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拋丸機葉輪葉片的優化設計

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-3-22 16:12:23 瀏覽人數:572,1,0
   為提高拋丸葉片(也稱葉輪葉片)使用壽命,除在材料上改進外,人們總想在葉片外形上作適當改進,使既能提高拋丸速度,又能延長使用壽命。 國外早已大力推廣園孤曲線葉片,然而往往不能如愿以償,大力推廣傾斜葉片,然而由于介紹得不深入,沒有被人們了解。
1、葉輪葉片形狀的國外情況:
  在國外上世紀就將曲線葉片當作技術創新大力宣傳和推廣,美國潘伯(Pangorn)公司在上世紀 70 年代的第五屆國際鑄造博覽會(GIFA)上展出了 RK 型曲線葉片拋丸器, 日本太平洋株式會社等公司購買了該公司這項專利;比利時的工程師里昂·魯藤創造了“魯藤渦輪機”型拋丸器加以宣傳;在我國也在這時候引進不少裝有曲線葉片拋丸器的拋丸機械,但用的不是很好, 大部分企業用了不久就更換成國產直葉片了,而國外曲線葉片宣傳并沒有停歇。
2、葉輪葉片形狀的國內情況:
  國內對曲線葉片也早有關注,尤其是鑄鍛所有關人員在參加第五屆國際鑄造博覽會上帶回了不少有關資料,青島鑄機廠做出樣品試驗,鑄鍛所也在拋丸試驗研究課題中做了各種曲率曲線葉片的試驗,其園孤曲線葉片效果并不理想。 由高速攝影機拍出的有些曲線葉片的彈丸拋出速度低于設計的速度,而撿查葉片磨損程度時發現葉片出口段有部分本沒有磨損痕跡,分析其原因是由于設計園孤曲線葉片按哥氏力為零而設計(或略大于零)的,目的彈丸在葉片運動時對葉片壓力小,磨損少。 對于圓弧曲線葉片,彈丸在進入葉輪葉片的初期,其速度還小于葉片速度時,是在加速,其速度方向也按其本身規律隨著改變,加速到某一速度時,其速度(不是葉片速度)方向和葉片的曲面切向一致了,就開始脫離葉片和曲線葉片切向平行自由直線飛行,而葉片按其曲率繼續彎曲,兩者分道揚鑣,不同曲率半徑葉片(只要是圓弧的)都有這種情況,不過脫離葉片位置不同而己,曲率半徑大的靠前,反之靠后。 即使曲率半徑稍大點曲線葉片,彈丸對葉片有一定壓力(即有一定哥氏力),在還不夠大時,由理論力學告訴我們:一個物體要運動起來,要改變方向,或要加、減速度(即要改變運動狀態),一定要有作用在這個物體上的推動力,顯然,彈丸在葉片上運動,要被加速的動力來自葉輪的葉片的摩擦力的傳遞,如哥氏力不大,其推動(或稱帶動)彈丸運動的摩擦力難以加速彈丸,使得彈丸拋出速度與計算有差距。
  另一種情況是葉片磨損集中了,在某段反而嚴重了(見圖 7,壓力集中某一段中),葉片某段磨損到一定程度即不能再用,整個葉片即報廢,得不償失。
  我國引進的曲線葉片拋丸器用一段時間后不用的原因可能和上述原因有關。 新葉片,表面較粗糙,摩擦力較大,足以加速彈丸運動,當葉片表面磨光后,摩擦力小了。 這就是引進曲線葉片,用了一段時間后,不好用的原因之一。 再是曲線葉片的曲率半徑一般稍大于哥氐力為零時半徑,使用一段對間后,出口處磨損了一些,使達到哥氐力為零時半徑,是不好用原因之二。
  通過對國外宣傳曲線葉片的介紹,對照試驗情況進行分析,認為結果值得懷疑。 例如“魯藤渦輪機”型拋丸器[9],似乎是單一曲率圓弧,其只想象地作出曲線葉片出口處的相對速度和葉輪切向速度的合成拋出速度,如圖 1 所示,是否是試驗(高速攝影拍得)或計算獲得不得而知。 和我們試驗的上述分析有相同之處。 也就是說彈丸法向速度(葉輪是一整體,葉輪上每個點都互相牽連,法向速度互相平衡,對外永遠為零,葉片上自身每點的速度是園周速度(也稱切向速度)也是絕對速度。 )可能在葉片某點變為零了(即哥氐力為零),脫離葉片自由飛行了,有使用經驗的人一看圖 1 的曲線葉片,就會認為: 這種葉片在開始的時候可能好用,用了不長時間后, 可能就不好用了; 而用徑向直葉片絕對沒有這種情況。 這也是直線葉片至今一直沒有被否定掉的原因所在。
