青岛鼎铸重工机械有限公司 抛丸机专业生产厂家

青岛鼎铸重工机械有限公司

鼎铸高效抛丸器 显著提高抛丸效率
网站首页 > 新闻资讯 > 技术资料

抛丸清理机的抛丸器前曲叶片运动分析

2018-06-21 17:12:47 青岛鼎铸重工机械有限公司 阅读

摘 要: 以某型抛丸清理机的抛丸器为例,通过建立力学模型和理论计算,分析弹丸在前曲叶片上的运动状态; 以离散元软件 EDEM 为工具分析了前曲叶片抛丸器弹丸的运动规律,与理论计算结果对比,验证模型正确性; 与直线叶片和后曲叶片抛丸器对比,分析了前曲叶片的优点和叶片曲率半径以及叶片轮转速对抛丸效果的影响,为前曲叶片抛丸器的设计和抛丸清理工艺参数的优化提供依据。

Abstract: This paper takes a type of shot blasting machine as an example,analyzes the motion state of the projectile in the forwardcurved blade and uses the discrete element software EDEM as a tool to analyze the motion law of projectiles in the blasting impellerswith forward curved blades. Compared with the theoretically calculated results,the correctness of the model is verified. And then thelinear blade is compared with the backward curve blade and the advantages of the forward curved blade and the effect of the radiusof curvature of the blade and rotation rate of the impeller on shot blasting are analyzed. The basis is provided for designing the blas-ting impeller with forward curve blades and optimizing the parameters of the shot blasting.

0、引言:

  前曲叶片属于曲线抛丸器叶片,其结构特点是叶片为圆弧形并且向叶片轮旋转方向弯曲。与相同内外径的直线叶片和后曲叶片相比,在相同转速下,前曲叶片加速的弹丸具有更高的最大速度,抛丸器内部空气涡流小,抛射效率高。此外,前曲叶片还有弹丸分布均匀和噪声低的优点。缺点是叶片受力更大,尤其是叶片外端,因此磨损比较严重,前苏联学者萨威林甚至因此提出前曲叶片应该遗弃。但是随着材料和热处理工艺的进步,前曲叶片的寿命大大提高,因此对前曲叶片的研究具有重要现实意义。

  国内外有很多关于前曲叶片的研究报道。阎荫槐[1]和徐金鸿[2-3]等在曲线叶片的研究中对前曲叶片做了理论分析; 匡文彦[4]等提出了前曲叶片弹丸速度和叶片压力的一种计算方法; G.I. Mylona[5]等人用数字模拟的方法研究了抛丸处理过程; 李微[6]和刘元林[7]等结合 ANSYS有限元软件,对叶片受力和使用寿命进行了研究; 侯琳[8]和游小平[9]运用离散元法对直线叶片抛丸器中弹丸的运动状态进行了分析。但是对于曲线叶片抛丸器尤其是前曲叶片抛丸器内弹丸的运动鲜有研究。

  本文运用离散元方法,结合离散元软件 EDEM,研究弹丸粒径和叶片轮转速对前曲叶片抛丸器抛射的影响。

1、弹丸运动方程:

  弹丸在叶片上的受力情况如图 1 所示。根据牛顿第二运动定律得:

图 1 前曲叶片弹丸受力和速度分析

图 1 前曲叶片弹丸受力和速度分析

计算公式

其中,

aa→τ—弹 丸 绝 对 加 速 度 在 叶 片 切 线 方 向 的 分 量;aa→n—弹丸绝对加速度在叶片法向方向的分量; l —叶片曲率半径; ρ—弹丸所在位置的回转半径; ω—叶片轮角速度; N—弹丸在叶片法向受到的压力; Ff—弹丸在叶片切向受到的摩擦力; ar—弹丸相对加速度; ae—弹丸牵连加速度; ac—弹丸科氏加速度; va—弹丸绝对速度; vr—弹丸相对速度; ve—弹丸牵连速度。

又因为:

计算公式

代入式( 1) 得到弹丸在前曲叶片上的微分方程为:

