抛丸机清理弹丸循环系统结构优化与改进


发动机缸体铸件大都采用砂型铸造T艺,铸件浇注成型后需要采用落砂、去浇冒¨、热处理、振击除芯、一次抛丸、铸件表而磨削、人工精整、二次精抛、清理检验及铸件涂装等一系列精整一L序来完成…。其中,抛丸清理是提高发动机缸体使用寿命的关键工序,一次抛丸足将r件表嘶和内部的氧化皮及粘砂清理干净,二次抛丸是在一次抛丸的基础上对铸件清理的补充,尤其是对内腔的清理,以期达到较高的清理质量水平,符合发动机缸体铸件产品的工艺要求。
发动机缸体的抛丸清理设备有吊钩式、悬链式、积放链式、鼠笼式、机械手式和转盘式等几种结构形式[]】,其中弹丸循环系统是整个抛丸机的血液循环系统,由]振动输送机(也称振动筛)或螺旋输送机、斗式提升机、丸渣分离器和弹丸流量控制系统等组成本文针对弹丸循环系统各部件的使用特点,对其结构进行优化和改进,以期指导实际生产。
1 结构优化方法与措施
*先制定弹丸回收流程,如图1所示。利用AutoCAD绘制出弹丸循环系统的整体装配图和部件图,利用三维软件Solidworks建各部件的三维模型,包括斗式提升机、螺旋输送机、振动输送机、丸渣分离器、流量控制阀等,采用气同流场分析软件对满幕帘丸渣分离器的流场进行分析。运用ANSYS.Workbench软件对弹丸循环系统进行仿真,根据仿真结果对其结构进行优化,优化结果代入Workbench软件进行仿真验证。
图1弹丸回收流程图
2三维建模与模拟分析
利用三维软件Solidworks建立各部件的三维模型(图2),并对各部件进行网格划分,运用ANSYS—Workbench软件对弹丸循环系统进行仿真(图3)。利用FLUENT对满幕帘丸渣分离器流场分布图进行分析(图4)。
图2弹丸循环系统三维结构图

图3弹丸循环系统部件模拟应变应力图
图4满幕帘丸渣分离器流场分布图
3弹丸循环系统的结构优化与改进
3.1弹丸输送机
弹丸输送分振动输送、螺旋输送和皮带输送几种形式,振动输送机,也成为振动筛,是一种广泛用于散性物料分*+输送的设备。物料通过筛面的筛孔,可根据需要按粒度要求分成几种*别,实现筛分功能,在分*过程中通过振动源实现物料向前移动。在发动机缸体抛丸清理机械中常用螺旋输送机,其是一种不具有挠性牵引构件的连续输送机械,利用带有螺旋叶片的螺旋轴的旋转,使物料产生沿螺旋面的相对运动,物料受到料槽或输送管壁的摩擦力作用不与螺旋一起旋转,从而将物料轴向推进,实现物料的输送,主要由螺旋轴,料槽和驱动装置组成,如图5所示。针对其使用特点做出如下改进。
图5螺旋输送机结构
1壳体2螺旋叶片3螺旋轴4悬挂轴承5从动装置6驱动装置7进料口8出料口 3.11驱动装置

驱动装置为连续输送机提供动力,主要由电机、减速机、电机座组成。电机和减速机一般都是外购。兼书记和螺旋轴的链接方式一般有链条传动、联轴器和轴装减速机等。链条传动比较简单,国内生产设备一般采用此种传动方式,相比其余方式成本较低。由于减速机可以正反转,若不考虑电机的旋向问题,可能出现链条传递拉力的一段在下次,如图6a所示。正确的设计思路应该先确定螺旋轴的旋转方向,根据物料的传递方向确定螺旋片的左右旋向。第二种采用弹性联轴器图6b,这种方式可以把连接轴之间的干扰因素减少到较低程度。弹性联轴器也允许被联接的轴在他们各自的载荷系统作用下产生偏斜或者轴线方向自由移动,浮动而不导致产生相互干扰。轴装减速机在国外设备中采用比较广泛,如图6c所示。

