（机械设计及理论专业论文）基于edem离散元方法的抛丸器工作过程分析.pdf

w o r k i n g p r o c e s s a n a l y s i so ns h o tb l a s t i n gm a c h i n e b a s e do ne d e m b y h o ul i n u n d e rt h es u p e r v i s i o no f p r o f y a n gl i y i n g at h e s i ss u b m i t t e dt ot h eu n i v e r s i t yo fj i n a n i np a r t i a lf u l f d l m e n to ft h er e q u i r e m e n t s f o rt h ed e g r e eo fm a s t e ro f e n g i n e e r i n g u n i v e r s i t yo fj i n a n j i n a n ，s h a n d o n g ，p r c h i n a m a y ，2 0 1 2 原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独立进行研究所取得 的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不包含任何其他个人或集体已经发表或 撰写过的科研成果。对本文的研究作出重要贡献的个人和集体，均己在文中以明确方式 标明。本人完全意识到本声明的法律责任由本人承担。 论文作者签名：1 ； 毛林 日期：功b 3 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解济南大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学校保留或向国家有 关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论文被查阅和借鉴；本人授权济南大学 可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其 他复制手段保存论文和汇编本学位论文。 口公开口保密( 年，解密后应遵守此规定) 敝作者繇屐琳翩虢韧微嘿劢仍莎7 济南大学硕士学位论文 目录 第一章绪论l 1 1 课题的背景、目的及研究意义1 1 1 1 课题背景1 1 1 2 课题的目的及研究意义2 1 2 抛丸器的发展历史2 1 2 1 国内外抛丸器研究动态2 1 2 2 历史上几种重要的抛丸器一3 1 3 抛丸器内弹丸运动学的研究动态5 1 4 论文主要研究内容7 第二章抛丸器的基本结构及其弹丸的运动学理论分析9 2 1 抛丸器的基本结构及工作原理9 2 1 1 抛丸器的结构简述一9 2 。1 2 抛丸器的工作原理1 0 2 2 弹丸流的运动学理论分析1 1 2 2 1 弹丸流在抛丸器内运动状态分析l l 2 3 影响弹丸清理与强化效果的理论分析1 2 2 3 1 弹丸最终抛射速度的研究1 4 2 3 2 弹丸选用因素对抛射速度的研究2 0 2 3 3 叶片与定向套窗口之间的相对角度对抛射速度的研究2 2 2 4 弹丸流颗粒体行为的模拟分析工具和模拟分析法2 2 2 4 1 弹丸流颗粒体行为的模拟分析法2 3 2 4 2 弹丸流颗粒体行为的模拟分析工具2 5 2 5 本章小结2 5 第三章基于e d e m 分析的抛丸器内弹丸运动状态分析2 7 3 1 基于离散元方法的颗粒分析软件e d e m 一2 7 3 1 1 离散单元法的基本理论2 7 3 1 。2 新型离散元软件e d e m 简介2 8 3 2 应用e d e m 进行抛丸器的运动过程仿真2 9 基于e d e m 离散元方法的抛丸器工作 3 2 1 抛丸器的三维实体模型建模2 9 3 2 2e d e m 中仿真条件和约束条件设定3 0 3 2 3 弹丸在抛丸器内运动状态分析3 3 3 3 抛射弹丸速度模型与仿真模型的验证3 5 3 4 弹丸在抛丸器内的运动状态与主要工作参数的关系3 7 3 4 1 不同分丸轮转速对速度影响的仿真结果分析3 8 3 4 2 不同粒径的弹丸对速度影响的仿真结果分析4 l 3 4 3 不同叶轮外径对速度影响的仿真结果分析4 3 3 4 4 不同叶片与定向套窗口之间相对角度对速度影响的仿真结果分析4 6 3 5 本章小结4 7 第四章发动机缸体铸件抛丸清理工艺参数优化4 9 4 1 发动机缸体铸件抛丸清理原理和弹丸的运动过程4 9 4 2 发动机缸体铸件抛丸清理工艺参数分析5 1 4 2 1 正交试验的工艺因素水平确定5 2 4 2 2 正交试验表设计及结果分析5 4 4 2 3 发动机缸体抛丸清理试验方案验证6 0 4 3 本章小结6 1 第五章结论及展望6 3 5 1 论文结论6 3 5 ，2 论文展望6 4 参考文献一6 5 致谢。