学 号 07071105 密 级

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

Q型喷丸器

院（系）名 称： 机电工程学院 专 业 名 称： 机械设计制造及其自动化 学 生 姓 名： 李庆楠 指 导 教 师： 刘 崇 讲师

2011年6月

哈尔滨工程大学本科生毕业论文

Q型喷丸器

院 （系）：机电工程学院 专 业：机械设计制造及其自动化 学 号：07071105 学生姓名：李庆楠 指导教师：刘 崇 讲师

2011年6月
摘 要

抛丸处理是一种伴随工业发展而不断发展的技术，并在越来越多的场合得到越来越重要的应用。其主要应用场合为铸件的除锈及精密铸件的表面处理、修复公路和对桥梁进行除锈处理等。在本文中并简述了抛丸器的发展历史和发展趋势。 抛丸器是抛丸机的核心部件，对抛丸机抛丸效果有着决定性的影响。抛丸器是通过离心力对弹丸进行加速，使高速弹丸打击在待处理表面上的以达到处理工艺要求的。在文章对抛丸器的核心部件进行了设计，包括叶片的设计，分丸轮的设计及主轴的设计。叶片的设计是通过分析弹丸在叶片上的运动和受力情况进行的设计和校核。分丸轮的设计目标就是保证抛丸器的最大抛丸量也是通过分析弹丸在分丸轮上的运动情况，确定运动方程和极限位置进行设计的。主轴的设计是根据抛丸室内的回转件的总转动惯量而算出主轴需要传递的转矩来确定主轴的尺寸。文中同时对抛丸器的密封进行了设计，在抛丸器的关键位置分别用了橡胶密封、防护板密封和迷宫密封三种密封形式。

关键词：抛丸器；叶片；分丸轮
Abstract

Shot blasting is a technology developed with the industrial technology. Shot blasting has been used much wider than ever. Also the shot blaster has been used in many specific fields man can never image it, not limited in remove the rust from the surface of the casting, such as repair highway surface and rust the dust on bridge etc. But the mainly field, which shot blasting machine been used, is still to deal with the castings. In this paper, summarized the route of how shot blasting developed and picture the how this technology will be in near future. The impeller head is the most important core component of the shot blasting machine, thus, the ability of impeller head has a significant impact on the sufficiency of the shot blasting machine itself. Impeller head use the centrifugal force to accelerate the projectile so the projectile can hit the workpiece at a very high speed in order to achieve the purposes (like remove the dust from a casting and etc). In this article, there are several parts of impeller head are been designed. The impeller blade, the points pills and the main spindle. To design of the blade is depend on the analysis of movement of the projectile and the force on the blade. In the same way the author check the design. The purpose of the design of points pills is to guarantee the maximum amounts of the projectile can be thrown out of the machine. The way how to design this part is also by analysis the movement of the projectile and the forces on it. The design of the main spindle is carried out by the J of the whole workpiece and then the T can be determined. In this way the author can design the details of the main spindle. In this paper, the way to enclose the machine is also designed. There three ways are been used, the rubber seal, the maze seal and the fence board seal.

Key words: impeller blade; points pills round; shot blasting machine
目 录

第1章 绪论 1 1.1 引言 1 1.2抛丸器的发展历程及国内外现状 1 1.2.1 发展历程 1 1.2.2 国内外现状 2 1.3 抛丸器的基本结构 3 1.4 抛丸器的主要性能指标 4 1.4.1 抛丸量 4 1.4.2 抛丸率 4 1.5 课题设计内容 4
第2章 抛丸器整体方案设计及参数选用 6 2.1 抛丸器整体方案设计 6 2.2 初始参数选定 7 2.2.1 抛丸器的初始参数 7 2.2.2 与抛丸器配套电机的选定 8 2.3 本章小结 8
第3章 叶片的设计 9 3.1 弹丸在抛丸器运动分析及受力分析 9 3.2 叶片的设计 14 3.2.1 叶片的选型 14 3.2.2 叶片尺寸计算 15 3.2.3 叶片的受力分析及校核 18 3.3 本章小结 21
第4章 分丸轮的设计 22 4.1 分丸轮基本结构设计 22 4.2 分丸轮内径的确定 23 4.3 分丸轮外径的确定 27 4.4 抛丸器最大抛丸量的计算 31 4.5 本章小结 32
第5章 抛丸器传动设计 34 5.1 抛丸器主轴设计 33 5.2 抛丸器连接设计 38 5.3 本章小结 39
第6章 抛丸器密封润滑 41 6.1 抛丸器的密封防护 41 6.2 抛丸器的润滑 43 6.3 本章小结 44
结论 45
参考文献 47
致谢 49

