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抛丸清理机结构优化

硕士研究生文献阅读与综述

论文题目：

吊钩式抛丸清理机导轨支架的受力分析

及结构优化

学号：

2

研究生姓名：

导师姓名:

学科、专业：

所属院、系：

2013年05月22日

吊钩式抛丸清理机导轨支架的受力分析及结构优化

摘要：

抛丸清理技术是用于铸件除砂、金属表面除锈、表面强化、改善表面质量等的关键技术。

随着其应用领域的不断扩展，对抛丸清理的要求也越来越高，因此抛丸设备的结构不断被改进，新型设备不断被研究。

本文主要对抛丸清理设备及其关键的零部件研究现状进行简要的论述，并提出本课题的研究内容。

本课题主要研究吊钩式抛丸清理机的导轨支架，由于其在工作过程中受到工件对其的作用力，正在被清理的工件受到抛丸器抛打在其上的冲击力的影响，该冲击力也必将对导轨支架产生一定的作用力。

除此之外，分离器也会对其产生一定的影响。

本课题将采用一定的技术方案对其进行综合考虑，分析确定所有这些因素将对导轨支架产生怎样的影响，目前的结构是否需要进一步的改进及如何改进等。

关键词：

吊钩；抛丸清理；导轨支架；受力分析；结构优化

TheStressAnalysisandStructuralOptimizationoftheGuideBracketoftheHooktypeShotBlastingMachine

Shang-guanLi-ping

（SchoolofMechanicalEngineering,UniversityofJinan,Jinan250022,China）

Abstract:

Theblastcleaningtechniqueisakeytechnologywhichisusedforcastingsand,metalsurfacerust,surfacestrengtheningandimprovethequalityofthesurface,etc.Withitsfieldofapplicationiscontinuousexpanding,therequirementsforshotblastingisgettinghigherandhigher,sothestructureoftheshotblastingequipmentisconstantlybeingimprovedandnewequipmentsarecontinuetobestudied.Thispaperfocusesonabriefexpositionoftheresearchstatusabouttheshotblastingequipmentanditskeycomponents,andputforwardresearchcontentofthistopic.Thistopicmainlyresearchtheguidebracketofthehooktypeshotblastingmachine,becauseitgetsforcefromtheworkpieceduringtheoperation,andimpactforcewhichcomesfromtheforceoftheblastwheelontheworkpieceduringtheoperation.Besides,Separatorwillalsohaveinfluenceonit.Thisprojectwilladoptcertaintechnicalsolutionstomakeacomprehensiveconsiderationaboutitsforce,itwillalsoanalysisanddeterminewhateffectallofthesefactorsmakeontheguidebracket,anddeterminewhetherthecurrentstructureneedtobefurtherimprovedandhowtoimprove,etc.

Keywords:

hook;shotblasting;theguidebracket;stressanalysis;structuraloptimization

引言

目前已有的表面清理方法有许多，如：

手工处理、化学处理、抛丸清理等。

手工处理包括刮刀、钢丝刷或砂轮等，用手工除去工件表面的锈迹和氧化皮，但其劳动强度大，生产效率低，质量差，清理不彻底。

化学处理主要是利用酸性或碱性溶液与工件表面的氧化物及油污发生化学反应，使其溶解在酸性或碱性的溶液中，以达到去除工件表面锈迹氧化皮及油污的目的，但是若处理不当，它将成为工件以后腐蚀的隐患，且化学物易挥发，成本高，处理后的化学排放工作难度大，若处理不当，将对环境造成严重的污染[1]。

抛丸清理是依靠电机带动抛丸器叶轮旋转，离心力作用把丸料（钢丸或砂粒）以很高的速度和一定的角度抛射到工作表面上，让丸料冲击工作表面，对工件进行除锈、除砂、或者表面强化等，以达到清理、强化、光饰的目的[2-3]。

