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水平移动式抛丸机械工作机理研究及弹丸的动态仿真分析

文章来源:本站发表时间:2011-06-18 10:56:08

  作者姓名:张丹

   专业:机械设计及理论

                                             提要
     抛丸机是利用高速旋转的叶轮抛出弹丸进行工作的表面处理设备。在各种金属或者非金属表面去除各种杂质、氧化皮,增加粗糙度等方面得到应用。水平移动式抛丸机是在传统抛丸机的基础上,经过了近百年的发展,使抛丸机由传统的固定式设备发展成为今天的水平移动式设备。它不但能够将弹丸自动回收并分离,使抛出的弹丸循环利用,而且能够通过调节参数来控制抛打效果。水平移动式抛丸机不但工作对象增多,而且大大提高了弹丸的使用率。目前在表面处理工程中,得到广泛的使用,如用于建筑施工基础、路面养护、机场跑道除胶、钢板除锈,隧道的日常养护及混凝土路面的抗滑性恢复等,特别是对机场跑道除胶,具有其他养护设备无法实现的功效。值得一提的是它的环保功能,它能够将粉尘与丸料自动分离,丸料被循环利用,粉尘被集中收集到一个集尘箱内。 近几年,我国市政、公路、机场、基础设施建设加速,对表面处理设备的需求激增。对于抛丸机,国内产品多为传统设备,而水平移动式抛丸机,基本都是靠进口。本文是结合与某公司的合作项目,对水平移动式抛丸机进行整体设计,并对其核心装置——抛丸头进行动力学分析。本文所得出的结论对水平移动式抛丸机的整机设计和性能研究具有一定的参考价值。
 
 
【关键词】水平移动式抛丸机、工作原理、抛头装置、定向套开口角、弹丸速
度、抛打效果、动力学分析 
    
                                              第一章 绪论
1.1抛丸清理概述


抛丸清理是一种利用高速弹丸远距离投射的非接触式清理。该工艺不受被清理件的大小、形状和重量限制。小至螺钉、螺母,大到火车车箱、万吨轮船壳体;简单至一件平板、一只球,复杂到发动机缸体冷却水套;轻至几克重,重到百万吨,均可采用抛丸清理 。但唯有航空零件,为防止铁分子污染,一般不采用抛丸清理。 从形式上讲,丸是由机械方法获得高速而远距离投射到零件表面上,统称为抛丸清理。但从工艺分类来讲,抛丸清理是只限于清除铸、锻、焊及热处理等机械零件的表面黑皮、氧化膜、锈斑等为目的的一种清理工艺 。而对用弹丸抛射达到工件表面有关工艺目的的,则直接以其工艺要求命名,如:抛丸落砂、抛丸强化、抛丸增色等,以在工艺上有别于抛丸清理 。


1.2国内外技术发展状况


抛丸机适用于各种表面的清理和预处理,尤其适用于公路养护,桥梁养护,机场养护等领域,特别值得一提的事,经过抛丸机处理的表面,可以达到SA2.5/3的标准,能满足钢铁表面特殊的处理要求。 抛丸是指机器以很高的速度把丸料(钢丸或者砂粒)抛射到工件表面上,让丸料冲击工作表面上需要处理的杂质。 在欧美等发达国家,抛丸已经是一种在公路、桥梁、机场跑道和隧道养护以及维修方面得到广泛应用的工艺。 1.传统的抛丸设备——固定式抛丸设备。世界上第一台抛丸设备诞生于 100年前,开始是在各种金属或者非金属表面去除各种杂质、氧化皮,增加粗糙度等方面得到应用。经过百年的发展,抛丸工艺以及设备已经相当的成熟,其应用范围已经不仅仅是在各个重工业的工厂 。目前在我国的应用主要包括以下几种:

1,将弹丸抛射到铸、锻、焊及热处理零件,进行清除黑皮、氧化膜、锈斑等的表面清理;将弹丸抛射到带有砂子的铸件,清除型芯和型砂的抛丸落砂;对承受交变应力的弹簧及齿轮等零件进行消除应力和提高表面疲劳强度的抛丸强化;对家用电器装饰零件或餐具等表面进行抛丸增色;将弹丸抛射到钢板及各种型材表面进行抛丸预处理。我们经常在各种机械加工工厂中见到这类固定式的抛丸设备:在对零件进行清时,能使零件在抛射流中不断更换被清理表面,以达到均匀抛丸要求的机械设备 。这类固定式的抛丸设备,经过百年的发展,工艺以及设备已经相当的成熟。


