（材料加工工程专业论文）抛丸器耐磨件失效原因探讨及分丸轮结构对抛丸率的影响.pdf

摘要 本文论述了抛丸器的发展历程， 的主线，分析了抛丸器的应用现状、 指出进丸方式的改变是抛丸器发展 主要发展趋势和目前该设备存在的 主要问题。从理论上分析了达到临界角速度的弹丸进入分丸轮窗口以后 在分丸轮窗口壁上的运动过程并建立了抛丸器正常工作过程中分丸轮窗 口叶片上形成的阿克肖诺夫弹丸堆的弹丸飞出分丸轮窗口时的速度的大 小及方向的物理模型和数学模型。确定了分丸轮窗口中的弹丸能够飞出 定向套窗口的临界位置。本文对定向套与分丸轮间隙中的弹丸的运动过 程也作了些探讨，近似推导出了间隙中的弹丸运动过程中的角速度， 提出了一种近似计算分丸轮窗口中与间隙中所飞出的弹丸量之比的方 法，并由此对分丸轮窗口中形成的弹丸堆的形态做出了描述。本文近似 计算出了分丸轮窗口中飞出的弹丸打击在抛丸叶片上的具体位置，并对 弹丸与抛丸叶片发生碰撞后的运动过程进行了详细的阐述，推导出了具 体的公式。将抛丸器的具体结构参数代入公式可以推导出此部分弹丸与 抛丸叶片相碰撞的整个过程，包括与抛丸叶片发生过几次碰撞后飞出抛 丸器，以及每一次与抛丸叶片发生碰撞后的速度的大小及方向，从理论 上完善了“多次碰撞”观点。在上述理论分析的基础上对现用分丸轮的 结构作了改进，并通过对比试验探讨了提高抛丸器的抛丸量和抛丸率的 方法。试验结果表明：将分丸轮窗口变成平行式，在分丸轮叶片外壁开 凹槽均能显著提高抛丸器的抛丸量及抛丸率；改变螺旋式分丸轮螺旋叶 片的长度对抛丸器的抛丸量及抛丸率也有重要影响。另外，本论文从能 量角度分别对分丸轮、定向套、抛丸叶片等抛丸器耐磨件失效原因作了 理论上的探讨。这为进一步提高分丸轮、定向套、抛丸叶片等抛丸器易 磨损件的寿命提供了重要的理论依据。 关键词：分丸轮；叶片；能量；抛丸率 a b s t r a c t i nt h i sa r t i c l e ，t h ea u t h o rr e v i e w st h ee v o l u t i o no ft h em o d e mb l a s tw h e e l i ti s i n d i c a t e dt h a tt h ed e v e l o p i n gi ns h o t f e e d i n gm o d e sa r et h em a i nd i r e c t i o ni nb l a s t w h e e l ，a n dt h ea p p l y i n gs i t u a t i o na n dd e v e l o p m e n t a lt e n d e n c yo ft h em a c h i n ea r e p r e s e n t e db r i e f l y i nt h i sp a p e r ，t h em o t i o no fs h o t se n t e r e dt h ew i n d o w so ns h o t b l a s t i n gi m p e l l e r sh a sb e e na n a l y z e d t h ev e l o c i t yo fs h o t si nt h ep i l ef o r m e di nt h e w i n d o w so ns h o tb l a s t i n gi m p e l l e r sh a sb e e nd e d u c e dw h e nt h eb l a s tw h e e li sw o r k i n g n o r m a l l y a n da l s o ，t h ec r i t i c a ll o c a l i z a t i o no fs h o t sf l y i n go f ft h ew i n d o wi nt h e c o n t r o lc a g eh a sb e e na n a l y z e d t h em o v e m e n to fs h o t si nt h ec l e a r a n c eo ft h ec o n t r o l c a g ea n dt h ei m p e l l e rh a sa l s ob e e na n a l y z e d a c c o r d i n gt ot h e i rm o t i o nm o d e l ，t h e i r a n g u l a rv e l o c i t yh a sb e e ne d u c e dw h i l et h e yd i s e n g a g ef r o mt h ec l e a r a n c e a n da l s o t h eq u a l i t yo fs h o t si nt h ei m p e l l e ra n dt h ec l e a r a n c eh a sb e e nd e d u c e d t h en e w m o d