弹丸在前曲叶片上的微分方程

  虽然弹丸在抛丸器叶片上运动时既有滚动又有滑动,但是大量研究表明: 只考虑滚动摩擦和滑动摩擦两种情况下弹丸的运动状态可以看作是相同的。因此,可以假设弹丸在叶片上做滑动,则有 Ff= f N。所以,在考虑摩擦力情况下有:

计算公式

  忽略摩擦力时,得出的弹丸的速度和所受的压力比实际值偏大,但是相差很小。所以,在求解微分方程的时候,可以假设摩擦力 f= 0,代入初始条件 t = 0 时,vr0= 0,ρ = Rb( Rb为叶片内径) ,以及图 1 的几何关系,可以求得:

计算公式

取 ρ=RB( RB为叶片内径) 时,即可求得弹丸离开叶片时的绝对速度。

2、离散元仿真及结果分析:

2.1、抛丸器模型建立及 EDEM 仿真参数设置:

 通过 Solid Works 建立简化线材抛丸清理几何模型( 图2) 。由于弹丸运动主要由分丸轮,定向套和叶片决定,因此可以将抛丸器壳体、护板和传动轴等部件去除,保留分丸轮、定向套、叶片轮和叶片。然后将模型导入 EDEM中,设置仿真和约束条件。定义弹丸材料为铸钢,泊松比为0.28,剪切模量为 8e+10 Pa,密度为 7.8 g/cm3,弹丸产生速率为 30 000 个/s,弹丸生成方式设为连续生成; 定义抛丸器各个部件的材料为高铬铸铁,泊松比为 0.3,剪切模量为 7.6e+10 Pa,密度为 7.8 g/m3。设置弹丸与弹丸之间的接触参数: 恢复系数 0.5,静摩擦系数 0.3,动摩擦系数 0.01; 弹丸与抛丸器主体之间的接触参数: 恢复系数 0. 5,静摩擦系数 0.4,动摩擦系数 0.01。因为实际应用中存在进丸管,进丸管与分丸轮的高度差使弹丸具有沿分丸轮轴向的初速度,设置弹丸初速度为 1.8 m/s。EDEM 计算时假定一小段时间内颗粒的速度不变和加速度不变,在一次时间步长内完成一次颗粒受力情况的计算,这种计算方式可以大大降低对计算机内存的要求。在 EDEM 中,时间步长通过瑞利时间步长来定义,较小的瑞利时间步长能保证仿真的稳定性,但是适当放大时间步长能够显著缩短仿真时间,设置仿真时间步长为 20%。

图 2 抛丸器简化模型

图 2 抛丸器简化模型

2.2、仿真结果分析:

  通过对多次的仿真结果分析,通常弹丸在 0.1 s 时已经达到稳定工作状态,因此,为缩短仿真计算时间,设置仿真时间为 0.5 s。以弹丸粒径 1 mm,叶片轮转速 2 000 r/min 为例,图 3 所示为弹丸在抛丸器内运动的宏观示意。

图 3 0~ 0.2 s 弹丸运动宏观示意

图 3 0~ 0.2 s 弹丸运动宏观示意

  在 0~0.1 s 内,弹丸由进丸管进入分丸轮内,弹丸最大速度为 1.8 m/s,此时弹丸还在初速度和自身重力的作用下在分丸轮内做“自由落体”运动。在 0.01~ 0.04 s 内,到达分丸轮内壁的弹丸在分丸轮的带动下做圆周运动,并逐渐加速。在 0.05 s 时,达到离开分丸轮最小速度的弹丸。

  开始离开分丸轮,此时弹丸最大速度为 11.8 m/s。在 0.05~ 0.06 s 内,更多弹丸离开分丸轮,少量的弹丸因为速度不够不能到达定向套的开口,落入缝隙内,其余弹丸则从定向套开口离开定向套。在 0.07 s 时,离开定向套的弹丸被叶片承接,开始被叶片加速。在 0.08 s 时,弹丸经叶片加速开始离开叶片外端,达到最大速度。弹丸最大速度的平均值为 56.544 m/s,以相同条件代入式( 5) ,求得的弹丸抛出绝对速度为 57.48 m/s,考虑公式计算结果趋近实际值,因此认为仿真是可靠的。

