拋丸機清理彈丸循環系統結構優化與改進

發動機缸體鑄件大都采用砂型鑄造T藝，鑄件澆注成型后需要采用落砂、去澆冒¨、熱處理、振擊除芯、一次拋丸、鑄件表而磨削、人工精整、二次精拋、清理檢驗及鑄件涂裝等一系列精整一L序來完成…。其中，拋丸清理是提高發動機缸體使用壽命的關鍵工序，一次拋丸足將r件表嘶和內部的氧化皮及粘砂清理干凈，二次拋丸是在一次拋丸的基礎上對鑄件清理的補充，尤其是對內腔的清理，以期達到較高的清理質量水平，符合發動機缸體鑄件產品的工藝要求。
發動機缸體的拋丸清理設備有吊鉤式、懸鏈式、積放鏈式、鼠籠式、機械手式和轉盤式等幾種結構形式[]】，其中彈丸循環系統是整個拋丸機的血液循環系統，由]振動輸送機(也稱振動篩)或螺旋輸送機、斗式提升機、丸渣分離器和彈丸流量控制系統等組成本文針對彈丸循環系統各部件的使用特點，對其結構進行優化和改進，以期指導實際生產。
1 結構優化方法與措施
*先制定彈丸回收流程，如圖1所示。利用AutoCAD繪制出彈丸循環系統的整體裝配圖和部件圖，利用三維軟件Solidworks建各部件的三維模型，包括斗式提升機、螺旋輸送機、振動輸送機、丸渣分離器、流量控制閥等，采用氣同流場分析軟件對滿幕簾丸渣分離器的流場進行分析。運用ANSYS．Workbench軟件對彈丸循環系統進行仿真，根據仿真結果對其結構進行優化，優化結果代入Workbench軟件進行仿真驗證。
圖1彈丸回收流程圖
2三維建模與模擬分析
利用三維軟件Solidworks建立各部件的三維模型(圖2)，并對各部件進行網格劃分，運用ANSYS—Workbench軟件對彈丸循環系統進行仿真(圖3)。利用FLUENT對滿幕簾丸渣分離器流場分布圖進行分析(圖4)。
圖2彈丸循環系統三維結構圖

圖3彈丸循環系統部件模擬應變應力圖
圖4滿幕簾丸渣分離器流場分布圖
3彈丸循環系統的結構優化與改進
3.1彈丸輸送機
彈丸輸送分振動輸送、螺旋輸送和皮帶輸送幾種形式，振動輸送機，也成為振動篩，是一種廣泛用于散性物料分*+輸送的設備。物料通過篩面的篩孔，可根據需要按粒度要求分成幾種*別，實現篩分功能，在分*過程中通過振動源實現物料向前移動。在發動機缸體拋丸清理機械中常用螺旋輸送機，其是一種不具有撓性牽引構件的連續輸送機械，利用帶有螺旋葉片的螺旋軸的旋轉，使物料產生沿螺旋面的相對運動，物料受到料槽或輸送管壁的摩擦力作用不與螺旋一起旋轉，從而將物料軸向推進，實現物料的輸送，主要由螺旋軸，料槽和驅動裝置組成，如圖5所示。針對其使用特點做出如下改進。
圖5螺旋輸送機結構
1殼體2螺旋葉片3螺旋軸4懸掛軸承5從動裝置6驅動裝置7進料口8出料口 3.11驅動裝置

驅動裝置為連續輸送機提供動力，主要由電機、減速機、電機座組成。電機和減速機一般都是外購。兼書記和螺旋軸的鏈接方式一般有鏈條傳動、聯軸器和軸裝減速機等。鏈條傳動比較簡單，國內生產設備一般采用此種傳動方式，相比其余方式成本較低。由于減速機可以正反轉，若不考慮電機的旋向問題，可能出現鏈條傳遞拉力的一段在下次，如圖6a所示。正確的設計思路應該先確定螺旋軸的旋轉方向，根據物料的傳遞方向確定螺旋片的左右旋向。第二種采用彈性聯軸器圖6b，這種方式可以把連接軸之間的干擾因素減少到較低程度。彈性聯軸器也允許被聯接的軸在他們各自的載荷系統作用下產生偏斜或者軸線方向自由移動，浮動而不導致產生相互干擾。軸裝減速機在國外設備中采用比較廣泛，如圖6c所示。