a l i t yo ft h ep i l ef o r m e di nt h ew i n d o w so ft h es h o tb l a s tw h e e lh a sa l s ob e e n d e s c r i b e d t h ev e l o c i t yo fs h o t sf l y i n go f ft h ew i n d o wo ft h ec o n t r o l c a g ea r e c a l c u l a t e d ，a n da l s ot h ep o s i t i o no fs h o t sc o m i n gi n t oc o l l i s i o nw i t ht h ev a n ea r e c o n f i r m e d t h em o v e m e n to fs h o t sa f t e rt h ec o l l i s i o na r ea n a l y z e d ，i ti si n d i c a t e dt h a t t h es h o t sc o m ei n t oc o l l i s i o nw i t ht h ev a n ef o rs e v e r a lt i m e sb e f o r et h e yf l yo f ft h e b l a s tw h e e l c o n t r a s t i v ee x p e r i m e n t sw e r ed o n e i ts h o w st h a tt h ep a r a l l e l w i n d o w si m p e l l e r 、t h ep a r a l l e lw i n d o w sw i t hf l u t e si m p e l l e ra r en e wk i n d s o fi m p e l l e r sw i t hl a r g e rs h o tb l a s tc a p a c i t y ，h i g h e re f f i c i e n c y a n da l s ot h e s h o tb l a s t i n gc a p a c i t ya n d e f f i c i e n c ya r ea f f e c t e db yt h el e n g t ho ft h es c r e w f u r t h e r m o r e ，t h ei n v a l i d a t i o n so ft h ei m p e l l e r 、t h ec o n t r o lc a g ea n de s p e c i a l l yt h e v a n ea r ea n a l y z e df r o mt h ea n g l eo ft h ee n e r g y t h i sp r o v i d e dan e ww a yt op r o l o n g t h el i f eo ft h ei m p e l l e ra n dt h ec o n t r o lc a g e k e yw o r d s ：i m p e l l e r v a n e e n e r g y s h o tb l a s t i n ge f f i c i e n c y l i 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，均已在文中以明确方式标明。本声明的法律责任由本人 承担。 论文作者签名：i 蕴坠日期：塑：堡! ! 篁 关于学位论文使用授权的声明 本人同意学校保留或向国家有关部门或机构送交论文的印刷件和电子 版，允许论文被查阅和借阅：本人授权山东大学可以将本学位论文的全部 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。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：主基旦垂导师签名：缸日 期：丑至：! 互 山东大学硕士论文 1 1 前言 第一章引言 随着铸造技术的发展和进步，人们不仅对铸件的内在质量要求越来 越严格，而且对其表面质量也提出了越来越高的要求。优质的铸件不仅 要有合格的内部质量，同样要有优良的外部质量。 铸件的表面清理是铸造生产过程中的重要工序之一。清理包括清除 铸件表面的粘砂和内腔的型芯，除去浇冒口、披缝、毛刺以及热处理形 成的金属氧化皮等。近三十多年来又扩大到对工件表面进行强化、提高 工件寿命【、除锈、去氧化皮【2 3 】及铸件的落砂落芯等范围。具有上述 功能的机械设备在铸造上称为清理机械。 1 2 抛丸清理的意义 铸造生产对抛丸清理设备的主要要求是【4 1 ：尽可能迅速地将铸件内 外表面全部清理干净；尽可能延长零部件的使用寿命。抛丸清理设备的 试验、研究及设计基本上就是围绕这两个要求而开展的。