6 9 附录7 1 济南大学硕士学位论文 摘要 抛丸技术是借助高速旋转的叶轮抛出弹丸对各种零部件表面进行抛丸清理和强化， 在现代工业生产中逐渐取代了其它清理方法并成为一种不可替代的表面成型方法。抛丸 器作为抛丸清理强化的关键设备，决定了抛丸清理强化的优劣。随着抛丸器的广泛应用， 对抛丸器的抛射过程和抛射性能进行研究已经成为当今抛丸领域的主要研究方向之一。 因此将数值仿真和理论研究相结合，深入研究抛丸器内弹丸运动过程的颗粒行为不仅对 优化抛丸器的结构和工作状态而且对丰富弹丸流的运动理论和抛射理论都具有十分重 要的意义。 本文以山东开泰抛丸机械有限公司生产的q 0 3 4 型抛丸器为原型，从抛丸器的工作 原理入手，对弹丸在抛丸器内的运动状况进行了理论分析，得到影响抛打效果的主要影 响因素，包括弹丸粒度和最终抛出速度，并对最终抛射弹丸速度进行理论分析，建立了 弹丸在不同情况下最终抛射速度的方程，推导出分丸轮转速和叶轮外径是影响弹丸速度 变化的主要影响因素，而且弹丸速度与分丸轮转速成线性规律变化，弹丸速度与分丸轮 转速成正比。 运用三维造型软件s o l i d w o r k s 建立抛丸器的三维实体模型导入到离散元软件e d e m 中建立起具有模拟颗粒尺度行为功能的仿真模型，以颗粒离散元软件e d e m 为平台对 抛丸器内弹丸运动状态进行仿真分析，研究弹丸在抛丸器内各个阶段的运动过程、轨迹 分布以及抛料特性。研究表明：分丸轮，抛丸叶片在弹丸的加速过程中所起到的关键性 作用与理论分析结果一致。仿真分析不同弹丸粒径、分丸轮转速、叶轮外径、叶片与定 向套窗口之间相对角度的变化与抛射速度之间的变化规律，以发动机缸体、缸盖抛丸清 理为例，在最优抛射速度下，通过仿真分析得出满足最优抛射速度的粒径范围、分丸轮 转速范围和叶片与定向套窗口之间相对角度范围，初步估计分丸轮转速的的最优范围应 该在2 4 0 0r m i n 。2 9 0 0r r a i n 之间，弹丸粒径的最优范围应该在0 8 m m 2 0 m m 之间，叶 片与定向套窗口之间相对角度在9 。1 2 。之间。 运用正交试验技术，研究抛射弹丸速度与弹丸粒径、分丸轮转速和叶片与定向套窗 口之间的相对角度等多参数综合的相互关系及工艺优化，找到影响抛射弹丸速度的第一 因素为分丸轮转速，第二因素为弹丸粒径，第三因素为叶片与定向套窗口之间的相对角 度。发动机缸体铸件抛丸清理最优方案是分丸轮转速为2 4 0 0 r m i n ，弹丸粒径为0 8 m m ， i h 基于e d e m 离散元方法的抛丸器工作 叶片与定向套窗口之间的相对角度为1 0 。，同时按照这个方案对发动机缸体铸件进行抛 丸清理，效果良好。 关键词：抛丸器；弹丸；离散元方法；e d e m i v 济南大学硕士学位论文 a b s t r a c t s h o tb l a s t i n gt e c h n o l o g yi st h a tp r o je c t i l e sp r o p e l l e db yi m p e l l e rw i t hh i g h s p e e dr o t a t i o n p o l i s ha n ds t r e n g t h e nt h es u r f a c e so fp a r t sg r a d u a l l yr e p l a c i n go t h e rc l e a n - u pm e t h o d s i nt h e m o d e mi n d u s t r i a lp r o d u c t i o nb e c o m ea ni r r e p l a c e a b l es u r f a c es h a p i n gm e t h o d s h o tb l a s t i n g m a c h i n ea st h ek e ye q u i p m e n tf o rs h o tb l a s t i n ga n de n h a n c e m e n td e t e r m i n et h ep r o sa n dc o n s o fs h o tb l a s t i n g w i t hw i d e l ya p p l y i n gs h o tb l a s t i n gm a c h i n e ，n o wr e s e a r c ho ne j e c t i o np r o c e s s o fs h o tb l a s t i n gm a c h i n ea n dp r o j e c t i l ep e r f o r m a n c ea r eo n eo ft h em a i nr e s e a r c hd i r e c t i o n s t h e r e f o r es t u d yp r o j e c t i l e s m o t i o np r o c e s si n s i d et h es h o tb l a s t i n gm a c h i n ei nad e e p 。