并且抛丸设备在工作时通过控制和选择丸料的颗粒大小、形状，以及调整和设定机器的速度，控制丸料的抛射流量，即可得到不同的抛射强度，获得不同的表面处理效果[4]。

比较这三种清理方法，显而易见，抛丸清理设备是较好的选择。

抛丸技术主要可用于铸件除砂、金属表面除锈、表面强化、改善表面质量等。

对材料表面进行抛丸强化清理，能使材料表面产生冷硬层和表面残余压应力，从而提高承载能力和延长使用寿命[5-10]。

据统计，在机械零件失效中有80%以上属于疲劳破坏[11]。

同时有文献指出：

“在大多数情况下，多次载荷的破坏（疲劳破坏）都位于表面层，因此机器零件的表面层特别重要。

因而对表面层进行强化就能使整个零件强化[12]。

”由此可见表面强化的重要性。

抛丸清理技术跟其它清理技术相比具有设备简单、操作方便、生产率高、适应性广、强化效果显著、适用材料范围广、提高零件的耐磨性、抵消应力集中对疲劳强度的不利影响、减缓或停止裂纹生长速度延长其使用寿命、减轻清理工作的劳动强度、减轻环境污染等[13]。

除此以外，对提高钢的电镀零件的疲劳性能有特别重要的意义，钢件经过镀铬（或镀镍）或镀镍铬之后，疲劳强度极限通常要降低1/3至1/4，而抛（喷）丸后再进行电镀则可避免由于电镀而给材料疲劳强度带来的损失。

因此，美国联邦政府的规范（QQ-C-320）和军用规范（MIL-C-26074A）均作了钢件电镀前，必须进行抛（喷）丸强化处理的规定[12]。

最近几年抛丸领域出现了微粒冲击、微粒镶嵌镀膜、高能和超声抛丸等新技术[14]。

研究表明，它们在增加表面光洁性、降低摩擦系数、提高耐磨能力、延长使用寿命、简化氮化过程等方面表现出优异的特性[15-18]。

目前抛丸技术广泛应用于铸造业、模具业、钢厂、船厂、汽车制造厂、钢结构建筑企业、五金厂、电镀厂、摩配厂、阀门厂、轴承厂、路面清理等领域[19]。

由于其众多的优点及其广泛的应用，越来越多的人研究抛丸清理技术，期望不断改进现有技术，并不断研究新技术，使其更加满足各领域的需求。

近年来越来越多的企业开始加大对产品研发的投入，研发机构和人员不断增加，同时，一些企业也在不断与高校联系，加大对抛丸清理技术的研究。

目前在国内，抛丸机械设备及技术做得比较好的在山东省有山东开泰抛丸机械公司、青岛润棋以及各大院校，比如在山东省有山东大学、济南大学等在对其进行研究。

在国内抛丸机械尚属新兴产业，其应用前景广阔，而在国外，抛丸机械的技术己经相当成熟。

本课题主要以山东开泰抛丸机械有限公司生产的吊钩式抛丸清理机为研究对象，对其导轨支架进行结构分析及优化，旨在为以后的设计创新打下一个良好的基础，缩短与国外的差距并赶超国外技术，为中国制造业贡献一份微薄之力。

1国内外发展现状及趋势

1.1国内外抛丸清理设备的发展现状

100多年前世界上制造出了第一台抛丸设备[20]，经过一个多世纪的发展，抛丸清理工艺以及设备己经相对比较成熟。

国外高水平抛喷丸设备公司有美国的潘邦（PANBORN）公司、丹麦的迪砂（DISA）、日本新东（SINTO）、施力克（Schlick）等。

我国自上世纪六十年代开始从国外引进设备，经历了六、七十年代仿制，八十年代自主开发的过程之后，至九十年代已基本形成了具有门类齐全的抛喷丸清理设备的局面[21]。

目前常用的抛丸清理设备主要有是滚筒式、履带式、转台式、台车式、吊链式、辊道通过式等，成套成线设备主要是钢材预处理线，包括上料、预热、抛丸、喷漆、烘干、卸料等工序。

随着抛丸技术的广泛应用，用户对抛丸清理设备也提出了更高的要求。

为了满足使用要求，这就需对一些现有设备进行不断的改善及对新型抛丸清理设备进行研究。

如：

（1）机械手式抛丸机

近年来，一些企业提出如何快速且经济、高效地清理带深孔的铸铁件或轻金属铸件，如汽车或其他车辆零部件制造商，以及发动机缸体、缸盖铸造等企业，为满足生产效率及产品的多样性，一些企业开始不断引进或自行设计机械手式抛丸机[22-25]。