抛丸清理以其 高效低能耗，劳动强度低，自动化程度高等优点逐渐取代了其他清理方 法。工业生产中使用抛丸清理设备一般有以下几种目的：清理铸件表面 氧化皮及粘砂，揭露其表面缺陷；提高金属表面光洁程度，或获得一定 表面粗糙度等级的金属表面；提高金属构件的耐疲劳强度。目前，抛丸 清理的应用领域扩展迅速。除了主要用于热加工工件的表面清理以外， 在冶金行业用于清除钢坯、钢材表面的氧化铁i5 1 。在某些钢材加工中， 已部分甚至全部替代酸洗；在某些制造行业，用于机器零件( 如齿轮、 弹簧等) 的表面强化【6 1 ；在航天工业中，还用于飞机蒙皮件的抛丸成型 【7 1 。总之，抛丸清理在现代工业生产中已成为一种不可替代的表面清理 ( 成型) 方法。 山东大学硕士论文 1 3 抛丸器发展简史 抛丸清理设备的种类庞大，但一般都由抛丸器、丸砂分离装置及弹 丸输送系统、铸件运载系统、除尘系统和控制系统几部分组成8 1 。其中， 抛丸器是整套设备的关键部分，其性能的优劣关系到整个抛丸设备的工 作质量和效率【5 】。因此，对抛丸器的研究和改进就成为抛丸技术和抛丸 设备发展的主要方向。 1 3 1 抛丸器的基本结构 图1 1 抛丸器基本结构示意图 如图1 1 所示，抛丸器由进丸管、定向套、分丸轮、抛丸叶片、圆 盘等部件构成。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。 2 1 3 2 抛丸器发展历程 1 3 2 1 国内外抛丸器的进展 山东大学硕士论文 抛丸技术专利早在1 8 7 0 年就已问世【9 10 1 ，1 8 7 0 年第一个抛丸器专 利的出现，标志着抛丸器的正式诞生。1 9 3 5 年l ，采用铁丸作为冲击材 料的机械进丸抛丸器出现后，抛丸器才成为铸件清理的主要设备。抛丸 器的发展从最初的重力进丸打击式抛丸器发展为机械进丸滑移式抛丸器 和鼓风进丸式抛丸器。以进丸方式来分，抛丸器可划分为三大类： ( 1 ) 重力进丸打击式； ( 2 ) 机械进丸滑移式； ( 3 ) 鼓风进丸式 1 3 2 2 历史上几种重要的抛丸器 ( 1 ) 重力进丸打击式( b a t t e rt y p e ) 抛丸器 图1 2 重力进丸抛丸器 这是出现最早的一种抛丸器。其抛丸量小，抛速低，生产效率低， 抛射方向不易调整。由于这些缺点，这种抛丸器已被淘汰。由于弹丸是 靠重力进入叶轮，而且弹丸和叶片产生强烈冲击，所以第一代抛 丸器也被称为重力冲击式抛丸器。 ( 2 ) 机械进丸滑移式( s l i d e r t y p e ) 抛丸器【1 8 协1 7 i 山东大学硕士论文 1 定向套2 分丸轮3 进丸管4 叶轮盘5 叶片6 机壳 图1 3 机械进丸滑移式抛丸器 1 9 3 5 年，美国铸造设备公司推出第二代抛丸器，与第一代抛丸器相 比，在结构上作了重大变革。弹丸由进丸管加入，落到与叶轮同轴旋转 的分丸轮中，分丸轮将弹丸卷起旋转，在离心力的作用下，弹丸进入分 丸轮窗口并通过定向套窗口，被分丸轮抛出，随即被高速旋转的叶片承 接，由叶片进一步加速抛出。与第一代抛丸器比较，具有以下优点： 削弱了弹丸与叶片的冲击，降低了弹丸的破碎率，延长了弹丸 与叶片的使用寿命； 增设了分丸轮，采用机械供丸，大大提高了抛丸量； 能够大幅度提高抛射速度，增加了弹丸对工件的打击力，提高 了生产率； 增设了定向套，可以控制和调整抛射方向，增加了灵活性。 机械滑移式抛丸器主要缺点是，结构复杂，易磨损件多。分丸轮、 定向套以及抛丸叶片是其中的三种主要的易磨损件。 ( 3 ) 鼓风进丸式( b l a s tt y p e ) 抛丸器i 协1 9 】 本世纪六十年代，德国古特曼公司推出鼓风进丸抛丸器，被称为第 三代抛丸器。他以进丸管取代了机械进丸抛丸器的分丸轮和定向套，用 高压风机的气流将弹丸通过喉管和喷嘴送入叶轮，以一个易磨损件( 喷 嘴) 取代了机械进丸抛丸器的两个易磨损件，减少了易磨损件数目，提 高了工作可靠性。这种进丸方式，减少摩擦能耗，从根本上消除了挤丸 4 山东大学硕士论文 现象。其缺点是：由于要配备高压风机和风管，提高了设备成本，增加 了总的能耗，安装也不灵活，故使用不太普遍。 ( 4 ) 曲线叶片抛丸器 原先的抛丸器，其叶轮叶片都是直叶片，近几十年来在叶片形状上 作了许多改造。1 9 6 9 年前苏联出现了后曲叶片抛丸器【2 0 1 ，1 9 7 6 年美国 p a n g b o m 公司推出前曲叶片抛丸器【2 1 】，1 9 7 8 年我国兰州石油化工机械 厂自行研制了后曲叶片抛丸器【2 2 1 。与直叶片相比，曲线叶片抛丸器具有 以下特点【2 3 】： 抛射带增长； 叶轮内气流的涡流减少。 在相同直径和同等转速的条件下，两类曲线叶片的抛射速度和使用 寿命是有所不同的。前曲叶片的绝对抛出速度最高，而叶片的使用寿命 则是后曲叶片最长。后曲叶片的优点是弹丸对叶片的压力较小，而且压 力沿叶片长度的分布较为均匀，从而寿命长：叶片前曲，可以有效的提 高抛射速度，从而大大提高抛射效率，但叶片受摩擦力最大，最易损坏，1 故前曲叶片应用耐磨性好的材料。 ( 5 ) 管状叶片抛丸器1 2 4 】 为了适应抛射高硬度非金属磨料，1 9 7 2 年英国v a c u - b l a s t 公司研制 出一种管状叶片抛丸器。与直叶片相比，有三个显著的特点： 管状陶瓷叶片本身很耐磨，且磨损后可以转一角度继续使用，使 用寿命较长； 弹丸流的轴向散射角小，具有狭长的抛射带，“热区”长且着弹 密度高，抛射强度大： 叶轮盘不受磨损 但这种抛丸器自七十年代初问世以来，并未广泛采用，其原因可能 是由于它结构远比直叶片复杂。虽然叶片一处磨损后可以转一角度继续 使用，但各叶片由于磨损量不同将造成其重量的差异，从而引起叶轮转 动的不平衡，加剧抛丸器的振动，从而带来安全隐患。 ( 6 ) 自吸式抛丸器【8 2 5 讲】 。 山东大学硕士论文 1 一皮带轮2 一轴承座3 一喉管4 一圆盘5 一叶片 6 一进丸管b 一壳体宽度b 一叶片宽度n 一叶轮转速 图1 4 自吸进丸抛丸器结构示意图 在2 0 世纪8 0 年代由东北工学院阎荫槐教授研制的自吸进丸抛丸器 一改传统机械进九抛丸器的结构形式，去掉分丸轮和定向套它由进丸 管、喉管、叶轮和罩壳等4 部分组成如图1 4 所示其工作过程是利用高 速旋转的叶片自身所产生的负压把铁丸吸入，然后再由高速旋转的叶片 将铁丸抛射出去，其工作原理类似于离心风饥吸送固相物料这种新型抛 丸器具有以下特点： 与机械进丸抛丸器相比，自吸进九抛丸器没有分丸轮和定向套， 代之以1 个喉管，易损件减少，从根本上消除了挤丸现象； 消除了铁丸与分丸轮、定向套间的摩擦所引起的能量损失，特别 是利用了吸入空气的动能( 约占抛丸器输出总能量的2 3 ，它在机械进丸 抛丸器中未被利用) 来预加速弹丸； 结构简化，制造成本和维修费用大大降低但是由于此种抛丸器的 抛丸量小、抛丸率低，故未能推广应用。 ( 7 ) 差速式抛丸器【2 8 2 9 】 6 山东大学硕士论文 ， 1 定向套2 分丸轮3 进丸管4 定向套角度机构 5 叶轮6 分丸轮转动轴7 小带轮8 大带轮 图1 5 差速式抛丸器 1 9 8 5 年山东工业大学韩建德高级实验师研制出了差速式抛丸器，其 结构如图1 5 所示。该抛丸器的特点是；采用双通道式进丸管和叶片式分 丸轮；叶轮和分丸轮差速转动；抛丸方向的调节可在不停机、不拆卸任何 零件的情况下进行：进丸斗下部不需设置进丸闸门，可根据分丸轮的转动导 和停止控制弹丸的进入。 该抛丸器叶轮直径3 2 0 m m ，转速2 9 0 0 r m i n ，抛丸4 2 0 k g r a i n ，抛射 速度6 2 m s ，抛丸率2 1 k g ( k w m i n ) ，与同规格的机械进丸抛丸器比较其抛 丸量和抛丸率均有提高。 ( 8 ) 螺旋进丸式抛丸器i 孙3 3 1 九十年代初，山东工业大学铸造教研室姜青河教授等，在机械进丸 抛丸器的基础上、受螺旋给料机的启发，将螺旋输送的原理与传统机械 分丸轮相结合，设计出一种结构新颖的螺旋进丸抛丸器，以螺旋进丸方 式代替传统进丸方式，以达到提高抛丸量和抛丸率的目的。以抛丸器叶 轮直径4 2 0 衄为例，转速2 3 6 0 r m i n ，抛丸量5 4 0 k g m i n ，是国内同规格机 械进丸抛丸器的2 5 倍，抛丸率为2 4 8 k m i n k w ，是同规格抛丸器的1 5 倍，是目前世界上同规格抛丸器中抛丸率最高的抛丸器。螺旋进丸抛丸 器己于1 9 9 5 年获得国家专利( 专利号为z l 9 523 3 5 3 8 7 ) 。 7 山东大学硕士论文 1 3 影响抛丸器性能的指标3 4 3 5 3 6 】 1 3 1 抛丸量 抛丸量q 即每分钟抛出的弹丸质量( k g m i n ) ，它标志着抛丸器的 的生产率。每一种抛丸器都有其最大抛丸量，当达到最大抛丸量时，即 使增大电动机功率，抛丸量也不会再提高。 目前弹丸在抛丸器内的运动状态争论较多，有资料认为弹丸呈散料 状37 1 ，有资料认为是呈悬浮的流态【3 3 1 。李通【3 9 4 0 1 和孙少纯1 2 】以密实状 态为基础推出了适合一定结构的抛丸器最大抛丸量计算公式，其计算结 果和部分抛丸器相吻合。然而大家都认为只能用统计的观点对弹丸运动 的主流做出概略性地分析，提出准确的有关抛丸量的计算公式比较困难， 还需做大量的试验工作。 1 3 2 抛丸率 抛丸率是指抛丸器每千瓦功率每分钟抛出弹丸的质量，即 g = 上式中， g 一抛丸率( k s m i n ，k w ) q 一抛丸量( k g m i n ) r 一抛丸器所消耗功率( k w ) 抛丸率是抛丸器的一项重要的技术经济指标，它综合的反映了抛丸 器的技术水平和对能量的有效利用程度。各国在研制新型抛丸器时都特 别注意提高这一指标。目前许多文献 9 - 12 】【1 4 3 7 4 0 4 1 1 对此都有研究，并 提出了许多具体的方法。 1 4 本课题的目的及主要研究内容 1 4 1 本课题的目的意义 从机械进丸抛丸器的发明到目前为止已经经历了七十多年的历史 山东大学硕士论文 在这当中，许多研究者们都试图通过改进抛丸器的某些结构来达到提高 抛丸量和抛丸率的目的，但是收效甚微，从而把研究的重点放在如何提 高耐磨件的寿命上，即研究耐磨件的合金材料。