g o i n g w a y w i t hc o m b i n a t i o no fn u m e r i c a ls i m u l a t i o na n dt h e o r e t i c a ls t u d yi ss i g n i f i c a n tt oo p t i m i z e t h es h o tb l a s t i n gs t r u c t u r ea n dw o r k i n gc o n d i t i o n sa n de v e ne n r i c hk i n e t i ct h e o r yo ft h ef l o w a n d p r o je c t i l et h e o r y t h i sp a p e rb a s e do ns h a n d o n gk a it a iq 0 3 4t y p es h o tb l a s t i n gf o rt h ep r o t o t y p e t h e o r e t i c a l l ya n a l y s e sp r o j e c t i l e s m o t i o ni n s i d et h es h o tb l a s t i n gm a c h i n ef r o m w o r kp r i n c i p l e o fs h o tb l a s t i n gm a c h i n ea n df i n d sm a i nf a c t o r se f f e c t i n gp o l i s hi n c l u d e dt h ep r o je c t i l ed i a m e t e r , f i n a ls h o ts p e e da n di m p e l l e rr o t a t i o nr a n g e w ea n a l y s et h ef i n a ls h o ts p e e dt h e o r e t i c a l l ya n d e s t a b l i s he q u a t i o n so ff i n a ls h o ts p e e da c c o r d i n gt od i f f e r e n tc o n d i t i o n s w ef i n di m p e l l e r r o t a t i o ns p e e di sam a i nf a c t o rt ot h ec h a n g eo f p r o j e c t i l e ss p e e da n dp r o j e c t i l es p e e di sl i n e a r l y r e l a t i v et oi m p e l l e rr o t a t i o ns p e e dp r o p o r t i o n a l l y w ea p p l yt h r e e d i m e n s i o n a l m o d e l i n g s o f t w a r es o l i d w o r k si n e s t a b l i s h i n g t h r e e d i m e n s i o n a ls o l i dm o d e lo fs h o tb l a s t i n gm a c h i n ea n di m p o r tm o d e li n t ot h ed i s c r e t ee l e m e n t s o f t w a r ee d e mf o rc r e a t i n gs i m u l a t i o nm o d e lw i t hb e h a v i o r a lf u n c t i o no fs i m u l a t i n gp a r t i c l e s i z e w ea n a l y s ea n ds i m u l a t ep r o j e c t i l e s m o t i o np r o c e s si nd i f f e r e n tm o m e n t sb a s e do ne d e m ， d i s t r i b u t i o no ft r a j e c t o r i e sa n dp o l i s h i n gm a t e r i a lc h a r a c t e r i s t i c s s t u d i e sh a v es h o w nt h a t i m p e l l e ra n dv