据生产效率要求的高低设定机械手的数量。

生产率低的抛丸机有1至2个机械手，如转栅式抛丸清理机有两个机械手在抛丸室和装料工位交替运行，其中一个机械手在抛丸室内夹紧工件，另一个在装料工位装卸料，其生产率在每小时20~80铸件之间。

带水平转台的机械手抛射系统的生产率可以达到很高，每小时可清理360个铸件[21]。

原瑞士GF公司、原德国BMD公司（已与DISA公司合并）、德国V+S公司、美国PANGBORN公司、欧洲PANGBORN公司、日本新东公司等均开发出了机械手式抛丸清理机。

国内的DISAINC迪砂青岛公司、山东开泰抛丸机械有限公司等也已设计出了机械手式抛丸清理机，下图图1所示是DISAINC迪砂青岛公司及山东开泰抛丸机械有限公司设计的机械手式抛丸清理机。

但考虑到设备的可靠性等因素，许多发动机专业厂家仍倾向于采用进口设备，这就要求国内的相关技术不断被研究改善，以提高设备的性能，提高其竞争力。

（2）水平移动式抛丸机

水平移动式抛丸机主要应用于城市道路铺装和清洁处理，清理和清除混凝土表面的浮浆、杂质，机场跑道表面处理以提高跑道的摩擦系数的等[26-29]。

我国已经开始在公路、桥梁、机场维护等领域引进抛丸技术。

例如重庆通渝隧道、贵阳营盘坡隧道、白沙洲大桥、上海卢浦大桥等，都选择使用水平移动式抛丸机进行清洁维护和粗糙度处理[26]。

经实践证明，用抛丸凿毛工艺技术处理水泥混凝土表面浮浆后再铺装沥青混凝土，可以极大提高附和式路面的层间结合质量水平，为水泥混凝土桥面与沥青铺装层之间的粘结提供了坚实的基础和保障，大幅度延缓桥面病害的出现时间[30-33]。

图2一种水平移动式抛丸清理机图3水平移动式抛丸机的工作现场

除上述类型外，在“西气东输”工程建设过程中，为保证工程质量，要求对输气钢管内壁进行防腐处理，根据这一需求，济南铸造锻压机械研究所成功研制了我国第一台钢管内壁抛丸清理机[34]。

随着汽车工业的飞速发展，国外设计了各种各样的连续抛丸清理机，如：

履带连续抛丸清理机、摇摆滚筒连续抛丸清理机、特种履带连续抛丸清理机、网带连续抛丸机、辊道连续抛丸机、台阶形振动槽抛丸机等[35]。

连续式抛丸清理机的应用，实现了自动化、高效率的生产。

于此同时，一些专用设备不断被开发，如：

青岛双星铸造机械有限公司开发的输送圆环链专用抛丸清理机，它用于对链节进行表面处理[36]；青岛华青工业集团铸造机械有限公司研究所研制的铁路机车车辆抛丸清理机，可一次性对铁路机车进行抛丸清理[37]等。

1.2吊钩式抛丸清理机及清理机关键部件的研究现状

1.2.1吊钩式抛丸清理设备的研究现状

吊钩式抛丸清理机分单钩式和双钩式两种类型。

吊钩式抛丸清理机主要适用于各行业中的15公斤以下的铸锻件的清砂、除锈、去氧化皮和表面强化，塑料件的去毛刺。

为满足使用要求等，针对吊钩式抛丸清理机做了较多改进。

（1）旋臂吊钩抛丸机

为了满足对铸件抛丸清理及落砂的需要，适应用户对新型清理设备的要求，济南铸锻机械研究所的罗柏福设计发明了旋臂吊钩抛丸机[38-39]。

这一系列的产品根据抛丸工位的数量不同设计了单室单工位和双十双工位两种结构类型。

a）单旋臂b）双旋臂c）三旋臂

图4单室单工位清理机型式

单室单工位有单悬臂、双旋臂、三旋臂三种形式。

如图4所示单旋臂型是将装工件、抛丸及卸工件三个工序，在一个旋臂吊钩上依次完成；双旋臂型是将抛丸、装卸工件同时在两个旋臂吊钩上平行作业完成；三旋臂型是将抛丸、装卸工件同时在三个旋臂吊钩上平行作业完成。

