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南京移動式路面拋丸機施工運用

文章出處:原創 編輯:拋丸機發表時間:2015-4-30 14:05:10 瀏覽人數:705,1,0
  摘要:拋丸工藝是一種利用丸料對材料表面的高速沖擊進行表面處理的相關工藝。為使路面拋丸機的工作效率與工藝更加優化,木研究通過數學分析并經過實驗機驗證調整設計新型的路面拋丸機。對路面拋丸機關鍵零部件尺寸及位置進行優化設計與討論,通過實驗調整拋頭、定向套的位置和角度使拋丸寬幅達到1 000 mm,同時保證最佳的拋丸效果。

  1、前言:

  拋丸工藝是一種在歐美發達國家廣泛應用的表面處理方法,是指通過機械的方法把丸料(鋼丸或砂粒)以很高的速度和一定的角度拋射到工件表面上,讓丸料沖擊工件表面,然后在機器內部通過配套吸塵器的氣流清洗作用,將丸料和清理下來的雜質分別回收,并且使丸料可以再利用的技術圖1 拋丸區域的3種設計方式。

  世界上第一臺拋丸設備誕生于100年前的美國,起初的拋丸工藝主要是應用在各種鋼板表面的去除雜質、氧化皮、增加表面的粗糙度以及金屬表面的強化等方面,由于其高效、環保、丸料循環等優點,20世紀60年代,拋丸工藝開始進入到交通工程建設領域。傳統拋丸設備的工作是固定式的,將拋丸處理的零件送進一個密閉的空間里進行,主要應用于各種金屬或非金屬表面去除雜質、氧化皮、增加粗糙度等方面[2,3]。隨著世界上第一臺水平移動式巴拉多利德对巴伦西亚設備于 20 世紀 60 年代在美國佰萊泰克(blastrac)誕生,其應用領域迅速擴展到混凝土表面涂裝處理和船舶甲板金屬表面處理上[4,5]。

  中國的拋噴丸設備生產始于20世紀50年代,主要是仿前蘇聯技術。歷經幾十年的不斷發展,路面拋丸機從傳統的固定式發展到現在的移動式,從單一的一種機械發展到一個領域,從單一的一道生產程序到整個生產工藝中的一部分。隨著拋噴丸工藝的廣泛應用,至今世界上已經發展了適應各種不同工藝要求的拋噴丸設備,具上千種規格品種,但國內生產的還沒有一種規格的可移動式路面拋丸機其拋打區域寬度能達到1 000 mm。國外先進設備廠商基于其自身的技術?;?,還沒有對中國輸入寬幅路面拋丸機技術,本項目旨在研制出拋打區域寬度能達到1 000 mm 的可移動式路面拋丸機,突破國外廠商技術壁壘,填補國內產品技術空白。

  2、工程背景:

  南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝采用復合澆筑式瀝青混凝土技術,南京重大路橋建設指揮部、南京林業大學、日本長大公司、山東路橋集團有限公司、鎮江藍舶工程科技有限公司(簡稱藍舶科技)等單位成立鋼橋面鋪裝技術研究課題組。藍舶科技負責對于鋼橋面拋丸施工特別拋丸設備方面,進行有針對性的研究和嘗試。

  根據施工技術要求和日本長大公司專家的建議,南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝項目鋼橋面打砂除銹的質量標準為:1級拋丸除銹(gb/t8923sa3級)。

  根據項目總體安排部署,鋼橋面拋丸施工時間確定為2012年6月1日至2012年7月20日;其時為多雨、高濕、悶熱的梅雨季節。施工周期為50個日歷日,有效工作日28天,施工面積70 000 m2,日均完成2500m2以上。

  為達到以上目標,課題組跟蹤國際環保涂裝界最新產品,學習借鑒國內外路面拋丸機設計制造的先進技術和理念,科學設計、精心制造,在lkp50型和lkp700 型多功能自回收路面拋丸機的基礎上研發了lkp1000型多功能自回收路面拋丸機。