3.12螺旋軸

螺旋軸一般包括螺旋片，左右軸頭和鋼管。螺旋軸一般采用空心的，可以節省材料和降低螺旋軸的撓度。螺旋片由于焊接在軸上，其自身重量會增加軸的撓度，所以在設計計算過程中要加上螺旋片對螺旋軸的力。
螺旋軸的葉片大部分都由厚4-8mm鋼板制作。螺旋輸送器的壽命取決于螺旋葉片的耐磨性，螺旋葉片磨損較嚴重的的地方是它的頂部，磨損主要是磨粒磨損，氧化磨損和熱磨損。提高螺旋葉片的耐磨性，可采取下列措施：①表層強化處卵，表強化并不僅僅提高表硬度，還可他金屬材料表面具有某種特殊的化學性能，表面強化處理可以采用電弧和火焰療法來提離金材料農而的硬度；②在靠螺旋葉片上部裝上耐磨鋼片或覆蓋增強高分子耐磨片；③刷涂耐磨涂，如HNt耐磨涂料，粘結力強，成型好，穩定
性高，摩擦系數小，刷涂工藝簡單，適合于溫度小于
100°的場合，仉抗沖差，其耐磨性比鑄鐵高2．5倍；④以聚網氟乙烯為材，填充高分子粉或合金粉和氧化物等材料，采用粉末冶金燒結成的螺旋葉片，其耐磨性較{高，年磨損量只有0．002～0．004mm。

(a)鏈傳動 (b)彈性聯軸器 (c)軸裝聯軸器 圖6驅動裝置

3．1．3殼體
殼體為一個相對密閉的空間，對物料起導向作用，大部分截面為“U”形的鋼制槽體．根據使用要求不同截面尺寸、厚度有所不同，可用平法蘭、角鐵法蘭聯接或分段接．．殼體上部均有頂蓋，必要時頂蓋可制成防塵剄水平螺旋輸送機的進料¨開在機槽的蓋，常做成．孑L，以便安裝料斗或料倉，卸料門開在機槽底部，有時沿長度力‘向開數個孔，以便在中間卸科=．卸料¨也開成方孔，便于安裝平板閘門。
3．I．4中間懸掛軸承
由于懸掛吊掛軸承體的存在，它將減少有效物流輸送的橫截而積，同時螺旋Il十片在中間軸承處間斷。
另外由于螺旋機的吊掛軸承的工作環境存在大量粉塵，故需要更嚴密的密封，同時因吊掛軸承座及中間軸在設計的缺陷．吊掛軸承和中間軸磨損比較嚴重改進為卜下對開式(圖7)，這種形式由兩個Ml2X45的螺栓聯接對開軸承庸的卜下兩部分，安裝拆卸都更力‘便，軸承座也容易鑄造，成本較低。
圖7上下對開式吊掛軸承
1聯接軸2聯接螺栓3吊掛軸承4對開軸承的上半5對開吊掛軸承座的下半
3．1．5螺旋中問連接軸
螺旋輸送機的中間軸，其結構為整體式時，磨損后需要更換時必須移動笨雨的螺旋芯軸，能將新的中問軸放進去，特別是搶修時，這種中間軸的
缺點更為突出。如果采用組合式中問軸，即在兩端螺旋空心軸頭焊接一段帶凹槽止動沿的實心軸，而中間吊裝軸承則制成兩頭帶凸起止動沿的實心軸，裝配時．兩頭帶凸的實心軸插入帶凹槽的實心軸，然后用螺釘垂直于凹凸方向對穿兩軸而緊固(圖8)、這種中間軸形式上像半聯軸器，由于與端部聯接軸是用銷釘、螺栓聯接，因此在更換中間軸時，只需將兩個銷釘螺栓拆開，將圖中的對開吊掛軸承座的下半打開，即可快速完成吊掛軸承和巾問軸的拆卸史換。同時，因為中問軸兩端有止動沿，防止了毛氈軸承在軸向方向卜的竄動．更好地保護了軸承的密封性(圖9)