  图 4 为其他条件相同,0.3 s 时弹丸分别在前曲叶片、直线叶片和后曲叶片上的位置及速度示意。从图 4 中对比可以发现,不论哪种叶片的抛丸器,大部分弹丸到达叶片后由于周向线速度与叶片底部线速度不一致( 因为定向套有厚度) ,因此弹丸会沿着叶片“跳跃”前进。前曲叶片由于构造的原因,在弹丸弹起后能够更快的承接住弹丸,因此弹丸在前曲叶片上能够更快的稳定下来,弹丸被加速的时间也会更长,因而可以获得更高的抛出速度,这与实际情况也是吻合的。

图 4 0.3 s 时弹丸在三种叶片上的状态

图 4 0.3 s 时弹丸在三种叶片上的状态

2.3、曲率半径对前曲叶片抛丸器抛射的影响:

  其他条件相同,取不同叶片曲率半径进行模拟分析,如图 5 所示。

图 5 曲率半径与弹丸平均速度关系图

图 5 曲率半径与弹丸平均速度关系图

  图 5 中 折 线 1、2 和 3 分 别 表 示 叶 片 曲 率 半 径 为130 mm、140 mm 和 150 mm 时弹丸的平均速度曲线。从图 5 中可以看出 0~0.05 s 范围内,3 种抛丸器内弹丸的平均速度基本一致,这是因为分丸轮、定向套以及分丸轮转速完全相同,大约在 0.02~0.05 s 内弹丸速度出现衰减,这段时间内弹丸离开分丸轮到达叶片前做自由飞行; 0.06 ~0.08 s内,折线 2 和 3 变化要快于折线 1,这是因为,这段时间内第一批弹丸被叶片承接并被加速,此时曲率大的叶片可以减少弹丸弹起后的滞空时间,从而更快地加速弹丸。0.15s 后弹丸平均速度为波浪形变化,这是由于达到最大速度的弹丸被抛射离开叶片,不再计入统计数据。

  总体来看,在其他条件相同时,增大前曲叶片抛丸器曲率半径,可以提高弹丸速度。需要注意的是,曲率半径增大,弹丸与叶片接触的距离也会相应增加,这样不仅会降低弹丸最大速度,还会加剧叶片的磨损,降低叶片的使用寿命。

2.4、 叶片轮转速对弹丸速度的影响:

  图 6 所示,折线 1-5 分别为叶片轮转速 1 600 r/min,2000 r / min,2 400 r / min,2 800 r / min 和 3 000 r / min 时弹丸最大速度图,前曲叶片曲率半径均为 140 mm。由图 6 可以看出,0~0.05 s 内,弹丸的平均速度基本一致,此时弹丸在初速度作用下进入分丸轮。0.05 ~ 0.1 s 内弹丸被分丸轮加速,穿过定向套后达到叶片,开始被叶片加速,叶片轮转速越大,弹丸平均速度的变化越快,弹丸的最终速度也越大。

图 6 叶片轮转速与弹丸平均速度关系图

图 6 叶片轮转速与弹丸平均速度关系图

  实际运用中,弹丸速度的提高可以提高抛丸清理的效率,但是随着速度的提高,弹丸对叶片的正压力随之增大,会加剧叶片磨损,也对叶片的强度有更高的要求; 此外由于抛丸器工作时只有一侧的几个叶片受力,所以弹丸速度的增大还会导致叶片和叶片轮受力不平衡更加严重,抛头的抖动和噪声增加。因此要根据清理的要求合理选择弹丸速度。


3、结语:

  前曲叶片抛丸器由于叶片构造上的优势可以使到达叶片的弹丸更快稳定下来,因而对弹丸具有更好的加速性能,更够使弹丸获得更大的最终抛出速度。在分丸轮,定向套,叶片内外径以及转速相同的情况下,模拟不同曲率半径下抛丸器的工作过程发现更大曲率半径可以提高弹丸的最大抛出速度。通过运用 EDEM 的模拟分析,可以分析弹丸运动的各个时刻的状态,研究各抛丸参数对弹丸运动的影响,为抛丸器的设计以及抛丸参数的选择提供依据。


品质源于专业!鼎铸重工专注抛丸机定制开发10余年!努力拓展抛喷丸应用领域