  3、路面拋丸機參數計算及尺寸設計:

  lkp1000 型可移動式路面拋丸機的設計是在藍舶科技公司自主研發的lkp550型和lkp700型自回收多功能路面拋丸機的基礎上實行的,外形結構和部分零部件的結構尺寸仍沿用lkp550型路面拋丸機的。拋丸器是路面拋丸機的核心部件,主要包括分丸輪,帶有一定開口角的定向套和拋頭,其結構尺寸和放置位置直接影響著路面拋丸機的拋丸寬度和拋打效果。因此,路面拋丸機設計主要是拋丸器結構尺寸和放置位置的設計。

  3.1、主要參數的確定:

  原蘇聯學者阿克肖諾夫在教科書上以及薩威林博士在《噴彈硬化》一書中提出了拋丸器設計常用的公式如下圖5 拋丸現場照片。

  相對速度vr=ω 2ρ2-ρ02(1)牽連速度ve=ωρ (2)絕對速度vmax= 2ve≈1.4ve(3)角位移θ= 2(ρ-ρ)0/ρ0(4)

  式中,vr為相對速度,m/s;ve為牽連速度(拋丸器出口處拋頭葉輪外徑的切向速度),m/s;vmax為絕對速度,m/s;ω 為角速度,rad/s;ρ 為計算點直徑(本設計直接作為拋頭葉輪外徑),m;ρ0為原點直徑(拋頭葉輪內徑),m;θ 為角位移,為拋丸器彈丸自定向套窗口由起始點(即拋頭葉輪內徑或定向套外徑)到拋頭葉輪出口的角位移,rad。

  實際應用中絕對速度vmax即是拋出速度,與切向速度的夾角 σ=tan-11.4≈55°,這也是常用定向套窗口角度多取54°、55°的原因,故本設計中,拋丸器的定向套窗口角度定為55°。為方便起見,將定向套外徑近似看為拋頭葉輪內徑,本設計取定向套外徑即拋頭葉輪內徑 ρ0=98mm ,拋頭葉輪外徑ρ=220mm ,拋丸幅寬≥1 000 mm。根據方向角tgα≈ 1-(ρ)0ρ2,求得彈丸拋出時的速度方向與葉片徑向之間的夾角 α=41.8° ,將參數代入式(4),求得彈丸在葉輪中的角位移θ=90.4° 。

  拋丸區域有3種設計方式

  1)拋丸區域關于拋丸輪中心對稱,如圖1a所示,拋出來的彈丸所形成的扇形流束被分成了兩部分。這種方式會造成對稱兩拋射帶拋打效果不均勻。

  2)拋射扇形流束角對稱,如圖 1b 所示,拋打在區域abcd內與cdef內的彈丸的拋射角度是相同的,只是兩個區域的拋丸量不同。

  3)拋打量對稱,如圖 1c 所示,拋打在區域 abcd內與區域cdef內的彈丸的拋丸量是相同的,其中bc=cf,整體來說拋打效果較好。

  對于單拋頭路面拋丸機應該選擇第1種方案進行設計,盡量滿足整機結構上的對稱性;對于雙拋頭路面拋丸機,則應選擇第3種方案,保證拋打效果的均勻性。

  根據前文所求得的參數:彈丸在葉輪中的角位移 θ=90.4° ,拋出時的方向角 α=41.8° ,定向套外徑 ρ0=49mm ,定向套窗口角度為55°,拋頭葉輪外徑為220 m,以拋打量對稱方式設計拋射區域,以及設計要求的拋打幅寬≥1 000 mm,因此如圖2所示可得兩葉輪的中心距為422 mm,距離地面最小高度為483 mm。若要保證足夠的拋打寬度,則拋頭到地面的垂直距離要大于483mm。

  3.2、電機的選擇:

  拋頭轉速的大小決定著彈丸的拋出速度。對路面拋丸機而言,其彈丸的拋打速度一般在75 m/min左右,鑄件表面清理時,其彈丸的拋射速度一般在70 m/min 左右。同時彈丸的拋射速度可按下式近似計算v=0.068dn (5)式(5)中,v為彈丸拋射速度,m/s,本設計中取75m/s;d 為拋頭直徑,m;n 為拋頭轉速,r/min。
圖1 拋丸區域的3種設計方式
  圖1 拋丸區域的3種設計方式
圖2 拋頭位置與彈丸軌跡(單位:mm)
  圖2 拋頭位置與彈丸軌跡(單位:mm)