圖8組合式中間軸
1端部聯接軸2銷釘螺栓3中間軸4端部聯接軸5銷釘螺栓
圖9改進后的分段連接
1對開吊掛軸承座的上半2毛氈軸承3端部聯接軸4銷釘螺栓5對開吊掛軸承座的下半6中間軸7銷釘螺栓8端部聯接軸
3．1．6螺旋端部結構
設計時注意螺旋端板與進料幾邊緣處應留有一段距離，一般取150mm左右，如圖1O．a所示。卸料口處與端板留有l50mm左右間距，如圖lO．b所示，避免丸料直接與端板接觸，盡量減小密封結構的壓力。縱向螺旋與橫向螺旋相連時，注意縱向螺旋的轉向，如圖1O．c中所示情況時縱向螺旋心為逆時針轉動，如果螺旋葉片順時針轉動．丸料極可能進入到端板處，在端板處積丸。螺旋端板密封結構有毛氈密封、防塵圈密土寸和迷宮圈幾幣葉1型式。毛氈密封端板加T較復雜，更換時工作量較大；標準件防塵圈加丁成本低，但由于防塵圈的彈性比較大，在實際使用時防塵圈可能會隨著軸一同轉動而帶端板，所以在使用時在防塵圈的外面又加了一層壓板；迷宮圈結構豐要是南橡膠圈、迷宮盤和漏沙板組成，端板采用通孔，結構簡單、成本低，實際使用密封效果良好。

圖10螺旋端部結構改進
3．1．7端部軸承密封結構
3．2斗式提升機
斗式提升機由擺線針輪減速機、上下皮帶輪、輸送膠帶、料斗、罩殼和漲緊裝置等組成。
3．2．1提升機上罩
提升機上罩集動力裝置、調節張緊裝置以及卸料裝置于一體fqJ。其豐要部件有殼體、角鋼法、提升螺桿、帶鷹軸承、鏈輪、鏈條、擺線針輪減速機，減速機座等部件組成為調節皮帶的松緊度，必須在提升機l罩安裝張緊裝置，F}1于采用E提式張緊力‘式，相比推式張緊操作簡單，但是因為要留有一定的張緊行程，所以導致卜罩高度有所增加。
在對卜罩殼體結構改進的同時，也改進了皮帶輪與軸的安裝藝性。改進后的殼體結構如圖11_b所示，直接把開【1IF}1上部打通，這樣能使皮帶輪與軸裝配好之后，一同從殼體頂部放入，而且因此做來的結構更加美觀。
圖ll殼體結構改進
用HT200鑄件皮帶輪代替原來焊接件皮帶輪，采用螺栓連接定位(圖l2)，更有效的防止帶輪的軸向竄動，安裝也更加方便實用。
圖12改進后的皮帶輪結構
1皮帶輪2螺栓3軸

對于提升機殼體的搭接式有多種。由于提升機殼體所用的板厚較薄，一般在3～4mm厚，而且殼體上開口也比較多，如搭接不合理或焊接工藝不合理，容易導致鋼板焊接變形，影響使用與美觀
如圖13有兩種搭接方式，對右圖的搭接方式來說，由于鋼板折彎角度誤差及焊接變形，很容易導致焊縫位置鋼板鼓起或內陷，而左的搭接方式能避免這一缺陷，而且折彎位置起到加強筋的作用，增加了殼體的整體強度。
圖l3殼體鏈接方式