第1章 绪论

1.1 引言

抛丸机已经在国内外得到越来越广泛的应用，应用领域也不仅局限于传统的零件表面的处理，已经同时被应用于维护和修复高速公路表面、钢桥及机场路面等领域。 抛丸处理本身具有如下特点，一、清理效率高，费用低，操作人员少，容易实现机械化，适用于大批量生产；二、不用压缩空气加速弹丸，因而不必设置功率大的空压站，被清理的表面也无湿气；三、灵活性差，受场地限制，清理工件时有些盲目性，在工件表面易产生清理不到的死角；四、设备结构较复杂，易损件多，特别是叶片等零件磨损快，维修工时多，费用高；五、一般情况不能使用轻而细小的弹丸。 而抛丸器为抛丸机的核心部件，合理的抛丸器的设计不仅可提高关抛丸机效率，同时可使抛丸机小型化并便于维修简。其中由于叶片工作处于高速旋转的状态中，要同时承受钢丸磨料的磨损和高速丸料的冲蚀磨损。经过一段时间的工作叶片会因为磨损而失效，需要检修设备，换掉失效的叶片，重新装配叶片，才能使抛丸机继续正常的工作。所以为提高机械的运行效率，减少检修所需时间，抛丸器的结构中叶片与叶轮的链接需要简单可靠并便于装卸。

1.2抛丸器的发展历程及国内外现状

1.2.1 发展历程

由于抛丸技术应用广泛，所以相关研究和设备也发展的很迅速。早在十九世纪下半叶，已经出现了利用喷射磨料来进行表面处理的加工工艺。但是最初仅是用于制造毛玻璃，后逐渐用于工件的表面处理。直到1870年，随着第一个抛丸器专利的出现，标志了抛丸器的诞生。 在抛丸器的发展历程中经历了几个节点，第一代抛丸机既打击式抛丸器，原理是叶片将弹丸击出，这样的抛丸器由于受弹丸的冲击力较大，导致弹丸破损和叶片的快速磨损。半个世纪后出现的白口铁使金属磨料进入使用，这使得抛丸器有可能提高抛射速度、降低碎丸率、延长设备寿命、消除了石英砂磨料所产生的有害硅尘。 上世纪三十年代，由美国的铸造设备公司即现在的惠尔阿不拉脱公司制造了第二代的抛丸器，即现在仍在应用的机械进丸式抛丸器，结构上出现了重大的变革，弹丸由进丸管进入分丸轮内腔，由分丸轮加速后经定向套窗口抛出后切向接近叶片，这样的结构不仅减少了弹丸的碎丸率同时降低了叶片的损耗，而且由于分丸轮的存在而提高了抛丸量，同时这种结构允许更高的抛射速度，而定向套的窗口角度任意可调则可任意的控制抛射方向。 上世纪六十年代，德国古特曼公研发成功了鼓风进丸的抛丸器，这是第三代抛丸器，结构上用进丸管取代了分丸轮和定向套，而通过高压风机将弹丸通过喉管和喷嘴输送到叶片上。这样的结构提高了抛丸器的可靠性，但由于成本过高而很少呗采用。