后两者的生产率比前者高2～3倍[39]。

双室双工位清理机有四旋臂（图5）和六旋臂（图6）两种机型。

四旋臂型是将两个抛丸工序和两个装卸件工序在四个旋臂吊钩上同时完成；六旋臂型是将两个抛丸工序、两个装件工序和两个卸件工序，在六个旋臂吊钩上同时完成。

这两种机型可以实现流水作业，与单室单工位单旋臂型相此，可提高生产率4～6倍，所以能满足高生产率的要求，并可实现双室轮流检修不停产[39]。

该系列的抛丸清理机其吊钩装置可在垂直方向升降、水平方向移动及360°范围内旋转，很好解决了工件的装卸和吊运问题；能满足高、中、低生产率及大、中、小件抛丸清理、落砂及强化要求，实用性强等。

图5双室双工位四旋臂清理机图6双室双工位六旋臂清理机

（2）单吊钩式圆柱形抛丸清理机

目前，常见的单吊钩式抛丸清理机的抛丸清理室的室体结构均为长方体结构，但是基于其工作原理该类型抛丸机在工作过程中工件边旋转边被抛丸清理，故其运动轨迹为圆形，显然室体采用长方体结构使得结构尺寸和占地空间大，抛丸空间的用小利用率低。

同时，这种长方体的室体结构在设计时需在抛丸清理室底部一个（抛丸量小时）或者横向和纵向两个（抛丸量大时）螺旋输送机将落在室体底部的丸砂混合物输送至提升机，使得该抛丸清理机的动力消耗和生产成本增加[40]。

此外，抛丸清理室室体多采用密封的结构，工件在被抛打的过程中看不到使体内的抛打状况，抛打时间难以确定，使得生产效率不高。

针对上述问题，山东开泰抛丸机械有限公司的尹建国、王立合[41]等人设计发明了一种新结构的单吊钩式抛丸清理机。

该发明将抛丸清理室的室体内腔设计为圆柱形，相应的清理室大门也由原来的长方形改为圆弧形，并在其清理室大门上设计安装高清玻璃制作的可视窗口，可观察室体内部的工作状况，便于调节和控制抛打工件的时间。

同时，在室体的底部采用倾斜布置的流丸工作面，可使弹丸及其它物质经流丸工作面直接流到斗式提升机下部的进丸口侧，而省去了螺旋输送机，如图7所示。

该发明设计的抛丸清理机结构简单，占地面积小，室体内的空间利用率高，并且设计较合理，弹丸的输送效果好。

根据被清理工件的大小，如长、宽、高、最大重量等设计合理的抛丸清理室不仅可以节约成本，减少材料的浪费，还可以满足企业清洁生产的要求[42-43]。

a）主视结构图b）俯视结构图

1-抛丸清理室体；2-抛丸器；3-流丸板；4-斗式提升机系统；5-弹丸螺旋输送机；

6-丸渣分离器；7-工件支撑架；8-工件提升和行走系统；9-工件；10-除尘器；

11-工件自转系统；12-清理室大门

图7单吊钩式圆柱形抛丸清理机结构图

（3）双吊钩抛丸清理机的改进

青岛铸造机械集团公司：

通过改变电气系统中PLC的控制方式将QZJ3760系列双吊钩抛丸清理机工件清理时的行进方式由连续式改为步进式，之前需多次才能清理干净的工件现在只需一次便可完成清理，提高了工件清理效率，并在柳州某公司应用时取得了良好的验证效果[44]。

1.2.2清理设备关键部件的研究现状

吊钩式抛丸清理机一般由吊钩系统、导轨支架、抛丸清理室、斗式提升机、分离器、螺旋输送器、抛丸器、弹丸控制系统、除尘系统[45]及电气控制部分等组成。

这里仅对与本课题研究有影响的相关部件吊钩系统、导轨支架、分离器、抛丸器进行论述。

（1）吊钩系统

吊钩系统由吊钩减速装置、摩擦轮或者链轮、电动葫芦零部件等组成。

它完成吊挂工件、提升工件、将工件运进室体、在自转装置的驱动下使工件在清理室内自转等功能。

其旋转运动的实现一种是依靠吊钩系统的摩擦轮与自转装置的摩擦轮的摩擦作用实现，另一种是靠吊钩系统的链轮与自转装置的链条的啮合实现。

（2）导轨支架

导轨支架主要用于对工件输送提供导向作用，它是由工字钢型材焊接而成的钢架结构。

对于单钩式，导向部分主要采用工字钢。

对于双钩式，导轨支架采用“人”字形结构，可以实现装卸工件与抛丸清理同时进行，一侧吊钩工作的过程中，可对另一侧吊钩进行装卸工件，有单边式和双边式两种，分别如下图所示：