上罩密封的好壞直接影響整臺設備的使用效果，由于運送的物料顆粒小，粉塵多，密封起來有一定的難度，現用得密封結構多為迷宮密封及毛氈密封提升機采用鏈條傳動，減速機一般選用擺線針輪減速機，擺線針輪減速機具有結構緊湊體積小、運轉平穩噪聲低的優點。為防止停機時提升機倒轉，對于提升量大的一般選用制動電機，或在傳動
軸上加棘輪裝置。
3．2．2提升機下罩
提升機下罩是由殼體、皮帶輪(被動輪)、觀察口、檢修口、進料口、傳動軸、帶座軸承等零部件
組成。皮帶輪和卜罩采用同一利幢占構和連接辦式，軸的中心高度保證料斗不與提升機殼體底部接觸并能保持20～30mill的距離，軸承采用P座，由角鋼架固定，露出的軸端帶有防護罩
提升機料斗按制作力‘式共分為兩種，分別為鑄造料斗和焊接料斗。由于隨著提升越的增大，料斗的體積增大．這就必然導致料斗的質量增加，故在系列化設計中把提升量在100t以下的料斗定為鑄造件，材料為HT150；100t以上的料斗定為焊接件，易磨損部位采用高錳鋼。減速機座與罩殼的連接形式建議以焊接連接替代螺栓連接。
3．3丸渣分離器
3．3．1風選分離器
風選分離器主要由螺旋輸送器、分選區部分、丸料倉-)2部分組成(陶l4)。按照結構不同又分為滿幕簾式分離器和壁掛式分離器。
圖l4風選分離器
滿幕簾式風選分離器，包括布料螺旋、丸砂分離室和丸砂流幕形成機構，其T作原理為：從提升機流人的丸砂混合物，F}1布料螺旋形成仿佛瀑布一樣的丸砂流幕。除塵風機經由分離器的風n抽風，利用重力風選原理，將流幕中的彈丸與金屬氧化皮碎片、破碎彈丸及粉塵有效分離，大顆粒廢料從分離器丸料溢流¨流出，細小丸料、粉塵從廢料出口流，彈丸進入丸料倉進行循環。其中布料螺旋和丸沙分離室基本無區別但丸沙流幕形成機構有多種，綜合考慮使JfJ情況，分為以下四種情況：①手動重錘式；②手動內部幕簾調節；③手動外部幕簾調；④自動氣缸凋節。
(1)手動重錘式幕簾調節裝置。該裝置是我們
較常使用的一利-裝置(圖l5．a)，其結構簡單，依靠丸料的堆積重量推開帶有重錘的鋼板，使丸料流入分選區。這種調節裝置可以根據需要即使丸料布滿分選區I部，又可以使丸料同時以幕簾的形式落人分選區，從而使有效丸料更好的分離m來，但其調節煩瑣日．不精確，特別在大噸位丸砂混合物需要分離時會產生流幕布料不均，進而影響到其在分離室段的分離效果丸砂分離不徹底還會引起拋打效果不好和易損件磨損過快。
(2)手動內部幕簾調節裝置。該裝置是bl本新東公司分離器采用的一種裝置(罔15-b)，整體結構比較緊湊。此裝置有兩個調節，一個是滿幕簾調節裝置，它是通過螺栓來調節滿幕簾板的距離，調節范罔不大，且需要兩邊調節，適用在小噸位的分離器比較方便；另一個調節是為了區分鋼丸與砂，這樣可以減少鋼丸的浪費，此裝置可以使用在拋打砂鑄件的設備上，在調節精確時，可以區分部分鋼丸和型砂。此結構對于風速調節也比較嚴格。
(3)手動外部幕簾調節裝置。該裝置是美國PANGBORN公司使用的裝置(圖l5．c)。是通過安裝在風選器外部的調節裝置來實現的，F}1活結螺栓和操作手柄調節幕簾擋板與下邊堆料板的距離。該
裝置也為氣動幕簾擋板和設備自動化奠定了基礎。
(4)自動氣缸調節裝置。該裝置(網l5．d)是在手動外部幕簾調節裝置發展來的，其擋板南氣缸控制，一則可便于分選區在長度方向卜均等布料；二則可便于實現南溢流口均勻落料。這種形式的流幕更加便于在分離室將彈丸和雜質更加有效的分離。
圖l5滿幕簾式風選分離器 壁掛式風選分離器主要組成部分為殼體、篩板、散料棒等(圖16)，與流幕式風選分離器相比，壁掛式風選分離器沒有布料螺旋等輔助裝置。其工作原理為：彈丸由提升機進入分離器，在下滑的過程中經調節板粗略布料，形成一定厚度的幕簾。除塵風機經南分離器的風口抽風，利用重力風選原理，將流幕中的彈丸與金屬氧化皮碎片、破碎彈丸及粉塵有效分離，細小丸料、粉塵從廢料口流，彈丸進入丸料倉進行循環。