1.2.2 国内外现状

在经历了抛丸器结构上的改变后，抛丸器在近代的发展中的研究主要集中在了结构的优化设计和各个易损件的耐磨分析。随着计算机技术的发展，更是可以利用计算机进行抛丸器的静力分析和动力学分析。其中现在的叶片发展出了除直线型叶片外的前曲叶片、后曲叶片和管式叶片。而倾斜叶片正处在理论研究中，其研究的主要目的就是使弹丸在叶片的任意一点上的压力都为零。常用的三种叶片（直线叶片、前曲叶片和后曲叶片）中后曲叶片抛射速度低但是寿命较长，前曲抛射速度高但是磨损最快，但是两者的抛射带均比直线型叶片的抛射带要常。管式叶片抛射速度高，抛射位置可控，叶片磨损形式比较固定且相对容易确定，在使用一段时间后只要转动一定角度即可继续使用叶片，而无需更换，但是成本较高，因而多应用于精密铸件的表面处理。 我国是在原苏联援建一汽后，才有了国产仿苏抛丸器产品的生产与使用，抛丸量只有每分钟几十千克，很小。在抛丸器的观念上只接受适用于小抛丸的阿克肖诺夫的观念（特点是以铁丸作为分析实例，略去其鼓风作用的影响）。上世纪70年代，引进大批量生产线，配带大抛丸量抛丸器，由于以老观念认识它，国产化后不但抛丸量大大降低，而且寿命短的不可想象。到80年代初我国东北工学院研制出来一种新型节能抛丸器——自吸进抛丸器。优点明显并无需另设鼓风系统。历史发展到当今IT时代，在计算机软件不断发展尤其是强大的三维造型软件建模，将模型导入到ADAMS中。这样一来对要拟要分析研究的机器。只要掌握了其结构参数和施工图纸，将其建立的模型输入电脑中，就可以在电脑中分析各种包括静、动力学在内各种问题，取得应有的结果、数据和资料[4]。

1.3 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，抛丸器的基本结构由进丸管、定向套、分丸轮、叶片和叶轮组成。弹丸由进丸管滑移进分丸轮腔内，由分丸轮进行初步加速，使弹丸达到抛射速度后，弹丸穿过定向套窗口，窗口开口角度已预设并固定，弹丸通过定向套窗口后被叶片抄起进行二次加速直至弹丸抛出。

1.4 抛丸器的主要性能指标

1.4.1 抛丸量

抛丸量Q即每分钟抛丸器所抛出的弹丸的质量（kg/min），抛丸量标志着抛丸器的生产率。每种抛丸器都其特定的最大抛丸量，在达到最大抛丸量时即便增大电机功率，抛丸器的抛丸量也不会继续提高。 对于最大抛丸量的确定是根据李通和孙少纯以密实态为基础而推出适用于一定结构的抛丸器的最大抛丸量计算公式而确定的，公式的计算结果和不分抛丸器相吻合。但是抛丸量仍被认为只能用统计的观点对弹丸运动进行概略性的分析，提出准确的最大抛丸量的公式比较困难。

1.4.2 抛丸率

抛丸率是抛丸器每千瓦功率没分钟所抛出的弹丸的质量，抛丸率用q表示 [pic] (1-1)
上式中
q—抛丸率(kg/min·kW) Q—抛丸量(kg/min) N—抛丸器所消耗功率(kW) 抛丸器的重要技术经济指标之一就是抛丸器的抛丸率，抛丸率综合反映了抛丸器的技术水平和对能量的有效利用程度。在研制新型抛丸器的时候各国都会特别注意提高抛丸器的这一指标。

1.5 课题设计内容

本文设计内容主要如下： (1)、确定抛丸器主要的应用场合为铸件的表面处理，要求达到除锈等级Sa2.5即每平方米要求抛丸量130kg，及其它公式确定抛丸器功率选定电机。 （2）、抛丸器整体方案的设计，包括叶片的布置，抛丸器与电机的连接形式。 （3）、完成抛丸器整体方案设计后，根据所选定的电机参数和确定的抛射速度，设计并对叶片进行校核。 （4）、完成叶片具体参数确定后根据相关理论，在保证抛丸器具有最大抛丸量的前提下进行分丸轮的设计与校核。 （5）、完成抛丸器连接件的设计选用与校核 （6）、抛丸器密封形式的设计。 第2章 抛丸器整体方案设计及参数选用

