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螺旋進丸拋丸器的研究與應用

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-4-11 21:45:38 瀏覽人數:631,1,0
摘要:提出了一種新型的螺旋進丸拋丸器。在機械進丸拋丸器中,分丸輪的固有結構限制了其最大拋丸量的提高,試驗結果顯示:該種分丸輪的能量消耗約占拋丸器工作時能量消耗的三分之一。螺旋進丸拋丸器改變了機械進丸拋丸器的離心徑向喂丸方式,消除了堵丸現象,分丸輪內的能量消耗減少到了十分之一,拋丸率提高了35%~ 45%,拋丸量可提高一倍以上。另外,由于螺旋分丸輪的特殊結構,在材質相同的情況下,螺旋分丸輪的使用壽命是鼠籠式分丸輪的五倍以上。實際應用表明,這是一種大拋丸量、高效率、使用壽命長的新型拋丸器。

 在對工件的表面進行清理及強化的工藝中,拋丸的方法是最經濟最有效的方法之一圖2 螺旋分丸輪結構圖。目前應用最多的是機械進丸拋丸器,多年來許多研究者在其結構和使用方法方面進行了卓有成效的研究,使其使用性和經濟性不斷提高。由于機械進丸拋丸器分丸輪的鼠籠式結構,使它具有難以改變的喂丸方式和工作狀態,以致難以提高其最大拋丸量,也難以降低或消除分丸輪工作時過大的磨擦損耗。螺旋進丸拋丸器的螺旋分丸輪改變了鼠籠式分丸輪的喂丸方式和工作狀態,也克服了鼠籠式分丸輪上述的兩個技術難點,拋丸量可成倍提高,分丸輪內的摩擦能量消耗減少了90%,使用壽命提高到五倍以上。

1、鼠籠式分丸輪的喂丸過程及能量消耗分析:
1.1、彈丸進入鼠籠式分丸輪窗口的過程:
   一般認為,來自進丸管的彈丸首先進入到鼠籠式分丸輪內孔中,在分丸輪高速旋轉的帶動下,彈丸沿徑向以不同的角速度分布在分丸輪內孔表面上形成一環狀彈丸帶。當達到一定的臨界角速度后,外層彈丸以相同的概率連續不斷地沿徑向進入分丸輪各個窗口。
1.2、鼠籠式分丸輪能量消耗分析:
   輸入鼠籠式分丸輪內的能量最終能夠轉化為以下幾種形式:彈丸從分丸輪窗口飛出所具有的動能;
   彈丸與分丸輪內腔表面、彈丸與彈丸之間的相互碰撞摩擦所消耗的能量;彈丸在分丸輪和定向套之間的間隙中的摩擦能耗;少部分未能從定向套窗口飛出而打擊在定向套上的彈丸所消耗的能量。在這些消耗的能量中,除彈丸從分丸輪窗口飛出所具有的動能為有效能量消耗外,其余均為無效能量消耗,這些無效能量消耗均是由于分丸輪的結構所造成的。若能將這些無效能量消耗減少或分部消除,則拋丸器的拋丸率才有可能得到較大地提高。

2、螺旋進丸拋丸器的結構及試驗:
   受螺旋輸送原理的啟發,我們設計了一新型的螺旋式分丸輪,以達到增大進丸量、減少無效能耗的目的。
2.1、螺旋進丸拋丸器的結構:
2.1.1、總體結構:
   圖1為螺旋進丸拋丸器的結構,它實際上是用螺旋分丸輪替代了機械進丸拋丸器的鼠籠式分丸輪。其中,分丸輪的固定方式相同,定向套的長度略有加長。

圖1 螺旋進丸拋丸器結構簡圖
圖1 螺旋進丸拋丸器結構簡圖

2.1.2、螺旋分丸輪結構:
   圖2為螺旋分丸輪結構,它是由直葉片段(類似于鼠籠式分丸輪)和螺旋葉片段構成,其數量與拋丸葉片數量相對應。
圖2 螺旋分丸輪結構圖
圖2 螺旋分丸輪結構圖

2.2、螺旋分丸輪喂丸過程分析:
2.2.1、喂丸過程:
   由圖3所示,彈丸由進丸管進入到分丸輪內孔后,迅速進入到兩螺旋葉片間的間隙內,被松散地沿軸向輸送到直葉片段。此時的直葉片已旋轉到垂直中心線左側的位置,距定向套窗口約有三分之一至二分之一圓周。進入直葉片段的彈丸隨分丸輪一起旋轉,直至從定向套窗口被拋射出去。
圖3 螺旋分丸輪喂丸過程
圖3 螺旋分丸輪喂丸過程

2.2.2、螺旋分丸輪喂送彈丸過程中的能量消耗:
   螺旋分丸輪工作過程中的能量消耗主要由兩部分組成:a)螺旋葉片輸送彈丸所消耗的能量。由于彈丸在被輸送過程中呈較為松散的狀態,且主要分布在分丸輪下部葉片間的間隙內,彈丸被軸向移動需要能量。此時的彈丸與螺旋葉片之間、彈丸與彈丸之間的摩擦能耗較小。b)彈丸進入直葉片段后所消耗的能量。螺旋分丸輪喂送彈丸的過程不同于鼠籠式分丸輪,它是逐片逐片地向直葉片喂送彈丸。載有彈丸的直葉片約占葉片總數的三分之一左右,其余的直葉片上有少量彈丸或沒有彈丸(圖3)。直葉片上的彈丸隨分丸輪一起旋轉消耗一部分能量。同時,在分丸輪與定向套的間隙中,只有靠近這三分之一載有彈丸的直葉片的間隙中填有彈丸,且與分丸輪外圓表面及定向套內表面產生摩擦而消耗另一部分能量。
   與鼠籠式分丸輪相比可以看出,螺旋分丸輪在喂送彈丸過程中的能量消耗要小的多。