a n ep l a yai m p o r t a n tr o l ei nt h ea c c e l e r a t i o no fp r o j e c t i l e si s c o n s i s t e n tw i t h t h e o r e t i c a la n a l y s i s t a k i n ge x a m p l e so fp o l i s h i n ge n g i n ec y l i n d e rb l o c ka n de n g i n eb o n n e t b a s e do ne x i s t i n gd a t aw ec a no b t a i nm o v e m e n tr u l ea m o n gp a r t i c l es i z er a n g e ，i m p e l l e r r o t a t i o nr a n g e ，r e l a t i v ea n g l eb e t w e e nv a n ea n dw i n d o wo fd i r e c t e ds e t w ec a nf i n dp r o j e c t i l e d i a m e t e ra n di m p e l l e rr o t a t i o ni sp r o p o r t i o n a lt of i n a ls h o ts p e e da n de s t i m a t et h eo p t i m a l i m p e l l e rr o t a t i o ns p e e dr a n g ei s b e t w e e n2 4 0 0r m i n 2 9 0 0r m i n ，t h eo p t i m a lp r o j e c t i l e n 基于e d e m 离散元方法的抛丸器工作 d i a m e t e rr a n g ei sb e t w e e no 8 m m - 2 0 m m r e l a t i v ea n g l eb e t w e e nv a n ea n dw i n d o w o f d i r e c t e d s e tr a n g ei sb e t w e e n9 。- 1 2 。 w eu s eo r t h o g o n a lt e s t t of i n dt h er e l a t i o n s h i pa m o n gp r o j e c t i l es h o ts p e e d ，i m p e l l e r r o t a t i o ns p e e da n dr e l a t i v ea n g l eb e t w e e nv a n ea n dw i n d o wo fd i r e c t e ds e ta n ds o o n o p t i m i z i n ga r t sa n dc r a r st of i n dt h ef i r s ti m p o r t a n tt op r o j e c t i l es h o ts p e e di si m p e l l e rr o t a t i o n s p e e d ，t h es e c o n di sp r o j e c t i l ed i a m e t e ra n dt h et h i r di sr e l a t i v ea n g l eb e t w e e nv a n ea n dw i n d o w o fd i r e c t e ds e t t h eb e s ts c h e m ei st h a tp r o j e c t i l ed i a m e t e ri s0 8 m m ，i m p e l l e rr o t a t i o ns p e e di s 2 4 0 0 r m i n ，r e l a t i v ea n g l eb e t w e e nv a n ea n dw i n d o wo fd i r e c t e ds e ti s10 。，t h i ss c h e m ei sa l s o u s e di ns h o tb l a s t i n ge n g i n ec y l i n d e rb o d yc a s t i n ga n dt h ee f f e c ti sp e r f e c t k e yw o r d s ：s h o tb l a s t i n gm a c h i n e ；p r o j e c t i l e ；d i s c r e t ee l e m e n tm e t h o d ；e d e m v i 济南大学硕士学位论文 第一章绪论 1 1 课题的背景、目的及研究意义 抛丸技术是一种较为先进的清理金属表面氧化皮及锈蚀的清理方法，具有一次性投 资少，成本低，无污染，效率高和质量可靠等特剧1 1 。