3.12螺旋轴

螺旋轴一般包括螺旋片,左右轴头和钢管。螺旋轴一般采用空心的,可以节省材料和降低螺旋轴的挠度。螺旋片由于焊接在轴上,其自身重量会增加轴的挠度,所以在设计计算过程中要加上螺旋片对螺旋轴的力。
螺旋轴的叶片大部分都由厚4-8mm钢板制作。螺旋输送器的寿命取决于螺旋叶片的耐磨性,螺旋叶片磨损较严重的的地方是它的顶部,磨损主要是磨粒磨损,氧化磨损和热磨损。提高螺旋叶片的耐磨性,可采取下列措施:①表层强化处卵,表强化并不仅仅提高表硬度,还可他金属材料表面具有某种特殊的化学性能,表面强化处理可以采用电弧和火焰疗法来提离金材料农而的硬度;②在靠螺旋叶片上部装上耐磨钢片或覆盖增强高分子耐磨片;③刷涂耐磨涂,如HNt耐磨涂料,粘结力强,成型好,稳定
性高,摩擦系数小,刷涂工艺简单,适合于温度小于
100°的场合,仉抗冲差,其耐磨性比铸铁高2.5倍;④以聚网氟乙烯为材,填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料,采用粉末冶金烧结成的螺旋叶片,其耐磨性较{高,年磨损量只有0.002~0.004mm。

(a)链传动 (b)弹性联轴器 (c)轴装联轴器 图6驱动装置

3.1.3壳体
壳体为一个相对密闭的空间,对物料起导向作用,大部分截面为“U”形的钢制槽体.根据使用要求不同截面尺寸、厚度有所不同,可用平法兰、角铁法兰联接或分段接..壳体上部均有顶盖,必要时顶盖可制成防尘刭水平螺旋输送机的进料¨开在机槽的盖,常做成.孑L,以便安装料斗或料仓,卸料门开在机槽底部,有时沿长度力‘向开数个孔,以便在中间卸科=.卸料¨也开成方孔,便于安装平板闸门。
3.I.4中间悬挂轴承
由于悬挂吊挂轴承体的存在,它将减少有效物流输送的横截而积,同时螺旋Il十片在中间轴承处间断。
另外由于螺旋机的吊挂轴承的工作环境存在大量粉尘,故需要更严密的密封,同时因吊挂轴承座及中间轴在设计的缺陷.吊挂轴承和中间轴磨损比较严重改进为卜下对开式(图7),这种形式由两个Ml2X45的螺栓联接对开轴承庸的卜下两部分,安装拆卸都更力‘便,轴承座也容易铸造,成本较低。
图7上下对开式吊挂轴承
1联接轴2联接螺栓3吊挂轴承4对开轴承的上半5对开吊挂轴承座的下半
3.1.5螺旋中问连接轴
螺旋输送机的中间轴,其结构为整体式时,磨损后需要更换时必须移动笨雨的螺旋芯轴,能将新的中问轴放进去,特别是抢修时,这种中间轴的
缺点更为突出。如果采用组合式中问轴,即在两端螺旋空心轴头焊接一段带凹槽止动沿的实心轴,而中间吊装轴承则制成两头带凸起止动沿的实心轴,装配时.两头带凸的实心轴插入带凹槽的实心轴,然后用螺钉垂直于凹凸方向对穿两轴而紧固(图8)、这种中间轴形式上像半联轴器,由于与端部联接轴是用销钉、螺栓联接,因此在更换中间轴时,只需将两个销钉螺栓拆开,将图中的对开吊挂轴承座的下半打开,即可快速完成吊挂轴承和巾问轴的拆卸史换。同时,因为中问轴两端有止动沿,防止了毛毡轴承在轴向方向卜的窜动.更好地保护了轴承的密封性(图9)