圖l6壁掛式風選分離器
3．3．2磁選分離器
磁選分離器由分離器螺旋、滾筒篩、磁選滾筒、丸料倉等組成。在丸砂分離器的漏斗處沒有加料門，用來向設備補充新彈丸。結構包括殼體，一*磁選滾筒，二*磁選滾筒、流量凋節板、磁極調整裝囂等(17)。其I作原理是丸砂7昆合物進入分離器，凋節呈流幕狀進行第一次磁選，金屬丸被磁滾筒吸轉到無磁區下落至料倉，未分離完全的丸料進行第二次磁選，非金屬物流至非金屬料倉。主要應用于丸砂混合物中雜質密度較大的場所，分離效果可達99．5％。尤其適用于含砂量較大的鑄件。當丸砂循環系統中含雜質量大于10％時，磁選分離器的優勢更為明顯
1一主磁選滾筒1；2一主磁選滾筒2；3一螺旋給料器l；4一螺旋給料器2：
5一分流軌道；6一吸風管；7一檢修門；8一分離條；9一丸料均衡器；10一
吸風LJ；l1一減速角鋼；12一導流板；13一廢料篩；14一膨脹箱。
圖17磁選分離器
3．3．3分離器的改進
上述分離器使用時存在的問題有．布料不勻。主要原因是由傳感器或者重錘控制布料f]大小，產生料層厚度不均勻；分離效果差，由于料層厚度不均勻，致使風選區內風量分布不均勻，不能有效的分離l葉J碎鋼丸及型砂。為此，設汁時可將料口改為閘板控制。螺旋布料器與分離器之間用若干網管連接，每個網管上設置一個閘板，初次試機時手動調節、完成后固定，可有效改善布料器均勻布料問題。并根據不同結構的分離器，確定不卜習風選區的風速，可有效實現丸渣分離。設計時采取兩種方案(網18)。第一種方案分離區水平分布，沉降區較短，因此所需的分離區風速較大，根據Utsc＜Ua＜Utsd公式，鋼丸粒徑0．8mm，在7m／s的風速下，可有效分離0．3mm以下的碎鋼丸及0．8mm以下的型砂顆粒；第二種方案分離區豎直分布，沉降區較長，因此所需的分離區風速相對較小，鋼丸粒徑為0．8133_133，在5m／s的風速下，可有效分離0．3mm以F的碎鋼丸及1．2mm以下的型砂顆粒。兩種方案町根據不同拋丸需求進行選擇。
圖18改進方案
3．4彈丸控制系統
3．4．1彈丸控制閥的結構
彈丸控制閥是用來開啟或關閉彈丸流，安裝在儲料斗與溜丸管之間，控制開啟或關閉的‘式一般有電磁閥控制與氣缸控制兩種方式。在發動機缸體清理拋丸機上使用的彈丸控制閥如圖19所示，彈丸控制閥南兩個控制閘門，分別由電磁閥與氣缸控制，電磁閥閘門與氣缸閘門單獨控制陔閥的開啟與關閉。電磁閥的恢復力用彈簧來控制，彈簧伸張時，該彈丸控制閥關閉。當電磁閥得電時，閥芯動作，彈丸控制閥打開，此時彈簧處于收縮狀態。當氣缸收縮時，彈丸控制閥關閉，氣缸伸張時彈丸控制閥打開。
圖19彈丸控制閥

3．4．2彈丸控制閥的改進
彈丸控制閥由殼體、導丸管、閘門、氣缸及支架等部分組成。目前彈丸控制閥的種類有三種：DK28、DK50、DK80，使用較為普遍的是DK28。原彈丸控制閥的殼體主要是HT200鑄造而成，其鑄件質量占整個彈丸控制閥的2／3，由于閘門采用兩端支撐，在制作過程中同軸度不易加工，閘門在開關過程中容易卡死，安裝、調節、檢修也比較麻煩。為此改進了老式的彈丸控制閥(圖20)，殼體采用圓管焊接的方式，一邊焊接密封，另一邊采用螺栓連接，閘門采用一端支撐，并與流丸管連接，容易拆裝。

圖20改進后的彈丸控制閥 4結論
發動機缸體拋丸清理的彈丸循環系統通過螺旋輸送或振動輸送、斗式提升、丸渣塵分離和彈丸流量控制，實現了彈丸定量連續供給，是保證缸體清理質量的關鍵。通過對各部件的結構優化設計，實現了拋丸機的高效穩定運轉。