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第 1 卷
2013 年
3 月刊
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第 1 卷- 2013 年 3 月刊
高效智能抛丸机的研究与应用



Q69预处理线


(a) 1.机器人 2.辊道 3.抛丸清理室


(b) 1.斗式提升机 2.螺旋输送器 3.抛丸清理室 4.抛丸器 5.储丸室和分丸系统 6.分离室 7.滚筒筛 8.除尘系统 9.排尘囱 10.风机。图1 机器人抛丸机


图2 丸料循环


图3 粉尘循环


图4 (a)清理室内部 (b)清理室外形


表1 抛丸器参数


表2 抛丸工艺参数


表3 电机选择参数


表4 抛丸量规格


图5 曲叶片与直叶片抛丸速度图


机械手式抛丸清理机


滚筒式抛丸清理机

摘要:本文论述了高效智能抛丸机的工作原理,说明了工艺过程及特点,阐述了其设计过程,重点从抛丸工艺出发,对抛丸清理和强化工艺进行了研究分析。特别针对生产出的工件实现低速抛丸(50m/s-60m/s)处理,去除了工件表面的粘砂、氧化皮,和毛刺;接着通过伺服电机改变抛丸速度(80m/s-100m/s)后,进行了强化处理,使工件形成压应力及产生形变强化和细晶强化进而改变表面机械性能提高汽轮机叶片的使用寿命。关键词:高效;智能;抛丸机;设计

1. 引言

  抛丸器运用离心力将钢丸加速到一定速度,离心轮叶片直径一般为340—420mm,转数为1500—3000r/min,将高速钢丸流(50—70m/s)抛射至工件进行表面清理,以除去工件表面的粘砂、氧化皮和小的飞边毛刺,得到一定的粗糙度,通过变頻器改变电源频率提高抛丸速度(90—100m/s)进行抛打,使汽轮机叶片形成压应力及产生形变强化和细晶强化进而改变表面机械性能提高工件使用寿命[1]。抛丸灵活性差,在复杂的工件表面易产生清理不到的死角。目前,由于抛丸器的改进,抛丸量不断增加(大于200kg/min,甚至达到500-1200kg/min),抛射速度也提高到100米/秒左右[2]。抛丸进行表面处理对汽轮机叶片打击力大,表面清理和强化效果明显,抛丸量大,效率高,针对大型铸件和汽轮机叶片的工件均适用。有调查显示,通过抛丸强化,能使传动齿轮的寿命延长1000%,弹簧的抗疲劳强度寿命延长600%,曲轴的抗疲劳强度延长900%。当然相较于抛丸清理,喷丸强化的工艺参数监控更为严格,就工件强化应用而言,需要监控的参数包括:喷丸强度、喷丸速度、丸粒直径、喷丸的距离、覆盖率和强化的时间。这些参数中任意一个变化,都会不同程度地影响工件表面强化的效果。所以此设计的机器人抛丸机也是为了更好的控制参数[3-4]。

2. 高效智能抛丸机工作原理

  高效智能抛丸机(图1)主要由抛丸器、机器人、抛丸清理室、斗式提升机、螺旋输送器、滚筒筛、分离器、除尘设备等部件组成。该抛丸机是一种间歇式作业的抛丸清理设备,机器人将工件夹持后,伸入抛丸室旋转并进行定时抛丸清理和强化。交错安装的四台抛丸器,将钢丸高速抛射到汽轮机工件的表面,实现100%以上的覆盖率抛丸清理。丸料在低速抛出的情况下对工件进行清理工艺,通过变频系统提高电机转速的情况下进行工件的强化工艺。抛射到清理室的钢丸,通过V型槽滑落到螺旋输送器上,丸料被批次输送到斗式提升机的喂料口,提升后丸料混合物进入螺旋输送器和滚筒筛,丸料进入重力风选区进行分离,同时粉尘被风机带入布袋或滤筒式除尘器进行收集,少量被风机排出大气。而大部分清洁丸料进入储丸室。最后钢丸通过流量控制阀进入抛丸器进丸口,进行重复循环。丸料流程见图2所示,粉尘除尘循环系统如图3所示。

3. 高效智能抛丸机结构设计

3.1 抛丸机室体设计

  抛丸清理室(图4)由槽钢、角钢、钢板焊接而成,壳体用薄型的高猛钢板,护板用厚的高猛钢板做成。为了防止高速运动的钢丸磨损钢板, 同时为了达到减少震动和消减噪声的效果,清理室顶面装了5mm橡胶板。根据工件的长度确定清理室长度。抛丸器安装在清理室顶部和两侧,由于抛射距离一般取800mm-1500mm,同时由机器人的工作范围共同决定了清理室的高度, 确定清理室中心到地面高度为1300mm。最终清理室设计为以横截面为内切圆800mm的正六边形。清理室左侧上壁有除尘管道,良好的保持了清理室的能见度。在螺旋输送机的上方设有格栅,在格栅上铺有耐磨特铁漏板(ZCr5,t=12mm)。清理室的门在后侧,采用双层橡胶密封,为了方便更换内壁的橡胶和机器的维修。