  由于設計中拋頭直徑即拋頭葉輪外徑d=ρ=220mm ,由 式(5)計 算 可 得 拋 頭 轉 速n=5013r/min ,其大小由所選電動機的轉速和帶傳動的傳動比決定。根據路面拋丸機近似功率計算公式可得p=4.428qn2ρ2c (6)由式(6)計算可得p=4.428qn2ρ2c=4.428×180×50132×0.222×(1.3~1.4)≈(12.6~13.6)kw

  根據上述計算結果,在電機功率為15 kw,轉速為 2 940 r/min,拋頭線速度為75 m/s,小輪轉速為5 013 r/min的條件下,帶輪傳動比為η=n1n2=d2d1(7)式(7)中,n1為小輪轉速,5 013 r/min;n2為大輪轉速,2 940 r/min;d1為小輪直徑,mm;d2為大輪直徑。大輪直徑選擇參考值 d2=160mm ,則小輪直徑 d1=94mm。

  4、實驗分析:

  根據以上初步確定的參數,設計生產出拋頭距地面的距離可調的實驗機,可調距離為400~520 mm。在此基礎上進行實驗,分析拋頭距離地面的高度對拋丸寬度和拋打效果的影響,最終確定拋頭的位置。圖3所示為用設計生產的實驗機來拋打布滿嚴重銹跡的鋼板。
圖3 設計制造的實驗機
  圖3 設計制造的實驗機

  實驗結果表明,拋頭距地面高度小于440 mm時,拋丸寬幅不足1 000 mm;大于480 mm時,出現拋打不均勻現象,兩側拋打效果不明顯;拋頭距地面高度在440~480 mm時,拋打均勻,且滿足粗糙度要求。如表1所示為拋頭距地面高度分別為440 mm、460 mm、480 mm 時,選取的 5 個不同區域測量的粗糙度值。圖4為拋頭距地面高度為440mm時的實際拋丸效果圖對比。
表1 elcometer223數字型表面粗糙度測量儀的測量數據
  表1 elcometer223數字型表面粗糙度測量儀的測量數據
圖4 拋丸效果圖對比
  圖4 拋丸效果圖對比

  5、研發設備在南京長江第四大橋施工中的運用:

  南京長江第四大橋鋼橋面鋪裝項目中對鋼橋面打砂除銹的質量標準為:1級拋丸除銹(gb/t8923 sa3級)。

  課題組使用試驗樣機通過場內工藝實驗和麒麟互通實驗橋現場實驗比對,控制磨料的型號、配比,路面拋丸機的行走速度,研究滿足設計要求的施工工藝參數。最終確定南京長江第四大橋拋丸施工磨料采用全鋼砂(g16),路面拋丸機行走速度0.7m/min。

  2012 年 5 月 27 日開始 lkp1000 型、lkp700 和lkp550 型多功能自回收路面拋丸機單機鋼橋面打砂除銹試驗,磨合施工工藝。 2012年6月1日藍舶科技以6臺新交付的lkp1000型多功能自回收路面拋丸機為主,10臺lkp700和lkp550型多功能自回收路面拋丸機為輔正式開始打砂除銹施工,2012年7月20日,按期完成任務。拋丸現場照片見圖5。
圖5 拋丸現場照片
  圖5 拋丸現場照片

  經日本專家鑒定鋼橋面打砂除銹充分滿足1級拋丸除銹(gb/t8923sa3級)。

  6、結語:

  通過數值分析與實驗驗證得到該路面拋丸機設計的最佳參數,使路面拋丸機的拋丸效果最優化。路面拋丸機在實際應用中,還需要經過不斷的改進與創新,將拋丸工藝不斷的優化,使我國的路面拋丸機的技術水平躋身于世界前列。

本文來源青島華盛泰拋丸機://www.spzwhn.com.cn/jishu/705.html
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