对抛丸器工作过程中弹 丸在抛丸器内的运动过程的研究的文献极少，所查到的相关文献主要有 东北大学阎荫槐教授和山东大学姜青河教授等人的研究成果。 因此本课题的目的就是通过研究弹丸在被抛射过程中各阶段的运动 状态，找出其运动规律，分析耐磨件失效原因，为最终提高抛丸器的抛 丸量和抛丸率提供理论上的依据。同时根据这些理论依据，来改进抛丸 器的某些零件的结构，通过试验来验证是否能达到提高抛丸量和抛丸率 的目的。另外，这些理论分析的结果及研究思路对后人研究抛丸器或许 能提供一些参考。 1 4 2 主要研究内容 本课题将讨论进入分丸轮窗口后的弹丸在分丸轮窗口壁上的运 动过程。 分析定向套与分丸轮间隙中的弹丸的运动过程。 分析分丸轮窗口中飞出的弹丸与抛丸叶片接触前后的运动过程。 通过试验以探索分丸轮的结构变化对抛丸量尤其是抛丸率的影 响。 通过试验分析探讨抛丸器耐磨件的失效原因。 9 山东大学硕士论文 第二章弹丸在分丸轮窗口壁上的运动过程分析 2 1 弹丸在分丸轮窗口壁上的运动分析 有文献4 2 】指出：弹丸只有达到或超过能够进入分丸轮窗口的临界角 速度后才能进入到分丸轮窗口内，否则将继续在分丸轮内腔随分丸轮一 起旋转并被进一步加速。 当抛丸器没有定向套时，弹丸不断由分丸轮内部进入到窗口又连续 不断的从窗口抛射出去。进入到分丸轮各窗口内的弹丸在分丸轮窗口壁 的带动下绕分丸轮回转中心做旋转运动，并在离心惯性力的作用下在分 丸轮窗口壁上沿径向方向向外做加速运动，最终脱离分丸轮窗口喂向各 抛丸叶片，经抛丸叶片加速后被抛射出去。此时，各分丸轮窗口连续不 断、同时而均匀的将弹丸喂送到各抛丸叶片，那么此时各抛丸叶片也是 连续不断的同时而均匀的向外抛射弹丸。 分 图2 1 弹丸在分丸轮窗口壁上的运动模型 分丸轮内腔中达到临界角速度的弹丸进入到分丸轮窗口的临界位置 如图2 1 中a 点所示，即弹丸与分丸轮窗口壁直线段的切点与此直线段 的弹丸进入端的端点相重合。此时弹丸的角速度恰为临界角速度，且小 o 山东大学硕士论文 于分丸轮的角速度，两者将发生碰撞，碰撞后的瞬间，弹丸在分丸轮窗 口壁上随分丸轮一起转动，其角速度与分丸轮的角速度相同，其径向速 度为零。 为了便于分析，在分丸轮以角速度国旋转的过程中，在其旋转运动 的方向上取一个和其转向相反的角速度一。由相对运动原理，可以建 立进入到分丸轮窗口的弹丸沿分丸轮窗口壁的交加速直线运动模型，如 图2 1 所示： 由图2 1 可知弹丸在图示位置沿径向向外运动的加速度为 口= 鲁= 窘耐c 詈， 又因为 一d x ：v 1 即d t ：一d x d t h 所以可建立如下微分方程 訾= 口列i d r ) 解上述微分方程可得 v l 霉( d + 2 r ) x + x 2 + c 由题意知此微分方程的初始条件 当j = 0 时，有1 ，= 0 即可得c = 0 所以此微分方程的解为 v l = ( d + 2 r ) x + x 2 由此推导出了弹丸运动到分丸轮窗口壁外端的径向速度 h = ( d + 2 ，) ( j r ) + o 一，) 2 = s 2 + 置d r d 一，2 式中，s 一分丸轮窗口的厚度，m r 一分丸轮窗口棱角处圆弧的半径，m 国一分丸轮转动的角速度，r a d s ，d 一分丸轮的内径，m 山东大学硕士论文 度为 当弹丸运动到分丸轮窗口壁外端在脱离分丸轮窗口的瞬间其切向速 v 2 = 国( 昙+ s ) ， 在弹丸脱离分丸轮窗口的瞬间，其绝对速度为上述两速度的合成( 图 2 2 ) 。 分丸轮窗 图2 2 弹丸脱离分丸轮窗口时的速度矢量 弹丸飞出分丸轮窗口的绝对速度为 v ；而：f i 莩忑 且v 与v 的夹角 d 一+ s 一甜啦否衰b “2 _ 2 2 2 分丸轮窗口中弹丸堆中弹丸飞出分丸轮窗口的运动分析 山东大学硕士论文 图2 3 分丸轮面口中形成的网克肖诺夫弹丸堆 在有定向套的状态下，定向套的作用是使分丸轮窗口中的弹丸只能 通过定向套窗口被喂送给抛丸叶片，经抛丸叶片加速后被抛射出去，也 就是说定向套的作用是使抛丸叶片抛出去的弹丸局限在某一特定的范围 内。弹丸进入分丸轮窗口以后，在离心力的作用之下，从分丸轮窗口壁 的表面滑过。当某一窗口旋转到如图2 3 所示位置时，弹丸开始飞离分 丸轮窗口并越过定向套窗口被喂送到叶轮叶片上，当分丸轮继续转动到 某一位置时( 后文讨论) ，弹丸不再能够飞出定向套窗口而被抛入分丸轮 和定向套之间的间隙中。当此间隙逐渐被弹丸充满之后，连续不断的后 续弹丸将会逐渐存留在分丸轮窗口内随分丸轮起转动，形成阿克肖诺 夫弹丸堆，其截面为等腰直角三角形，直角边长等于分丸轮窗口的宽【4 3 4 4 4 5 1 ，如图2 3 所示。 当分丸轮某一承接弹丸的窗口壁转动到靠近定向套窗口的某一位置 时，阿克肖诺夫弹丸堆中最外层最前端的弹丸首先飞出，其飞出时的切 向速度呓等于v ：，且它在飞出时在径向上向前运动了姜的距离。