3.2 抛丸机设计参数

  清理室有效容积(长X宽X高):1400×1600×1385mm;机器人最大持重:20kg;被处理汽轮机叶片的长度范围:小于1200mm;机器人腕部夹持叶片回转速度:3.67rad/s或210°/s。抛丸器的参数见表1。

  不同工作状态电机工作情况如图4所示,其参数见表2,可选择:弹丸直径:Φ0.8mm-Φ1.2mm;提升量:40T/h;螺旋输送量:20T/h;分离器分丸量:40T/h;提升机功率 4kw;螺旋输送机功率2.2kw除尘风量:12000-13000m3/h;总功率:80kw;总机重量:13500kg。

  A、B电机可以通过变频器来控制电机转数。由电机转速n=60f/p(1-s) ,从上式可见,改变供电频率f、电动机的极对数p及转差率s均可太到改变转速的目的。本课题采用变频器来改变电动机电源的频率,从而改变其同步转速的调速方法。特点:效率高,调速过程中没有附加损耗,调速范围大,特性硬,精度高。其中抛丸量主要由弹丸阀门来控制。

  生产中每天需要加料补充, 每次补充加料不超过总量的10%, 并始终保持料斗内的钢丸是满的。这样保证钢丸的级配基本不变, 也就保证了一定的清理效率, 并保证了汽轮机叶片清理和强化的质量稳定。若级配钢丸的粒度向小的方向发展, 则缩短补充加料的周期,反之,延长加料周期。总之,保持钢丸的级数对于抛丸清理很重要。
电机的选择见表3所示。

4. 高效智能抛丸机参数校核

4.1 抛丸速度和抛丸量的校核

  对于汽轮机叶片抛丸清理而言,其弹丸的抛射速度一般在70 m/s左右。对抛丸强化来讲,其弹丸的抛射速度一般在90m/s左右。弹丸的抛射速度由下式计算:

“公式无法显示” (4.1)

式中 n—抛丸器叶轮转速,单位为r/min;
R1—叶轮外径,单位为mm;
R2—叶轮内径,单位为mm。

因此:“公式无法显示” =92m/s所以符合要求。

  单位时间的抛丸量也很重要。抛丸器电机每1安培有效电流,大约每分钟可以抛出11-13kg的弹丸。表4列出了直联抛丸机所抛出的弹丸量。一般如果单位时间内的抛丸量越大,那么清理铸件所需要耗费的时间就少,但是并不是说单位时间内的抛丸量越大越好。因为当单位时间内的抛丸量过大,易出现丸打丸的现象。同时抛丸量可以由气动阀门控制抛丸量,达到高效的利用钢丸。

  曲线叶片抛出的弹丸速度校核见图5所示。比较离心力Va 、Vb 与切向力Vc 的合力,显然Ve > Vf ,所以,曲线形叶片比直线形叶片抛射速度快。也就是说,同样的抛丸量需要的时间短。由于清理时间短,叶片的寿命就会延长。

  合理的定向套位置有利于抛丸的效率和避免部件的磨损。可通过公式确定定向套的角度。原苏联阿克簘诺夫及萨威林博士提出了在抛丸器设计中常用的公式:

相对速度:“公式无法显示”(1)

牵连速度(抛丸器出口处是叶轮外径的切向速度):
     Ve=ωρo    (2)

绝对速度:“公式无法显示”(3)

实际上是抛出速度方向与切向速度夹角σ=tan-11.4=54°,所以抛丸器的定向套窗口角约等于54°。

角位移:“公式无法显示”(4)

5. 结论

  (1)论述了抛丸机在国内外发展的状况、工作原理和结构。从节省成本和空间占有率高等因素的为出发点,自主设计了抛丸清理室的尺寸和形状,确定了抛丸器数目和其它技术参数。

  (2)为更大程度的实现高效利率和机械自动化,设计了机器手对工件的夹持装置。用Solidworks设计了抛丸清理室大小尺寸。实现了机器手和抛丸机的结合。

国家自然科学基金项目
(U1134101)

参考文献

[1] 王  莉,吴贤波。2QLX-1525A全自动抛丸机设计,农机化研究,2004,5(3):109-110
[2] 安志平, 张梅。抛丸机夹持装置的改进,新技术新工艺,2011,1:11-12
[3] 常会民,陆江海,范金刚。提高抛丸机生产效率,宝钢技术,2010,06:15-17
[4] 徐金鸿。抛丸机中抛丸器的优化设计再议,铸造设备与工艺,2010,04:19-20



作者:王守仁1,李长春1,徐金成2,朱志恒2,翟永真2

1济南大学机械工程学院
中国济南,250022
2山东开泰抛丸机械有限公司
中国邹平,256217
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