图8组合式中间轴
1端部联接轴2销钉螺栓3中间轴4端部联接轴5销钉螺栓
图9改进后的分段连接
1对开吊挂轴承座的上半2毛毡轴承3端部联接轴4销钉螺栓5对开吊挂轴承座的下半6中间轴7销钉螺栓8端部联接轴
3.1.6螺旋端部结构
设计时注意螺旋端板与进料几边缘处应留有一段距离,一般取150mm左右,如图1O.a所示。卸料口处与端板留有l50mm左右间距,如图lO.b所示,避免丸料直接与端板接触,尽量减小密封结构的压力。纵向螺旋与横向螺旋相连时,注意纵向螺旋的转向,如图1O.c中所示情况时纵向螺旋心为逆时针转动,如果螺旋叶片顺时针转动.丸料极可能进入到端板处,在端板处积丸。螺旋端板密封结构有毛毡密封、防尘圈密土寸和迷宫圈几币叶1型式。毛毡密封端板加T较复杂,更换时工作量较大;标准件防尘圈加丁成本低,但由于防尘圈的弹性比较大,在实际使用时防尘圈可能会随着轴一同转动而带端板,所以在使用时在防尘圈的外面又加了一层压板;迷宫圈结构丰要是南橡胶圈、迷宫盘和漏沙板组成,端板采用通孔,结构简单、成本低,实际使用密封效果良好。

图10螺旋端部结构改进
3.1.7端部轴承密封结构
3.2斗式提升机
斗式提升机由摆线针轮减速机、上下皮带轮、输送胶带、料斗、罩壳和涨紧装置等组成。
3.2.1提升机上罩
提升机上罩集动力装置、调节张紧装置以及卸料装置于一体fqJ。其丰要部件有壳体、角钢法、提升螺杆、带鹰轴承、链轮、链条、摆线针轮减速机,减速机座等部件组成为调节皮带的松紧度,必须在提升机l罩安装张紧装置,F}1于采用E提式张紧力‘式,相比推式张紧操作简单,但是因为要留有一定的张紧行程,所以导致卜罩高度有所增加。
在对卜罩壳体结构改进的同时,也改进了皮带轮与轴的安装艺性。改进后的壳体结构如图11_b所示,直接把开【1IF}1上部打通,这样能使皮带轮与轴装配好之后,一同从壳体顶部放入,而且因此做来的结构更加美观。
图ll壳体结构改进
用HT200铸件皮带轮代替原来焊接件皮带轮,采用螺栓连接定位(图l2),更有效的防止带轮的轴向窜动,安装也更加方便实用。
图12改进后的皮带轮结构
1皮带轮2螺栓3轴

对于提升机壳体的搭接式有多种。由于提升机壳体所用的板厚较薄,一般在3~4mm厚,而且壳体上开口也比较多,如搭接不合理或焊接工艺不合理,容易导致钢板焊接变形,影响使用与美观
如图13有两种搭接方式,对右图的搭接方式来说,由于钢板折弯角度误差及焊接变形,很容易导致焊缝位置钢板鼓起或内陷,而左的搭接方式能避免这一缺陷,而且折弯位置起到加强筋的作用,增加了壳体的整体强度。
图l3壳体链接方式