同理， 二 阿克肖诺夫弹丸堆中的第疗层弹丸飞出分丸轮窗口时其切向速度为y ：， 山东大学硕士论文 在其径向上往前运动了一术p = o 一言) d 的距离，设其飞出时的径向速度 为q ，则由第一部分的推导我们可以得出 v 2 = v 2 叫罢删 =(d+2r)(n-1)d+(n-1)2d2 同理可得阿克肖诺夫弹丸堆中弹丸飞出分丸轮窗口时的绝对速度为 矿= 一譬+ 瓜“邶胁砌一抄c ”一妒吲 且v 与“的夹角为 + s 一留f 萧丽2 “2 4 阿克肖诺夫弹丸堆中的弹丸飞出分丸轮窗1 ：3 后，后续进入到分丸轮 窗口的弹丸的运动过程同第“2 1 ”部分。 2 3 分丸轮窗口中弹丸飞出定向套窗口的i 临界状态分析 在抛丸器的工作过程中，由于其进丸是一个动态的过程，并不是所 有进入分丸轮窗口内的弹丸都能从定向套窗口中飞出。这是因为，根据 弹丸环【46 】理论，弹丸进入分丸轮各窗1 ：3 的概率不仅在空间上均等，而且 在时间上也是相同的。在弹丸堆转过定向套窗口的这段时间内，弹丸仍 然会连续不断地进入分丸轮窗口内。可以肯定，在这些弹丸中必然有一 部分没有足够的时间飞出定向套窗口，而直接打击在定向套的内壁上。 4 山东大学硕士论文 定向套 图2 4 阿克肖诺夫弹丸堆中弹丸飞出定向套窗1 ：3 的临界状态 如图2 4 所示，分丸轮某一窗口壁1 转到l ，即分丸轮转过一定角 度沙( y ) 的过程中：分丸轮窗1 ：3 中最先飞出定向套窗口的弹丸的临界 位置为阿克肖诺夫弹丸堆中外层最前端弹丸( 如图2 4 中口所示) 的质 心处于分丸轮回转中心o 与定向套窗口上a 点的连线上。 然而，分丸轮窗口中弹丸不能飞出定向套窗口的临界状态有以下两 种可能： 在分丸轮转过角度的过程中，分丸轮窗1 ：3 中形成的弹丸堆已 经全部飞出，图2 4 所示的b 弹丸为后续进入到分丸轮窗口中的弹丸， 飞离分丸轮后与定向套窗口右壁的最上端曰点相撞，并且弹丸质心与口 点重合，此时，为分丸轮窗口中的弹丸不能飞出定向套窗口的临界状态 的第一种可能性。 在分轮转过角度的过程中，分丸轮窗1 ：3 中形成的弹丸堆还未 全部飞出，图2 4 所示的b 弹丸为弹丸堆中某一层最后端的一个弹丸， 飞离分丸轮后与定向套窗口右壁的最上端口点相撞，并且弹丸质心与口 点重合，此时，为分丸轮窗口中的弹丸不能飞出定向套窗口的临界状态 的第二种可能性。 山东大学硕士论文 由图2 4 可知：里! ：t g 盯 o d 一0 c 。 ( 导+ s + c “) s i n 妒了d + j 即虿=忑万2、(d+2r)(s-r)+(s-r)2 口= 一2 ( d + 2 r ) ( 5 一，) + ( s 一，) 2 ，( d + 2 r ) ( s - r ) + ( s - r ) 2( i d + s ) ， 旦2 卅c “ 一1 ( 罢+ s ) 2( 罢+ s + c + s ) 2 l 狮瞥1 又因为= y 一妒 而妒= p + d 一善，由于o 、角很小，所以他们所对应的弧长e f 、 c g 可近似的看作直线，即得盯* 2 a r c s i n 五五2 j s - 历d，善* 2 a r c s i n 夏而d ， g = y 一9 + o 一 = v 一 - 2 ( d + 2 r ) ( s r ) 十( 5 一r ) 2 1( d + 2 r ) ( s - r ) + ( s - r ) 2( 了d + s r 旦2 + s + c + ， 。1( 罢+ s ) 2( 等+ s + c + s ) 2 。1 i 舭业餮掣， + 2 a r c s i n 垄二生一2 a r c s i n 生 2 d + 4 s 一2 d2 d + 4 s 式中，s 一分丸轮窗口的厚度，m 1 6 ( 2 6 ) 山东大学硕士论文 d 一分丸轮的内径，m c 一分丸轮与定向套间隙的径向长度，m j 一定向套厚度，m d 一弹丸直径，m ，一定向套窗口所对应的圆心角，。 对于第二种情况具体推导过程同第一种情况，可得到 = r 一 -2j匠(d+2rx互n-1)d巫+(n-1)2d2z + ： 旦+ c + s ， 狮( d + 2 r x n 螽- i ) d + ( n - 1 ) 2 d 2 2 1 + 1 】 + 2 a r c s i “面i 2 s - i d 西一2 a r c s i “互两d 石 式中， s 一分丸轮窗i = i 的厚度，m 月一分丸轮窗1 3 中形成的阿克肖诺夫弹丸堆中弹丸的层数 d 一分丸轮的内径，m c 一分丸轮与定向套间隙的径向长度，m s r 一定向套厚度，m d 一弹丸直径，m ，一定向套窗口所对应的圆心角，。 综上所述，分丸轮某一个窗1 3 壁在转过如图2 4 所示的( 妒) 的 角度为弹丸能够飞出定向套窗口的临界位置，在这一角度内从分丸轮窗 1 3 中飞出的弹丸能够飞越定向套窗口并最终与叶轮叶片相遇。 1 7 山东大学硕士论文 第三章分丸轮与定向套间隙中的弹丸的运动过程分析 3 1 定向套与分丸轮间隙中的弹丸的运动分析 在抛丸器的工作过程中，随着越来越多的弹丸存积在间隙中，在靠 近定向套出口端的某一角度内间隙逐渐被填满，直至密实。密实的弹丸 不断受到分丸轮外壁对其产生的摩擦力作用，而且，分丸轮窗口中的弹 丸由于离心力的作用不断对间隙中的弹丸产生挤压和摩擦，间隙中的弹 丸在这两种力的作用下将在沿分丸轮的旋转方向向定向套窗口运动。