2.1 抛丸器整体方案设计

抛丸器的主要工作原理即利用离心力将弹丸高速抛出，打击在需要被处理的工件表面，利用弹丸的快速冲击，达到铸件表面除锈、提高工件表面强度等一系列目的。显然若弹丸在初次接触叶片时不发生碰撞，既弹丸与叶片的相对速度为零，则弹丸会在叶片上滑行直至抛出，但若弹丸与叶片发生碰撞，则弹丸会在叶片上有跳跃运动，而不能有效利用叶片长度进行加速。导致弹丸抛出速度不达标。老式打击式抛丸器即存在这种弊端。 因此在设计中引入了分丸轮，并使分丸轮与叶轮同轴同速度转动。分丸轮的转动，既分丸轮叶片搅动分丸轮腔内叶片的运动，赋予了弹丸径向的初速度，这种径向初速度可使弹丸与叶片初次的接触相对速度趋近零。减少弹丸跳跃的情况。 为了控制弹丸的抛出位置，引入定向套，定向套上有窗口，供弹丸逸出所用。窗口的开口角度决定了弹丸的抛出位置，同时定向套是固定在抛丸器箱体之上，因而窗口的开口角度可通过结构限制，开口角度同时可调，方便装卸、维修和适应不同工作场合的需求。 进丸管要与分丸轮的前端相连，以保证弹丸能顺利滑入分丸轮内腔。 叶片固定于叶轮之上，叶轮和分丸轮通过连接件共享电机提供的转动运动。传动方式在抛丸器内采用螺栓连接连接件及分丸轮和叶轮实现转动运动的传递，外部电机运动通过带轮传动至抛丸器主轴，轴通过键及键槽配合将转动运动传递至内部连接件。 如图2.1所示抛丸器中心组件叶轮、叶片、分丸轮及定向套的外部有衬板保护，因为不能保证所有高速弹丸都由预期角度抛出，会有部分弹丸在不可预计的位置抛出。如果不加入衬板的防护，抛丸器的箱体极易因为无效弹丸的影响而失效。由于弹丸的打击多造成的是部件的磨损，所以衬板选用了耐磨强度很高的高铬铸铁为材料。衬板通过螺栓固定在箱体之上。
[pic]
图2.1抛丸器整体结构

2.2 初始参数选定

2.2.1 抛丸器的初始参数

参考现行在产抛丸器，选定抛丸器的初始参数，以便于后续的结构设计、部件尺寸的确定及零部件的强度校核等工作。 根据青岛铸造机械厂产品参数，同时根据国家除锈等级标准，要达到Sa2.5的除锈等级，即非常彻底的喷射或抛射除锈，钢材表面应无可见的油脂、污垢、氧化皮、铁锈和油漆层等附着物，任何残留的痕迹应仅是点状或条纹状的轻微色斑。这样的除锈等级需要对工件每平方米进行130kg的喷丸且抛丸速度要达到60~80m/s的水平，以以上资料为参考可初步确定本设计中抛丸器的基本初始参数如下。 初步设定本毕业设计中抛丸器要的初始参数为： 叶片转向：右 叶片数目：8片 叶轮转速：2900转/分 弹丸抛射速度：80m/s 叶片有效宽度： 80mm 定向套开口角度：50゜

2.2.2 与抛丸器配套电机的选定

电根据抛丸器的负载特性是循环冲击的，但是对于启动性能和调速性能及转差率没有特殊要求，且由于抛丸器工作性质所致，抛丸器所处的工作环境会有较多的粉尘存在，所以选用Y(IP44)系列电机。 又抛丸器需要对工件达到每平方米130kg的抛丸量，所以预估抛丸器所需电机功率为至少10kW。则所选电机为Y(IP44)160M1，功率为11kW，同步转速为3000r/min。

