。基体与塑性区之间有一定厚度的弹性区中间状态,三者的厚薄是不同 悬链式抛丸清理机性能分析和结构优化的,随抛丸不同而有一定的差异吲。一般抛丸设备清理其表面附属物即可,使其能够脱 落就可以,脆性基体尽量少一些。因此需要选取工艺参数要合理。

l-表面脆性层破裂线;2一表面脆性变形层; 3.基体塑性变形区域;4.基体弹性变形区域;
图2.1被抛打表面的局部变形
抛丸机的核心工作装置是抛丸器,。把其安装在抛丸室上,抛丸室带有可 更换的保护衬板。其中抛丸器由电机驱动,弹丸不断的沿着叶片获得动能,弹丸大部分 的动能转变成对工件被清理表面上的冲量,达到了清理工件表面的目的。抛丸清理的工 作原理就是将弹丸的动能转化为对工件表面的冲击力。抛弹丸的大小、数量、速度、冲 击方向决定了弹丸的抛丸效率【341。所以抛丸清理机的技术和经济指标主要取决于抛丸器 的性能,所以要对悬链式抛丸机性能的分析,也主要就是对其抛丸器和弹丸运动过程进 行分析,本文主要是对部分抛丸器数据和弹丸运动过程进行进一步分析,选择的抛丸机 是Q485悬链式抛丸机,其抛丸器型号是Q360。

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