2.新一代抛丸机——水平移动式抛丸设备。随着世界上第一台水平移动式抛丸设备在美国佰莱泰克(BLASTRAC)诞生,其应用领域迅速扩展到混凝土表面涂装处理和船舶甲板金属表面处理上,并且直接引导了该行业标准制定和行业施工方法的规范。随着抛丸设备的不断改进和技术成熟,抛丸工艺和设备已经进入欧美发达国家公路养护、桥梁施工和机场维护等领域。 在我国,抛丸工艺在钢桥施工中已逐渐被广泛使用,在一些混凝土抗滑性恢复保养作业中也得到了一定的应用,但作为一种全新的工艺在混凝土桥梁防水底层处理和其他公路抗滑性能恢复,机场跑道的日常养护以及其他在欧美国家已经应用到的领域,我们还是刚刚开始 。 抛丸机按其行走形式可分为三种:手推式、车载式和自行式。抛丸机操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行走速度,控制料的抛射流量,得到不同的抛射强度,获得不同的表面处理效果。它是一种施工简单、设备投入小、效果显著又环保的处理方法。抛丸机主要可以分为五部分:抛丸部分、回丸室、分离装置、驱动装置、控
制系统。(另外还需要配备除尘设备) 抛丸工艺和设备根据可需处理表面的不同,通过三个参数来控制处理后的表
面状况:选择丸料的大小和形状;设备的行走速度;丸料的流量大小。以上三个参数互相配合,可以得到不同的处理效果,确保处理后表面的理想粗糙度 。


                                 抛丸机的工作特点:


1、整个机械系统由抛丸部分、回丸室、分离装置、驱动装置等几个简单机构组成;

2、PLC控制,参数可调,通过调整行走速度和进丸量 ,可达到理想的清理效果;


3、操作灵活,可前进、后退和转弯,可连续工作,大平面的任何部分均可获得均匀一致的清理质量;


4、磨料和粉尘自动回收处理,不污染环境;


5、施工效率高,一次抛丸清理有效宽度达500mm以上。


抛丸设备的应用主要有以下几个方面:


1、水泥混凝土表面


    工厂车间、仓库、停车场等水泥地面的表面处理:除去旧的标线、涂料、油
漆、防水材料、防腐材料及污染物和杂质;
    旧地坪的改造、新地坪的涂装。


2、沥青混凝土表面


公路、桥梁、沥青路面的日常预防性养护:沥青表面去除杂质、去除标线、
去除沥青面层中的上面层多余沥青(泛油)、进行稀浆封层前路面的打磨处理、
恢复摩擦系数、增加表面粗糙度;
    机场跑道的日常预防性养护:混凝土、沥青跑道去除胎迹(除橡胶)、去除
标线、恢复或者增加机场跑道表面粗糙度。


3、钢铁表面


桥梁:桥面钢板除锈防水/防腐材料喷涂前的表面预处理;


船舶行业:修船厂/造船厂的船体钢铁表面的除锈、喷刷防腐/防水涂料前的  表面预处理; 

石化炼油厂、电厂:储气罐、储油罐、蓄水池等的内壁外壁的表面清理。


1.3课题研究的目的和意义


抛丸处理是一种在欧美发达国家已经开始应用的表面处理方法。目前随着抛丸设备的不断改进和技术成熟,抛丸工艺和设备已经进入欧美发达国家公路养护、桥梁施工和机场维护等领域。中国在此方面的应用却很少,只有在少数项目中使用了抛丸工艺,而在高速公路、市政道路、机场跑道维护及混凝土桥梁防水涂装方面还是一个空白。抛丸设备可以提高沥青路面粗糙度和摩擦系数,同时还可以清除沥青路面的附着物(如燃油、机油),从而提高了路面的附着力,保证了行走安全且提高了路面的使用寿命。还可以对水泥路面的表面进行清理。同时,它还可以应用公路标志线的清除与铺设中。在机场跑道的应用上,飞机在起降过程中,轮子与跑道道面摩擦剧烈,在道面上留下厚厚的胶层,使道面的摩擦系数降低,尤其在跑道中心线两侧各15米处左右更为严重,所以机场跑道都会定期的
除胶,防止飞机轮胎打滑现象的出现,使飞机落地时更加平稳。目前国内大部分机场都没有专门的跑道除胶设备,基本都是采用高压水进行清洗,这种方法不但清理效果差、工作强度大、效率低、浪费水资源、经济性差,而且受季节影响较大,需要等待跑道干燥后机场才能正常开放。以往首都机场采用的是铣刨设备除线的方法,会造成对混凝土地面的轻微损害。现在的首都机场采用BLASTRAC公司提供的抛丸设备进行除胶以及除线作业,既大大提高了效率,而且清理效果好,操作简单方便,最重要的是对地面没有任何损害,而且施工不受季节的影响。因此对抛丸机的工作机理进行研究,并对它在路面、桥梁、船体除锈,以及机场跑 道除胶等工程方面的应用进行探讨具有很大的实际意义。下图1-1为国内首都机场的抛丸机正在作业。