其在现代工业生产中已成为一种 不可替代的表面清理方法，是目前国际上应用最普遍的、最经济可靠的清理( 除锈) 方 法。 1 1 1 课题背景 抛丸技术以其自身优点在现代工业生产中得到广泛应用，人们对铸件的要求不仅局 限在内在质量标准上，而且对其表面质量也提出了新的要求和期望【2 】，因此抛丸技术得 到越来越多的重视，发展迅速。抛丸技术包括抛丸清理和抛丸强化。抛丸清理就是将弹 丸经过分丸轮加速后从定向套窗口抛出送至高速旋转的叶片上，被叶片进一步加速后， 在离心力的作用下抛出，使弹丸高速撞击零件表面，达到表面清理的目的。它主要应用 在金属表面的清理上，包括各种铸件的表面清理，各种锻件及热处理件的抛丸清理，钢 板、钢管以及钢结构件的表面处理上 3 1 。其优点如下：( 1 ) 抛丸清理不受被清理件的大 小、形状和重量的限制；( 2 ) 可大幅延长被清理工件的疲劳极限( 3 ) 使内部应力均衡 消散，减少裂纹出现几率( 4 ) 提高工件表面工艺性能，使清理效率得到大幅提升；( 5 ) 自动化程度高，不依赖高强度劳动力并对环境污染小【4 】。 抛丸强化是指将弹丸经过分丸轮加速后从定向套窗口抛出送至高速旋转的叶片上， 被叶片进一步加速后，在离心力的作用下抛出，使弹丸高速撞击零件表面，抛打需要强 化的工件表面，达到表面强化的目的。其主要应用在金属工件的强化上，可以提高构件 的强度和疲劳强度。例如，提高齿轮的疲劳强度的提高，高负荷弹簧的抛丸强化，在汽 车、拖拉机和发动机制造业中连杆的抛喷丸强化，以及钢板、铸件和锻件等强化均得到 广泛的应用【5 ，6 j 。 抛丸清理设备和抛丸工艺根据不同的表面处理要求，通过调整抛丸器的工艺参数， 达到需要的表面处理效果、表面粗糙度和表面光洁度。抛丸清理和强化效果的好坏很大 基于e d e m 离散兀方法的抛丸器工作 程度上取决与抛丸器的性能，抛丸器的作用在整个抛丸清理设备中处于核心地位【8 】。因 此对抛丸器的研究十分重要，需要在这方面不断改进和完善。 1 1 2 课题的目的及研究意义 抛丸器是抛丸设备中最重要的部件，它的性能取决于抛丸器的结构参数和工艺参 数，尽管它只对弹丸起一个加速作用，并不能直接作用抛打工件，但是弹丸只有从抛丸 器中获得动能后，才能抛打工件表面，起到抛丸清理强化的作用。为了提高抛丸清理与 强化效果，必须改善弹丸在抛丸器内的加速过程和运动过程，同时抛丸器内弹丸运动状 态的研究是深入研究抛打效果的又一突破点，因此本课题的目的和意义就是通过理论和 仿真分析相结合的方式深入研究弹丸在抛丸器内的运动状态，找出影响弹丸运动状态的 主要因素及其相互关系，分析抛射弹丸速度的影响因素，并且改善这些因素，为工程实 际中抛丸工艺的制定和抛丸器性能的改进提供理论上的依据。有利于抛丸技术的改进， 抛射性能的提高，丰富弹丸流的运动理论和抛射理论。本课题研究目标有以下几个方面： ( 1 ) 通过仿真分析弹丸在被抛射过程中各阶段的运动状态，深入研究弹丸的运动 规律从而对其进行动态控制。分析抛射速度，避免因为抛射速度过大造成零件的过度清 理，或因为抛射速度过小造成零件清理不净，对弹丸在被抛射过程进行仿真和设计，从 而对其进行动态控制，为生产服务。 ( 2 ) 通过理论分析和仿真分析的探索研究，有利于抛丸器使用中存在问题的改善， 有利于从理论方面指导抛丸器的设计，为抛丸器生产提供一些参考，为抛丸器的优化设 计奠定良好的基础，有利于提高我国抛丸器的设计水平。 1 2 抛丸器的发展历史 1 2 1 国内外抛丸器研究动态 早在十九世纪的下半叶，第一台抛丸器问世以来，抛丸器的发展已经经历了将近1 0 0 多年的历史。最早使用的磨料是石英砂，最初用于制造毛玻璃，并且开始就有机械喷砂 装置，以后逐渐用于工件的表面清理。目前市面上使用的抛丸器大致分为三类：重力进 丸打击式抛丸器、机械进丸式和鼓风进丸式抛丸器。随着离散元、流体动力学分析及工 艺参数优化等现代方法的使用，抛丸技术有了新的飞跃和突破，各种新颖高效的抛丸设 备不断出现。自吸进丸抛丸器的出现解决了前几种抛丸器使用过程中出现的挤丸现象， 济南大学硕士学位论文 易损件少，摩擦耗能少，但是限制了最大抛丸量1 9 】。为了进一步提高最大抛丸量，山东 大学铸造教研室研究出一种结构新颖的抛丸器差速式抛丸器。该抛丸器与同规格的 一般抛丸器比较，抛丸量提高了近一倍。继差速式抛丸器之后，螺旋进丸抛丸器的研制 克n t 传统分丸轮供丸能力严重不足的缺点和进丸量超过最大抛丸量时发生堵丸现象， 从而大幅度提高了抛丸量和抛丸率，与国内外同种规格的抛丸器相比，抛丸量是国外同 类型最好产品的1 6 5 2 2 倍，是国内产品的2 2 5 倍，抛丸率是国外最好产品的1 2 4 倍 左右，是国内产品的1 3 1 5 倍，是一种高效节能型抛丸器。为了更好的了解抛丸器的 发展历程，下面对这几种经典的抛丸器做详细介绍【1 0 ，i 。 