上罩密封的好坏直接影响整台设备的使用效果,由于运送的物料颗粒小,粉尘多,密封起来有一定的难度,现用得密封结构多为迷宫密封及毛毡密封提升机采用链条传动,减速机一般选用摆线针轮减速机,摆线针轮减速机具有结构紧凑体积小、运转平稳噪声低的优点。为防止停机时提升机倒转,对于提升量大的一般选用制动电机,或在传动
轴上加棘轮装置。
3.2.2提升机下罩
提升机下罩是由壳体、皮带轮(被动轮)、观察口、检修口、进料口、传动轴、带座轴承等零部件
组成。皮带轮和卜罩采用同一利幢占构和连接办式,轴的中心高度保证料斗不与提升机壳体底部接触并能保持20~30mill的距离,轴承采用P座,由角钢架固定,露出的轴端带有防护罩
提升机料斗按制作力‘式共分为两种,分别为铸造料斗和焊接料斗。由于随着提升越的增大,料斗的体积增大.这就必然导致料斗的质量增加,故在系列化设计中把提升量在100t以下的料斗定为铸造件,材料为HT150;100t以上的料斗定为焊接件,易磨损部位采用高锰钢。减速机座与罩壳的连接形式建议以焊接连接替代螺栓连接。
3.3丸渣分离器
3.3.1风选分离器
风选分离器主要由螺旋输送器、分选区部分、丸料仓-)2部分组成(陶l4)。按照结构不同又分为满幕帘式分离器和壁挂式分离器。
图l4风选分离器
满幕帘式风选分离器,包括布料螺旋、丸砂分离室和丸砂流幕形成机构,其T作原理为:从提升机流人的丸砂混合物,F}1布料螺旋形成仿佛瀑布一样的丸砂流幕。除尘风机经由分离器的风n抽风,利用重力风选原理,将流幕中的弹丸与金属氧化皮碎片、破碎弹丸及粉尘有效分离,大颗粒废料从分离器丸料溢流¨流出,细小丸料、粉尘从废料出口流,弹丸进入丸料仓进行循环。其中布料螺旋和丸沙分离室基本无区别但丸沙流幕形成机构有多种,综合考虑使JfJ情况,分为以下四种情况:①手动重锤式;②手动内部幕帘调节;③手动外部幕帘调;④自动气缸凋节。
(1)手动重锤式幕帘调节装置。该装置是我们
较常使用的一利-装置(图l5.a),其结构简单,依靠丸料的堆积重量推开带有重锤的钢板,使丸料流入分选区。这种调节装置可以根据需要即使丸料布满分选区I部,又可以使丸料同时以幕帘的形式落人分选区,从而使有效丸料更好的分离m来,但其调节烦琐日.不精确,特别在大吨位丸砂混合物需要分离时会产生流幕布料不均,进而影响到其在分离室段的分离效果丸砂分离不彻底还会引起抛打效果不好和易损件磨损过快。
(2)手动内部幕帘调节装置。该装置是bl本新东公司分离器采用的一种装置(罔15-b),整体结构比较紧凑。此装置有两个调节,一个是满幕帘调节装置,它是通过螺栓来调节满幕帘板的距离,调节范罔不大,且需要两边调节,适用在小吨位的分离器比较方便;另一个调节是为了区分钢丸与砂,这样可以减少钢丸的浪费,此装置可以使用在抛打砂铸件的设备上,在调节精确时,可以区分部分钢丸和型砂。此结构对于风速调节也比较严格。
(3)手动外部幕帘调节装置。该装置是美国PANGBORN公司使用的装置(图l5.c)。是通过安装在风选器外部的调节装置来实现的,F}1活结螺栓和操作手柄调节幕帘挡板与下边堆料板的距离。该
装置也为气动幕帘挡板和设备自动化奠定了基础。
(4)自动气缸调节装置。该装置(网l5.d)是在手动外部幕帘调节装置发展来的,其挡板南气缸控制,一则可便于分选区在长度方向卜均等布料;二则可便于实现南溢流口均匀落料。这种形式的流幕更加便于在分离室将弹丸和杂质更加有效的分离。
图l5满幕帘式风选分离器 壁挂式风选分离器主要组成部分为壳体、筛板、散料棒等(图16),与流幕式风选分离器相比,壁挂式风选分离器没有布料螺旋等辅助装置。其工作原理为:弹丸由提升机进入分离器,在下滑的过程中经调节板粗略布料,形成一定厚度的幕帘。除尘风机经南分离器的风口抽风,利用重力风选原理,将流幕中的弹丸与金属氧化皮碎片、破碎弹丸及粉尘有效分离,细小丸料、粉尘从废料口流,弹丸进入丸料仓进行循环。