2.3、螺旋進丸拋丸器試驗:
2.3.1、螺旋分丸輪的主要試驗參數:
   螺旋分丸輪的主要參數有螺旋葉片的螺旋角、螺旋葉片的寬度與斷面形狀、兩螺旋葉片間的法向寬度及螺旋葉片長度。這些參數對拋丸量和拋丸率均有較大影響圖3 螺旋分丸輪喂丸過程。實驗用螺旋分丸輪外徑為96mm,螺旋角56°,螺旋葉片寬度18 mm,斷面形狀為梯形,兩螺旋葉片間的法向間隙為12 mm,螺旋葉片長度70 mm。

2.3.2、主要性能比較試驗:
   為了便于與機械進丸拋丸器進行的結構實驗比較,采用國產Q3024型拋丸器作為試驗用拋丸器。試驗中只更換分丸輪,其它結構和參數不變。試驗用拋丸器的主要結構參數如表1。
表1 試驗拋丸器的主要參數
表1 試驗拋丸器的主要參數
輪內徑為60 mm,外徑96 mm。
   試驗過程中,在機械進丸拋丸器達到最大拋丸量后,繼續增加進丸量,出現了堵丸現象;而螺旋進丸拋丸器出現了電機功率不足的現象。對比試驗結果如表2所示。從表中可以看出螺旋分丸輪的拋丸量和拋丸率均有較大程度地提高。
表2 試驗結果比較
表2 試驗結果比較

2.3.3、分丸輪功率消耗試驗:
   為了能較為準確的測量兩種分丸輪喂送彈丸過程中所消耗的能量,設計了如下的實驗方案。試驗中采用間接測量的方法,首先測量拋丸器的空載和負載電流,然后拆掉拋丸葉片后再測量其空載和負載電流。顯然用后一項的負載電流減去后一項空載電流即是分丸輪喂送彈丸的能耗。試驗結果見表3。
   由表3可以看出,機械進丸拋丸器的空載電流、鼠籠式分丸輪喂送彈丸及彈丸在拋丸葉片加速所消耗的電流大約各占負載電流的三分之一。在拋丸量相同的情況下,螺旋進丸拋丸器總的功率消耗為機械進丸拋丸器的74.9%,其中分丸輪喂送彈丸所消耗的能量不足鼠籠式分丸輪送彈丸所消耗能量的
表3 試驗結果記錄
表3 試驗結果記錄
三分之一。在相同功率的情況下,螺旋進丸拋丸器的拋丸量比機械進丸拋丸器的拋丸量提高了46%。在相同拋丸量的情況下,螺旋分丸輪喂送彈丸的能量消耗不足機械進丸拋丸器總能量消耗的十分之一,拋丸率比機械進丸拋丸器提高了近34%。
   上述實驗結果說明,改變分丸輪的結構,可改變彈丸被喂送的方式,可有效地降低無效能量消耗,較大幅度地提高拋丸量和拋丸率。這是提高機械進丸拋丸器拋丸量和拋丸率的根本途徑。
3、螺旋拋丸器的實際應用:
   為驗證螺旋進丸拋丸器的實際應用效果,先后在Q3024及Q3025型拋丸器上進行了生產性應用。為了與機械進丸拋丸器有可比性,采用了材質相同的鼠籠式分丸輪和螺旋分丸輪,應用效果如表4。
   從表4中可以看出,在同一個拋丸器上,螺旋分丸輪比鼠籠式分丸輪降低了25%~ 36%的功率消耗,而其使用壽命卻提高了五倍以上。即使在大拋丸量的情況下,螺旋分丸輪的壽命也在400 h以上。這說明,螺旋分丸輪在工作中所產生的摩擦能量損耗遠小于鼠籠式分丸輪的摩擦能量損耗,這也是螺旋分丸輪之所以拋丸率高、使用壽命較長的主要原因。從表4中還可以看出,只要加大電動機功率,螺旋進丸拋丸器的拋丸量是機械進丸拋丸器的兩倍以上,拋丸率提高50%以上,而且消除了堵丸現象。這主要是因為螺旋分丸輪改變了彈丸被喂送的方式和運動狀況,疏通了喂丸通道,使彈丸能夠順利地進入螺旋分丸輪的直葉片段,然后被喂送出去。而鼠籠分丸輪的固有結構,是產生堵丸現象并限制其最大拋丸量的根本原因。
表4 兩種分丸輪的應用效果比較

表4 兩種分丸輪的應用效果比較
 綜上所述,螺旋進丸拋丸器是一種大拋丸量、高效率、使用壽命長、綜合性能好的新型拋丸器。
4、結論:
1)鼠籠式分丸輪在喂送彈丸過程中,由于其與彈丸的多種強烈摩擦,消耗了大量的能量。這部分能量消耗約占總能量消耗的三分之一,因此,降低該部分的能量消耗是提高拋丸器拋丸率的根本途徑。
2)螺旋分丸輪以軸向方式喂送彈丸,疏通了喂丸通道,大幅度降低了摩擦損耗,與鼠籠式分丸輪相比拋丸量提高了一倍以上,消除了堵丸現象,其能量消耗減少到了十分之一,拋丸率提高了35%~50%。分丸輪的壽命提高到機械分丸輪的五倍以上。
3)通過實際應用表明:螺旋進丸拋丸器是一種大拋丸量、高拋丸率、使用壽命長的新型拋丸器。
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