能 够近似的把这个 中各层弹丸之间 外，若能减小分 隙中弹丸对分丸 无效功率消耗。 运动看成是沿分丸轮外壁的相对圆周运动。显然，间隙 甚至某一弹丸层的各弹丸之间的角速度是不相同的。另 丸轮与定向套间隙中的弹丸受到的挤压力，即可减小间 轮外表面以及定向套内表面的磨损，又可降低这部分的 图3 1 弹丸在间隙中的受力图 下面重点分析弹丸在定向套与分丸轮间隙中的运动过程：建立弹丸 在分丸轮与定向套间隙中的圆周运动的运动模型。若忽略重力及空气阻 力，弹丸受力如图3 1 所示： m 为弹丸质量，假设f = k n ，k 为综合摩擦系数 z 。 l f 豫萝、j v 一 山东大学硕士论文 弹丸的角速度：= _ d a d t ，而，= = m 国z 2 r = m ( 华a t ) 2 r 根据牛顿第二定律：肌口= 埘 眦肌窘r = 砌c 争2 r 窘叫鲁) 2 ，代入垆警，有 堕：七纸2 出 锯此方稗有： m ，：上( 3 - - 1 ) m z2 i 石 c 为常数，其值可根据弹丸的具体初始条件确定。 由上述公式可知，分丸轮与定向套间隙中的弹丸在其运动过程中的 角速度的大小与其在间隙中的综合摩擦系数k 以及其在间隙中被加速的 时间f 有关，且间隙中弹丸在运动到定向套窗口时将沿分丸轮外圆周的 切线方向飞出。 3 2 分丸轮和定向套间隙与分丸轮窗口中飞出的弹丸量之比 由前述，弹丸在超出飞出定向套窗口的临界角度( i f ，) 【4 7 1 后将不 断的进入到分丸轮与定向套的间隙中，然而间隙的容量不可能无限大， 因而弹丸也必然是有进有出，进、出的量是相等的，是一个平衡的动态 过程。所以可以认为，当间隙中的弹丸获得一定的角速度后，便能够从 定向套窗口中飞出。因此从理论上讲，从定向套窗口中飞出的弹丸不仅 包括从分丸轮窗口中飞出的弹丸，同时也包括来自分丸轮和定向套间隙 的弹丸。这两部分弹丸到底各占多少呢? 这是多年来人们想力图解决而 至今没有解决的问题。本文将采用测量与计算相结合的方法大致的确定 这两部分弹丸之间的比例关系。 1 9 山东大学硕士论文 3 2 弹丸进入分丸轮和定向套间隙的过程 抛丸器在工作过程中，分丸轮某一窗口在旋转到如图3 2 所示的位 置时，分丸轮窗口中的弹丸将被抛入分丸轮与定向套的间隙中，在角度u 内，间隙中弹丸较少，定向套内壁表面摩擦较轻，但是在弹丸的打击下 会出现明显的打击痕迹，这一点与实际观测相一致。在角度五内，间隙 中已存有一定量的弹丸，飞出分丸轮窗口的弹丸将打击在间隙中的弹丸 层上或挤压进入间隙中的弹丸堆中，定向套内表面磨擦较重。而在曲段， 由于间隙中的弹丸已充满并且很密实，所以不会再有弹丸从分丸轮窗口 进入到间隙中，只有分丸轮窗口中的弹丸在离心力作用下挤压间隙中的 弹丸 然而在抛丸器的工作过程中，弹丸充满间隙之后，存留在间隙中的 弹丸量将基本保持不变，由此可见，抛丸器正常工作过程中在弹丸充满 间隙后，分丸轮每转一圈，从分丸轮窗口进入到间隙中的弹丸与从问隙 中飞出的弹丸量在宏观上是相等的。 山东大学硕士论文 在图3 2 所示的z 角度的过程中，分丸轮窗口中的弹丸打击到了定 向套与分丸轮的间隙中，而此部分弹丸的量与从间隙中飞出的弹丸的量 是相等的。故可得分丸轮和定向套间隙与分丸轮窗口中飞出的弹丸量之 比可近似的看作 k ：l ( 3 2 ) 。 3 6 0 一z 式中，七一分丸轮和定向套间隙与分丸轮窗口中飞出的弹丸量之比 z 一定向套打击痕迹所对应的定向套的圆心角，。 其中，z = f + v ，伊角可通过公式( 2 5 ) 计算得到，u 角可以通过 测量定向套内壁实际被弹丸打击的痕迹而获得，当然这种方法并非十分 精确，但它可以大致的确定分丸轮与定向套间隙中所飞出的弹丸量。实 际上，通过这种方法确定的从间隙中飞出的弹丸的量略小于抛丸器实际 工作过程中从间隙中飞出的弹丸的量。这是因为在图3 2 所示的角度a 内，分丸轮窗口中仍有弹丸挤压进入分丸轮与定向套的间隙中。 公式( 3 2 ) 对今后抛丸器特别是分丸轮和定向套的设计提供了比 较可靠的理论依据。例如在满足分丸轮窗口承载量的前提下合理确定分 丸轮的壁厚，尽可能增大分丸轮的内径，以进一步提高抛丸量；合理的 确定分丸轮与定向套的间隙的大小等。 3 3 抛丸器工作过程中分丸轮窗口中弹丸形态新探讨 3 3 1 理论推导 在抛丸器正常工作的过程中，定向套与分丸轮之间的间隙被弹丸充 满之后，由于弹丸仍不断的由进丸管进入到分丸轮中，达到临界角速度 1 4 6 的弹丸继续不断的进入到分丸轮窗口中，分丸轮窗口中将不断地积聚 弹丸，那么此部分弹丸的积聚量为多少? 我们可以通过本章第2 部分的 内容进行推导如下： 由公式( 3 2 ) 可知，在抛丸器正常工作的过程中，在时间t 内从 分丸轮某一窗口中飞出的弹丸的质量为 2 1 山东大学硕士论文 m ：= q ( 3 6 0 - z ) t 2 1 6 0 0 e 则在抛丸器转过一圈的时间内分丸轮某一窗口所积聚的弹丸的质量 为 m ，：q ( 3 6 0 - z ) 3 6 0 e n ， 由此可知，抛丸器在正常工作的过程中，其每转一圈在分丸轮某一 窗口内所积聚形成的等腰三角形【4 5 】弹丸堆的边长为 口- 鲤鱼塑( 3 - - 3 ) 、1 8 0 e p b n ， 上述各式中， 疗，一抛丸器工作过程中的转速，转m i n q 一抛丸器正常工作过程中的抛丸量，k g r a i n p 一分丸轮窗口的数量( 一般为8 ) z 一定向套磨损部位所对应的圆心角，。 