1 2 2 历史上几种重要的抛丸器 ( 1 ) 重力进丸打击式抛丸器 我国最早出现的第一代抛丸器是重力进丸打击式抛丸器，又称为重力冲击式抛丸 器，弹丸依靠自身重力进入叶轮，与叶片接触的瞬间对叶片的冲击力较大，并可能导致 弹丸破碎，叶片磨损较严重，鉴于以上缺点，第一代抛丸器被淘汰，新型的抛丸器得到 快速发展 由于抛丸器自身结构不够完善和磨料发展的限制，从第一台抛丸器诞生以后的大约 半个世纪，抛丸技术发展迟缓。因为当时使用的磨料多是石英砂，质硬而脆极易破碎。 直到本世纪金属磨料的出现，使得弹丸自身破碎率降低，延长了使用寿命，提高了设备 的生产率和工件表面的加工质量，由于金属弹丸外形较好，不易破碎，因而使得弹丸对 叶片表面的磨损明显降低，叶片的使用寿命明显增长，减少维修时间和耐磨件的损耗。 随着金属磨料的使用，抛丸强化工艺得到发展，与之相应的抛丸设备也得n t 发展 1 2 】。 ( 2 ) 机械进丸滑移式抛丸器 机械进丸滑移式抛丸器具有其它抛丸器无可比拟的优点，这种类型的抛丸器在市面 上占大多数，因此它是目前应用范围最广的抛丸器，它与重力进丸打击式抛丸器相比， 有以下优点： 增设了分丸轮，起到对弹丸的初步加速作用，使得弹丸落到叶片上的时候有个初 速度，避免了弹丸与叶片的直接接触，实现了弹丸在叶片上的“软着路”。 弹丸从进入到被抛出的过程中，由于分丸轮对弹丸的初步加速作用，使得弹丸被 叶片承接之前具有一定的速度，之后弹丸在叶片的加速作用下，其被抛射速度增加，抛 射速度的提高会增大弹丸与清理表面的撞击力，因此也会增加抛丸打击效果。 基于e d e m 闲散兀万法的抛丸器工作 分丸轮对供丸能力具有决定性影响，增加的分丸轮会大幅提高抛丸量，可使抛丸 效率提高上百倍。 增设的定向套可以控制弹丸的抛射方向，增加了抛射方向调整的灵活性。 增设的分丸轮和定向套使抛丸器的改进和设计有了一个新的飞跃，为其带来优点的 同时也附带着很多缺点，例如分丸轮安装在旋转的叶轮轴上，定向套安装在抛丸器的外 壳上，安装要求是二者在同一轴线上( 同心) ，由于装配上存在形位偏差，都会造成二 者的不同心，因此分丸轮和定向套之间的不同心使得弹丸与分丸轮和定向套之间的压力 分布不均匀，造成零件的严重磨损，为了减轻对易损件的磨损就要严格要求分丸轮和定 向套的尺寸公差和装配精度，提高了生产成本。另外这种类型的抛丸器结构复杂，因此 易损件较多，其中分丸轮、叶片和定向套是其主要易损件，因而增加了维修成本【1 3 】。 机械进丸式抛丸器根据叶片的形状不同又可以分为曲线叶片抛丸器，直线叶片抛丸 器和管状叶片抛丸器。其中曲线叶片抛丸器又可以根据叶片弯曲方向分为前曲叶片抛丸 器和后曲叶片抛丸器，最早使用的抛丸器都是直线叶片抛丸器，曲线叶片抛丸器出现的 比直线叶片抛丸器晚，第一台曲线叶片抛丸器是1 9 6 9 年前苏联研制的。不论何种形式 的曲线叶片抛丸器，它们的共同点就是叶轮内的涡流较小，而且抛射带增长。它们各自 的优缺点也不尽相同，叶片前曲可以提高弹丸的绝对抛射速度，缩短弹丸周转频率，因 而减少弹丸运动过程中的能量损耗，从而有效地提高抛射效率，但是弹丸对叶片的压力 较大，而且压力沿叶片长度的分布不均匀，尤其是叶片外端磨损较严重，因此前曲线叶 片比后曲线叶片磨损严重，后曲叶片的使用寿命比前曲叶片的使用寿命长。但是后曲线 叶片的抛射速度降低将严重影响抛射效率，为了提高最终抛射速度，就要增加转速或加 大叶轮直径，因此后曲线叶片抛丸器所得效益并不大。 ( 3 ) 鼓风进丸式抛丸器 随着抛丸器的不断改进，研究设计出了第三代抛丸器其代表是鼓风进丸式抛丸器。 与机械进丸抛丸器相比它结构简单，分丸轮和定向套被进丸管取代，弹丸依靠风力通过 喉管和喷嘴送入叶轮，通过改变喷嘴来调整弹丸的喷出方向，其中喷嘴是易损件，比机 械进丸式抛丸器易损件数量减少，提高了工作可靠性【1 4 】。这种进丸方式，消除了弹丸在 运动过程中与分丸轮和定向套碰撞的摩擦损耗，而且从根本上消除了挤丸现象，减少能 耗。因此鼓风进丸式抛丸器比机械进丸式抛丸器维修方便，且结构上无左右之分，但是 需要配备高压风机和风管，功率消耗较大，设备成本增加，抛丸率低，故使用不太普遍。 ( 4 ) 自吸进丸式抛丸器 济南大学硕士学位论文 自吸进丸式抛丸器是一种新型节能抛丸器，此种类型的抛丸器保留了鼓风进丸式抛 丸器的优点与鼓风进丸式抛丸器结构相似，它由进丸管、喉管、叶轮和罩壳四部分组成， 二者都没有分丸轮和定向套【1 5 1 。自吸进丸式抛丸器与鼓风进丸抛丸器相比不同之处在于 鼓风进丸抛丸器是正压输送弹丸，自吸进丸抛丸器是负压输送弹丸，无需另设鼓风系统， 叶片高速旋转时，周围空压低，然而外部压力高，在内外压差的作用力下，形成一气流 通过喉管将弹丸送入叶轮，然后再由高速旋转的叶片将其抛射出去【l6 | ，故称自吸进丸式 抛丸器，这种类型的抛丸器具有如下特点： 自吸进丸抛丸器没有分丸轮和定向套，易损件较机械进丸抛丸器少，从根本上消 除了挤丸现象，降低了弹丸的破碎率，延长了弹丸的使用寿命。 