图8单边结构的轨道图9双边结构的轨道

导轨支架主要起承重、导向作用，对于其结构性能的研究，在文献查阅过程中尚未发现。

山东开泰抛丸机械有限公司的设计人员针对单钩式的抛丸清理机利用有限元软件ANSYS对其导轨支架部分进行分析，得出现有结构满足使用要求，并提出相应的改进，将所用型材改变型号，使其在满足使用要求的条件下减少材料浪费，并将支撑框架由原先的矩形结构改为三角形结构，使其结构更稳定。

（3）抛丸器

抛丸器主要由叶轮、定向套、分丸轮及叶片等组成。

1）抛丸器叶片

叶片是抛丸器中最易磨损的零件，它的使用寿命对合金材料和资金的利用以及抛丸机的生产效率有很大影响[46-47]。

近年来，对高铬白口铸铁及其在抛丸机叶片上的应用进行了很多研究[48-52]，使叶片的质量和性能有了较大提高。

抛丸器工作时，叶轮的转速高达2000r/min以上[46]。

叶片在工作过程中，表面不仅与弹丸强烈摩擦而产生磨损，而且还受到弹丸的撞击而产生局部冲击应力。

因此，叶片的主要失效形式为冲击磨损。

冲击应力的作用加重了磨损过程，并使具有微观裂纹和铸造缺陷的叶片因断裂而失效[48]。

为了提高叶片抗冲击磨损的能力，要求材料不仅具有较高的硬度，还应具有足够的韧性[49]。

国内外对抛丸机叶片的材质大多选用高铬白口铸铁（Cr含量为13%～22%）。

文献[48]报道，世界名牌产品瑞士GF叶片在抛钢丸时的使用寿命为328h。

而对接近共晶成分的20%Cr和17%Cr的高铬铸铁，采用简便的定向凝固铸造工艺和改进的热处理工艺试制出的叶片，在使用钢丸时，寿命达670h，是GF叶片寿命的两倍多；使用铁丸时，寿命达380h，比国内先进水平叶片寿命高55%。

文献[49]中选用18.0%Cr和3.2%C，Cr/C为5.6的高铬铸铁，使碳化物定向排列并通过热处理加强基体的强韧性，使叶片寿命由原来的80～90h提高到170～180h，接近进口叶片200～210h的水平。

文献[51]中对从日本进口的S200-F抛丸机叶片进行分析研究，研制出Cr/C大于6、并加入少量Nb的高铬铸铁叶片，金相组织为奥氏体+碳化物（主相M7C3，次相NbC），并使碳化物定向排列，其使用寿命与日本进口叶片的水平相当。

文献[52]中通过对叶片建模并进行ANSYS分析指出高速回转的叶片受弹丸的周期压力，因疲劳导致应力集中点首先发生塑性变形，叶片表面产生裂纹，裂纹的不断延伸最终导致其断裂，所以应力集中是导致叶片疲劳断裂失效的原因之一。