f 一抛丸器工作的时间，s 6 一分丸轮窗口宽度，m p 一分丸轮窗口中积聚形成的弹丸堆的密度，堙肌3 3 3 2 分丸轮窗口中弹丸堆形态的新探讨 在抛丸器正常工作的过程中取其转速n ，= 2 9 4 0 r m i n ，工作时的抛丸 量q = 1 7 3 9 8 k g m i n ，弹丸堆密度p = 5 o x l 0 3 k g m 3 ，分丸轮窗口的宽度 b = o 0 1 2 m ，近似量取定向套打击磨损部位对应的圆心角z = 1 4 0 3 3 1 5 。， 将上述数据代入公式( 3 3 ) 最终求得抛丸器每转一圈在分丸轮某一窗 口内所积聚形成的等腰三角形弹丸堆的边长 a = 0 0 1 2 2 6 6 m 取分丸轮的壁厚s = 0 0 1 5 m ，显然有a s ，此观点与阿克肖诺夫关 于弹丸堆柱长【4 5 1 的说法不一致，对进一步从能量角度研究抛丸器易损件 的破坏形式提供了理论依据。 山东大学硕士论文 第四章弹丸与抛丸叶片接触前后的运动过程分析 4 1 分丸轮窗口中飞出的弹丸被抛丸叶片承接时的具体位置 求解 4 1 1 理论分析 关于飞出定向套窗口的弹丸在与抛丸叶片接触前后的运动过程的分 析有很多人做了大量的3 - 作【4 8 巧1 1 ，本论文在已计算出分丸轮窗1 3 中形成 的弹丸堆飞出定向套窗口的速度的基础上，可以进一步确定弹丸与抛丸 叶片碰撞前后的运动过程。 抛丸器在正常3 - 作过程中，分丸轮和叶片以等角速度国绕分丸轮轴 心旋转，下面我们研究弹丸被一组直平滑叶片承接时的运动过程： 由上述公式( 2 3 ) 、( 2 4 ) 可知弹丸飞出窗口后的速度和角度4 7 】 分别为： 一 v = 厚+ 伽膏邶协砌一争怕一扣2 4 - 5 2 一增万萧丽 分丸轮窗1 1 1 1 中飞出的弹丸被叶片承按时的过程如图4 1 所示，不计 弹丸自重及空气阻力，则弹丸将以速度v 继续向前飞行。 a b 方向为v 的方向，假设弹丸与叶片1 相撞于b 点，根据抛丸叶片 旋转到o b 位置与弹丸从分丸轮窗口a 点飞出后运动到b 点的时间相等 列方程为等= 字， 将公式( 2 1 ) 代入上式可得， 1 8 。压叫+ 力等+ 胍。+ ( d + 2 ，) ( 疗一三) 州月一三) 2 d 2 山东大学硕士论文 幽4 1 分丸轮筒口甲e 出捭丸与叶片相撞衙图 d 在心帆利用正弦定酮翌s l n j = 篙s l n ，z 月石u 又z a b o = 口7 一口， 联立上述几式并代入公式( 2 2 ) 可得： 1 8 。( 乡+ j ) s i i l = 万( + 妒) d 一- 4 + d s + s 2 + ( d + 2 r ) ( n - l - ) d + ( n - 1 ) 2 d 2s i n ( a - ) ( 4 1 ) 解上式可求得a b 的长度以及p 的度数，在a b a o 中，同样利用正弦 定理可得，面硒菊o b = 而= 五a 万b ，即 历：a b _ - s i n a ( 4 - - 2 ) 。 s l n 口 将具体分丸轮的结构参数的数值代入上述公式中即可求得历的具 体值，如果+ s + c + s t 历 + s + c + s t + ，则假设成立，弹丸将与 山东大学硕士论文 抛丸叶片1 发生碰撞；如果一o b + s + c + j ，则假设不成立，弹丸将 与后续的抛丸叶片2 发生碰撞。显然，当弹丸与后续的抛丸叶片2 发生 碰撞时，我们也可利用上述方法而最终计算出o b 的长度，然后再重复 上面的比较即可确定出分丸轮窗口中飞出的弹丸具体将与哪个抛丸叶片 相撞以及撞击点的具体位置，此公式为后续研究抛丸叶片的失效形式提 供了重要的理论基础。 在以上各式中， s 一分丸轮窗口的厚度，所 以一分丸轮窗口中形成的阿克肖诺夫弹丸堆中弹丸的层数 d - - 分丸轮的内径，i n p 一安装定向套时与分丸轮窗口所成角度，。 d 一弹丸直径，m ，一分丸轮窗口棱角处圆弧的半径，i n 卜一抛丸叶片的长度，1 , l , l c 一分丸轮与定向套间隙的径向长度，m s 一定向套厚度，所 4 1 2 例证 参考青岛铸造机械集团公司所提供的q 3 1 1 0 5 2 2 3 号分丸轮的结构 参数，即d = 0 0 5 8 m ，j = o 0 1 5 m ，另外实验用弹丸直径取d = o 0 0 1 5 m ，将 其代入公式( 4 1 ) 并取力= 1 ，r = o ，妒= 5 0 得 4 7 3 5 s i n f l 一4 9 5 e o s f l = ( o 9 9 c o s f l o 1 5 s i n ) 求解得= 4 0 0 ，a b = 0 0 4 2 7 5 m ，将与a b 的值代入公式( 4 2 ) 可得，o b = 0 0 6 5 8 m 。 同样取q 3