圖 1 “魯藤渦輪機”曲線葉片
圖 1 “魯藤渦輪機”曲線葉片
  那么曲線葉片形狀是怎樣得出來的呢? 沒有看到國外全面闡述曲線葉片形狀學方面文獻,只看到零星分散在介紹曲線葉片的商業文章中的一些敘述。 筆者同事寫了一篇《曲線葉片圓孤半經的確定》的文章,對曲線葉片作了全面分析[7],其 圓 弧 葉 片 半 經 計 算 公 式 是 ρ ≥ρmin=3/4技術公式 。依此公式作出如圖 2 所示曲線葉片基線,此公式和文獻[2]的假設條件相同,即自原點到假設計算點的哥氏力為零(或接近零)求得的,大概“魯藤渦輪機”型拋丸器可能也是這樣分析的,因為是單曲率中心的園孤,只是原點到計算點的哥氏力都為零(或接近于零),當彈丸進入葉輪葉片加速到該點(即計算點)葉片的速度后就會脫離葉片自由直線飛行,得不到葉片對它的加速,拋出速度反而低。 上述葉片自身每點哥氏力為零的曲線葉片曲率半徑計算公式來源各不相同,但計算都會得到同樣的公式,但是對它的認識各不相同,造成應用就有
圖2曲線葉片分析圖
圖2曲線葉片分析圖
很大差別。 這為零是指曲線葉片上,葉片自身每點哥氏力為零(即法向速度亦為零),非處于葉片該點的彈丸就自動變為哥氏力零(也是非彈丸法向速度為零),如果彈丸速度低于葉片該點的速度時,要加速(曲線葉片既要加大法向力,還要改變方向),要加速和改變速度方向都要有哥氏力才做到,哥氏力并不為零,而且是巨大的(因為法向速度除其數值由零變大外,其方向要隨葉片曲率急聚改變,這要付出巨大哥氏力才行,哥氏力反而大了,直線葉片的法向速度只有數值改變,方向不改變,相對說來,哥氏力要小些),在磨損葉片同時加速彈丸速度,一當彈丸得到哥氐力為零的速度時就脫離葉片自行飛出了。 就葉片整體而言同樣要磨損,不過集中了,所以有很大局限性,葉片磨損,開始時小,中間大(并不比直線葉片?。?, 而后接近計算點時小了,如圖 2 所示,造成中間段有巨大哥氐力,國外也有相類似情況,圖 1 就是這種情況。
3、傾斜葉片:
  以上情況在撰寫《現代拋丸器幾限個疑點的質疑》一文中就注意到了,并和同事們作了嚴格的分析計算,整理成文章發表有關雜志上[1~3]。
  筆者是根據題義,將自計算原點到計算點距離縮小,使速度變化率縮?。錘謀浞ㄏ蛄Υ笮『頭較潁?,需要哥氏力小了因而葉片磨損小了。 定出一些“典型點” 的哥氏力為零的曲率半徑: 即算出 Rk=1.0R0,1.5R0,2.0R0,2.5R0,3.0R0的相應的 ρmin=0,0.84,1.30,1.72,2.12 數值作出園孤,再聯接各線的交點,恰好是一直線(如圖 3),這就是傾斜葉片基線。分折圖 3 可知:基線上 1,2,3,4,5 五點的法向力變化率小了,因為其基線方向不變化,在變化過程中哥氏力小了,到了計算點上哥氏力為零了,可以推算,在此 1-5 基線上每一點的彈丸哥氏力基本上為零的,而其速度在葉片中該一點上若小于葉片速度就要
圖3傾斜葉片分析圖
圖3傾斜葉片分析圖
  被葉片加速到葉片速度,因而彈丸處于葉片該點本身的速度就是絕對速度,又永遠小于后一點園孤處的葉片絕對速度,要被后一點園孤葉片加速,使彈丸等于后一園孤葉片的絕對速度,永遠不會自由飛出,可以看出其變化率小了,其哥氏力也小了,直到葉片出口處被拋出為止,這時出口處才名符其實符合圖 1 所示的速度分析。 這是本文對文獻[1]的補充,這是筆者推薦傾斜葉片的理由所在。 至于傾斜葉片數理分析參見[1~3]文獻,在此不重復。
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