弹丸初始能量的获得来源于吸入空气的动能，消除了弹丸在分丸轮和定向套内运 动过程中所引起的摩擦损耗，提高了能量有效利用率。 由于弹丸是靠叶轮自身旋转产生的负压吸入的，因此自身转速的限制，限制了最 大抛丸量，抛丸率低，需要在工程实际中不断地改进和完善。 1 3 抛丸器内弹丸运动学的研究动态 弹丸作为抛丸工艺中的介质，对抛丸工艺有直接的影响，抛丸器工作时弹丸获得能 量从抛丸器内被抛出，以很高的速度对铸件表面进行抛丸清理和抛丸强化。这一过程中， 弹丸在抛丸器内的运动加速过程十分重要，由于抛丸器所处的工作环境复杂，不利于实 验者研究弹丸流的运动状态，目前主要通过理论计算和仿真分析研究。 东北大学的庞维诚等人对弹丸在机械进丸式抛丸器内的运动过程进行了理论分析， 并对定向套窗口弹丸流的形态进行研究，得出弹丸流在抛丸器内的运动状态是连续性而 非间歇性的【1 7 】。 山东大学的吴寿喜，于茂旺，姜青河等人分析了弹丸在定向套和分丸轮问隙中的运 动过程，建立了弹丸的运动模型，推导出进入分丸轮窗口的临界角速度，分析弹丸从定 向套和分丸轮间隙中飞出时影响弹丸速度的因素，建立了弹丸飞出定向套窗口时的速度 大小和方向的数学模型，同时对弹丸在分丸轮窗口壁上的运动过程进行分析，对弹丸飞 出定向套窗口的临界位置进行探讨，计算出弹丸从定向套窗口飞出后，落在叶片上的具 体位置，分析弹丸在叶片上的运动过程，推导出这一阶段弹丸的运动模型，提出弹丸与 叶片相对运动的多次碰撞观点，改进分丸轮结构提高了抛丸器的抛丸量和抛丸率【l 引。 基于e d e m 闲散兀方法的抛丸器工作 山东大学的赵朋成等人对弹丸在抛丸器内的运动规律进行研究，针对抛丸器中普遍 存在的堵丸现象进行分析，理论推导出分丸轮内的弹丸在径向方向上形成一弹丸环，供 丸量大于最大抛丸量是造成堵丸现象的根本原因，因此为了避免堵丸现象，实际抛丸量 要小于最大抛丸量，其中分丸轮的结构是提高抛丸量和抛丸率的瓶颈，改进分丸轮的结 构或者研究一种新的进丸方式是提高抛丸量和抛丸率的突破点【i 9 1 。 东北大学的阎荫槐等人采用实验方法建立了抛丸器性能指标与结构参数关系的统 计模型，建立了抛丸器结构参数设计的优化模型，利用计算机编出对应的程序，对影响 抛丸器性能的各项指标进行优化设计，指出需要根据不同的工艺要求，综合考虑抛丸器 各项性能指标，是提高抛丸率和生产效益的有效方法【2 0 1 。 尚建勤探讨了弹丸流量与抛丸成形之间的关系，证明了金属构件的横向抛丸变形随 弹丸流量的增加而增加，弹丸流量与横向抛丸变形成指数关系，当弹丸覆盖率小于9 0 时，横向抛丸变形与弹丸流量之间的指数关系可以简化为幂函数，而纵向抛丸变形随弹 丸流量的增加是先增加后减小，增减幅度变化不大【2 。 增辉等人分析了弹丸在抛丸器内的运动形式，详细推导出满足最大抛丸量较大抛丸 速度时的分丸轮叶片内径与外径的比值关系以及分丸轮外半径的取值范围，为抛丸器的 参数设计提供了理论依据【2 2 】。 吉林大学的张丹等人利用a d a m s 2 0 0 5 对弹丸在分丸轮内的运动过程进行仿真模拟， 通过理论计算和仿真分析总结出弹丸进入分丸轮窗口的最d , i l 各界速度公式，仿真分析双 抛头抛丸机的抛头装置，做出弹丸的速度变化曲线，仿真计算弹丸的抛打轨迹【2 引。 r y y a n g 等人运用离散元技术( d e m ) 对颗粒在高速搅动磨内的运动情况进行研 究，包括颗粒密度、颗粒尺寸以及颗粒问的恢复摩擦系数和滑动摩擦系数，分析出颗粒 问的滑动系数和恢复系数是影响颗粒流动、破碎频率和破碎能量的主要影响因素，其中 降低颗粒间的滑动系数，增加颗粒间的恢复系数是加速研磨的有效手段【2 4 1 。 吉林大学的王国强、张英爽等人运用离散元技术( d e m ) 对转送站的物料转载过程 进行了模拟分析，研究了物料流动对溜槽的作用机理，获得了不同时刻、不同位置的颗 粒平均速度和颗粒速度的极值以及颗粒与溜槽的受力情况，从而对易磨损部件进行优化 设计，提高转送站的寿命【2 5 】。 综上所述，以上成果大多基于理论分析弹丸的运动过程，在此基础的前提下计算弹 丸的速度以及抛丸器各个参数对其性能的影响。由于理论研究的不足，我国抛丸器在设 计和制造上与世界先进水平差距较大，弹丸作为抛丸工艺的介质，对弹丸运动状态的研 济南大学硕士学位论文 究可以作为深入研究抛丸器的又一突破口。由于抛丸器结构复杂，弹丸在抛丸器内的运 动状态不容易观察，所以通过仿真分析抛丸器内弹丸的运动规律，但是有关这方面的研 究很少，因此本课题利用离散元技术( d e m ) 模拟弹丸运动，这是本课题的创新点，也 是将来研究的一个新方向，同时也是对理论分析的完善和改进，因此理论分析和仿真分 析相结合，研究抛丸器的结构参数和工艺参数，从而改善铸件表面的抛丸清理和强化效 果。 1 4 论文主要研究内容 本课题以抛丸器的抛射性能为研究对象，通过分析国内外抛丸器的基本结构和工作 原理，采用理论分析和数值仿真对弹丸在抛丸器内的运动过程进行运动学及动力学分 析，分析弹丸在抛丸器内的运动规律，研究影响抛射性能的各个因素及其相互关系。