同时，由于叶片工作于高速旋转的叶轮中，既要承受弹丸磨料的磨损，又要承受高速丸料的冲蚀磨损。

叶片受弹丸压力的最大值位于叶片边缘，所以实际使用中叶片边缘磨损最为严重。

正压力过大是导致叶片磨损失效的另一原因。

提高叶片的使用寿命，除了选用合适的材料、提高叶片的耐磨性外，还需要设计合理的叶片形状，降低最大正压力的影响[52]。

抛丸机的工况对叶片寿命也有很大影响。

除弹丸材质的影响外，叶片的寿命还与弹丸抛出速度的4次方、弹丸直径的3次方成反比；抛丸量愈大，磨损愈快。

因此，应在相同工况条件下，比较叶片的使用寿命。

除材料外，叶片的外形结构对其寿命也有一定的影响。

抛丸机叶片的结构形式有3种：

直线叶片，前曲叶片和后曲叶片。

叶片的内径，外径以及曲率半径是决定叶片结构的3个主要参数。

文献[53]对抛丸机的叶片进行ANSYS分析指出：

1）抛丸轮底座越长，叶片上的应力变化范围越大，叶片在相同的条件下的应力集中程度越小，且最大应力值越来越小。

但是底座过长会导致抛丸轮的结构尺寸增大，因此在设计叶片的时候要采用合理的底座长度，减小叶片的应力集中的程度。

2）合理的厚度，既会提高叶片的强度，也不会浪费材料。

叶片工作时高速的旋转，不断的受到弹丸的冲击，所以叶片会受到来自弹丸冲击引起的磨损。

离回转中心越远，弹丸速度越大，叶片受到弹丸的压力和摩擦力越大，磨损越严重，所以叶片宜设计成内径厚度较小，外径厚度较大。

3）由于曲率不同会使得最终弹丸的速度不同，曲率越小，叶片的最大应力越大。

故在叶片选用时，除要考虑材料因素外还应考虑叶片的参数设计，方可保证叶片的使用寿命。

2）分丸轮

文献[54]中作者通过理论计算指出分丸轮某一窗口从开始向叶轮喂送弹丸到抛出弹丸进入不到叶轮的过程对应分丸轮一圆心角，在这个角度范围内，弹丸可以顺利喂送到叶轮叶片上；超出这个角度范围时，弹丸将打击在定向套的壁上从而不能飞出定向套窗口。

且这个角度的大小与分丸轮窗口的厚度、分丸轮的内径、分丸轮与定向套间隙的径向长度、定向套厚度、弹丸直径、定向套窗口所对应的圆心角以及分丸轮窗口中形成的阿克肖诺夫弹丸堆中弹丸的层数有关。

分丸轮的主要失效原因有两方面：

l）分丸轮内壁的摩擦失效；2）分丸轮与定向套之间的弹丸与之摩擦产生的失效[55]。

3）弹丸运动过程仿真

抛丸器工作时，带动弹丸运动，在运动过程中，弹丸与弹丸之间，弹丸与抛丸器零部件之间都会发生碰撞，这些碰撞将决定弹丸在抛丸器内的运动规律。

可以将弹丸的运动看为不连续的颗粒流动。

实际应用过程中抛丸器内弹丸的运动过程难以观察，关于其运动过程研究的相关报道尚未看到。

侯琳[56]以离散元理论为方法，以先进的离散元软件EDEM手段，对弹丸在抛丸器内的运动过程进行了模拟分析，以期望为今后抛丸器的优化设计提供参考依据。

离散单元法在离散体力学理论和牛顿第二定律的基础上，可以获得离散体在每个时步内的速度，位移和加速度，从而计算并模拟每个颗粒的运动状态，进而模拟离散体的运动，对于离散体颗粒较多的系统来说是理想的计算分析方法。

侯琳首先采用SolidWorks建立所需的抛丸器几何体，包括分丸轮，定向套，叶轮和叶片，然后导入离散元软件EDEM中对弹丸在抛丸器的运动过程进行宏观模拟，可直观的表示出弹丸在抛丸器内的运动规律，可视化程度高，在此基础上对其进行分析，可以直观方便的得到各因素对弹丸运动状态的影响。

她还对弹丸运动过程中的能量变化进行模拟分析，下图图10所示是她分析得到的弹丸运动过程中平均能量与时间图，随着弹丸由弹丸环内层向外层的迁移，弹丸不断获得能量并被加速。

除此之外，将分丸轮转速分别以900r/min、1500r/min、2600r/min进行模拟，模拟时间定为3.5s，获得的弹丸平均速度拟合后的曲线如图11所示，

图10弹丸运动过程平均能量—时间图图11弹丸平均速度拟合曲线

（1）、

（2）、（3）曲线分别代表分丸轮转速为2600r/min、1500r/min和900r/min时弹丸平均速度曲线图，由图可以清楚发现分丸轮转速越大，弹丸平均速度和速度的最大值越大，而且速度变化率越大。

说明了分丸轮转速对弹丸平均速度的显著影响。