图l6壁挂式风选分离器
3.3.2磁选分离器
磁选分离器由分离器螺旋、滚筒筛、磁选滚筒、丸料仓等组成。在丸砂分离器的漏斗处没有加料门,用来向设备补充新弹丸。结构包括壳体,一*磁选滚筒,二*磁选滚筒、流量凋节板、磁极调整装嚣等(17)。其I作原理是丸砂7昆合物进入分离器,凋节呈流幕状进行第一次磁选,金属丸被磁滚筒吸转到无磁区下落至料仓,未分离完全的丸料进行第二次磁选,非金属物流至非金属料仓。主要应用于丸砂混合物中杂质密度较大的场所,分离效果可达99.5%。尤其适用于含砂量较大的铸件。当丸砂循环系统中含杂质量大于10%时,磁选分离器的优势更为明显
1一主磁选滚筒1;2一主磁选滚筒2;3一螺旋给料器l;4一螺旋给料器2:
5一分流轨道;6一吸风管;7一检修门;8一分离条;9一丸料均衡器;10一
吸风LJ;l1一减速角钢;12一导流板;13一废料筛;14一膨胀箱。
图17磁选分离器
3.3.3分离器的改进
上述分离器使用时存在的问题有.布料不匀。主要原因是由传感器或者重锤控制布料f]大小,产生料层厚度不均匀;分离效果差,由于料层厚度不均匀,致使风选区内风量分布不均匀,不能有效的分离l叶J碎钢丸及型砂。为此,设汁时可将料口改为闸板控制。螺旋布料器与分离器之间用若干网管连接,每个网管上设置一个闸板,初次试机时手动调节、完成后固定,可有效改善布料器均匀布料问题。并根据不同结构的分离器,确定不卜习风选区的风速,可有效实现丸渣分离。设计时采取两种方案(网18)。第一种方案分离区水平分布,沉降区较短,因此所需的分离区风速较大,根据Utsc<Ua<Utsd公式,钢丸粒径0.8mm,在7m/s的风速下,可有效分离0.3mm以下的碎钢丸及0.8mm以下的型砂颗粒;第二种方案分离区竖直分布,沉降区较长,因此所需的分离区风速相对较小,钢丸粒径为0.8133_133,在5m/s的风速下,可有效分离0.3mm以F的碎钢丸及1.2mm以下的型砂颗粒。两种方案町根据不同抛丸需求进行选择。
图18改进方案
3.4弹丸控制系统
3.4.1弹丸控制阀的结构
弹丸控制阀是用来开启或关闭弹丸流,安装在储料斗与溜丸管之间,控制开启或关闭的‘式一般有电磁阀控制与气缸控制两种方式。在发动机缸体清理抛丸机上使用的弹丸控制阀如图19所示,弹丸控制阀南两个控制闸门,分别由电磁阀与气缸控制,电磁阀闸门与气缸闸门单独控制陔阀的开启与关闭。电磁阀的恢复力用弹簧来控制,弹簧伸张时,该弹丸控制阀关闭。当电磁阀得电时,阀芯动作,弹丸控制阀打开,此时弹簧处于收缩状态。当气缸收缩时,弹丸控制阀关闭,气缸伸张时弹丸控制阀打开。
图19弹丸控制阀

3.4.2弹丸控制阀的改进
弹丸控制阀由壳体、导丸管、闸门、气缸及支架等部分组成。目前弹丸控制阀的种类有三种:DK28、DK50、DK80,使用较为普遍的是DK28。原弹丸控制阀的壳体主要是HT200铸造而成,其铸件质量占整个弹丸控制阀的2/3,由于闸门采用两端支撑,在制作过程中同轴度不易加工,闸门在开关过程中容易卡死,安装、调节、检修也比较麻烦。为此改进了老式的弹丸控制阀(图20),壳体采用圆管焊接的方式,一边焊接密封,另一边采用螺栓连接,闸门采用一端支撑,并与流丸管连接,容易拆装。

图20改进后的弹丸控制阀 4结论
发动机缸体抛丸清理的弹丸循环系统通过螺旋输送或振动输送、斗式提升、丸渣尘分离和弹丸流量控制,实现了弹丸定量连续供给,是保证缸体清理质量的关键。通过对各部件的结构优化设计,实现了抛丸机的高效稳定运转。