本 课题的主要研究内容为： ( 1 ) 对抛丸器的工作原理和弹丸在抛丸器内的运动过程进行研究，探讨弹丸运动 规律及抛丸特性，对影响抛打效果的关键工作参数进行分析，包括分析弹丸在叶片上的 运动，建立弹丸运动的微分方程，并求出弹丸被叶片抛出的绝对速度的运动公式，找出 影响抛射弹丸速度的因素。分析弹丸自身选用因素以及叶片与定向套窗口之间的相对角 度对抛射速度的影响情况。 ( 2 ) 运用三维造型软件s o l i d w o r k s 建立抛丸器的三维实体模型导入到离散元软件 e d e m 中建立起具有模拟颗粒尺度行为功能的仿真模型，并对弹丸流在抛丸器内的运动 状况进行运动学及动力学分析，仿真分析影响速度的各因素与速度的变化关系。 ( 3 ) 确定影响弹丸速度的各个因素，仿真分析这些因素与抛射速度的关系，运用 正交试验技术，模拟几种不同工况条件下弹丸在抛丸器内的运动状态和力学特性。 ( 4 ) 以发动机缸体铸件抛丸清理为例，获得发动机缸体铸件最优抛射速度下多参 数综合的相互关系并对发动机缸体铸件抛丸清理的工艺进行优化，将理论与实际相结合 对获得的最优方案进行实践验证。 基于e d e m 离散元方法的抛丸器工作 8 济南大学硕士学位论文 第二章抛丸器的基本结构及其弹丸的运动学理论分析 抛丸清理和强化是将抛丸器的机械能转化为推动磨料( 弹丸) 的动能，完成被清理 件的表面处理，其工作效率和最终的抛丸效果取决与抛丸器的性能，弹丸作为工作介质 起到能量传递和抛打工件表面的作用，因此弹丸运动状态对抛丸器的设计研究来说十分 重要。 2 1 抛丸器的基本结构及工作原理 2 1 1 抛丸器的结构简述 抛丸器主要由分丸轮、定向套、叶片和叶轮几部分组成。如图2 1 所示，进丸管向 分丸轮喂丸并与其端部连接，弹丸由进丸管进入分丸轮后，由于分丸轮的高速旋转，弹 丸被分丸轮加速后从定向套窗口飞出被抛丸叶片承接并被进一步加速后飞出抛丸器，弹 丸在抛丸器内运动过程中会有部分弹丸与抛丸器周围衬板相撞，为了防止高速运动的弹 丸对抛丸器外壳的冲击与磨损，周围的衬板都是耐磨材料高铬铸铁制成。抛丸器在工作 过程中，除了衬板受到弹丸的冲击作用外，抛丸器的各个零部件也会受到弹丸的冲击作 用，其中决定弹丸主要运动轨迹的零部件是抛丸器最容易磨损的零件，包括叶片、分丸 轮和定向套【2 6 1 。为了提高其耐磨性，延长其使用寿命，耐磨性优良的高铬铸铁成为了性 价比最好的制造材料。在停机状态下，这些零部件可以方便更换。 瓷霎l 祗 5 ”麓 叶诧 叶片 图2 1 ( a ) 抛丸器三维实体模型剖面图图2 1 c b ) 抛丸器基本结构图 其中分丸轮、叶片、叶轮和定向套主要影响弹丸在抛丸器内的运动状态。分丸轮的 作用是将从进丸管进入到分丸轮内的弹丸分开，由于其自身高速旋转推动弹丸流运动使 其获得一定的初速度。分丸轮外面的定向套主要是改变弹丸的抛出方向，然而定向套窗 口的角度大小，决定弹丸的径向散射角。叶片有：直线叶片和曲线叶片两种，要根据实际 9 基于e d e m 离散兀方法的抛丸器工作 工作情况选择不同的叶片，但是不论采用何种叶片都要用带有燕尾键的底座来固定，然 而叶轮上有八个燕尾槽，叶片的结构决定八个燕尾槽的位置，安装直线叶片时，要保证 工作平面在叶轮的直径方向上，安装曲线叶片时要保证叶片的工作表面的曲线与叶轮的 径向相切，从而保证弹丸的运动方向正确的沿着叶片的工作表面运动。此外叶片的另外 一个重要作用就是对从定向套窗口抛出的弹丸起到进一步加速的作用，为弹丸的运动起 到最终加速的作用。叶片的平均寿命不高，因此它是整个抛丸器中最容易磨损的零件， 因此对于弹丸在叶片上运动的研究就十分重要，在下面的章节将进行具体介绍。 2 1 2 抛丸器的工作原理 抛丸清理的工作原理就是将弹丸加速后高速打击工件表面，进行表面清理和强化。 如果将抛丸清理设备比作人体，那么抛丸器便是人体的心脏，为其工作介质弹丸提供动 力，将抛丸器的机械能转换为弹丸的动能，对零件表面进行抛丸处理，完成零件表面的 抛丸清理和强化。 抛丸器由抛丸电机驱动，抛丸电机带动分丸轮旋转，叶轮叶片与分丸轮同轴旋转， 弹丸由进丸管进入旋转的分丸轮内，在分丸轮的带动下弹丸被初步加速，获得弹丸运动 的初始动能，随着分丸轮的旋转，弹丸能量累积越来越大，直到飞出定向套窗口，没有 飞出定向套窗口的弹丸进入分丸轮和定向套间隙继续加速，积累到一定能量时飞出定向 套窗口，飞出定向套窗口的弹丸被叶片承接继而被高速旋转的叶片继续加速，在离心惯 性力作用下弹丸沿叶片向外运动，弹丸在叶片上运动过程中不断的获得能量，速度不断 增大，最后以一定的速度离开叶片【2 7 1 ，为了更好的研究弹丸的运动规律，需要对弹丸的 轨迹分布分析，弹丸从进入到抛出这一过程中其运动轨迹如图2 2 所示。 弹丸由o 点处进入分丸轮，在自身重力作用下落入到分丸轮内，属于弹丸在抛丸器 内运动的自由落体段。x y 段的弹丸在分丸轮离心力作用下运动到分丸轮叶片边缘，随 后分丸轮叶片边缘的弹丸继续向外运动，在分丸轮窗口