2.3 本章小结

抛丸器主要结构为叶片通过燕尾键与叶轮的燕尾槽配合，装配时要保证叶片中心线与叶轮径向方向平行，分丸轮与叶轮同轴转动，对弹丸进行初始加速，定向套固定与抛丸器箱体之上，定向套上有窗口，弹丸在经分丸轮初始加速后经定向套抛出落到叶片上，定向套窗口开口角度可调，已保证适应不同工作要求。电机型号Y(IP44)160M1，功率为11kW，同步转速为3000r/min。 相关初始参数： 叶片转向：右 叶片数目： 8片 叶轮转速： 2900转/分 弹丸抛射速度：80m/s 叶片有效宽度：80mm 定向套开口角度：50゜ 第3章 叶片的设计

3.1 弹丸在抛丸器运动分析及受力分析

弹丸在抛丸器中自进丸管落入分丸轮后要进行两次加速才会最终被抛出抛丸器。分丸轮进行首次加速后弹丸经定向套窗口径向抛出落到叶片上进行第二次加速。 本章为叶片的设计，因而先行忽略分丸轮对于弹丸加速的影响，假设弹丸在落到叶片上时的相对速度为零，即以叶片根部为弹丸加速起始点使弹丸自径向速度为零加速到绝对速度为80m/s。 由于抛丸器中的叶片是整个抛丸器能否达到设计要求的关键部件，所以对于叶片的设计是抛丸器设计中的关键之一。叶片在工作时除了受弹丸周期性的冲击和摩擦外还要收到自身重力，离心力和惯性力的影响。而叶片受弹丸周期性的摩擦里和压力是使叶片失效的主要原因，事实上叶片的失效形式也是叶片前端磨损所致[5]。 [pic]
图3.1弹丸受力图
因此对于叶片的设计时就必须考虑弹丸对于叶片的影响，而弹丸与叶片间的力是作用力与反作用力的关系，因而对于单个弹丸的运动分析和受力分析成了解决问题方法。 为了建立弹丸在叶片上的运动方程，首先要将弹丸视为质点，忽略弹丸大小。 如图3.1所示为弹丸的受力分析图，叶片的线性为直线型。 如图中所示 Oxy ——固定在叶片上的动坐标系，绕定轴O旋转，角速度为ω [pic]——弹丸在法向上受到的叶片的压力 [pic]f ——弹丸在切向上受到的叶片的摩擦里 [pic] ——弹丸的自身重力 Rb ——叶片的回转内径 RB ——叶片的回转外径 ρ——弹丸所在位置的回转半径 [pic]——弹丸的牵连加速度 [pic]——弹丸的科式加速度 [pic]——弹丸的相对加速度 α ——弹丸相对质心的角加速度 [pic]r ——弹丸的相对速度 [pic]e——弹丸的牵连速度 φ——弹丸运动到ρ处时与水平方向的夹角 φo——弹丸刚接触到叶片时叶片与水平方向的夹角 弹丸在抛丸器内运动时不仅要受到自身重力[pic]的作用，同时要使受到叶片的压力[pic]的作用和叶片及弹丸间的摩擦力[pic]f的作用。 在图3.1所示的坐标系Oxy及以地面为绝对坐标系中，弹丸首先要跟随参考坐标系运动，即弹丸在叶片上运动处在特定位置时叶片的速度既是弹丸的牵连速度[pic]e，弹丸对于叶片的相对运动，即弹丸沿叶片工作面径向抛出的运动的速度就是弹丸的相对速度[pic]r。 下面进行对于弹丸的加速度分析，由于弹丸有牵连运动，则弹丸会有牵连加速度[pic]，即弹丸处在叶片位置叶片的加速度，同时由于弹丸有相对于叶片的运动会产生相应的相对加速度[pic]，且由于弹丸收到叶片提供的摩擦力作用，会使弹丸绕着自己的质心做一个旋转运动，此运动的角加速度为α。 在分析过弹丸的受力情况，速度情况和加速度情况后，根据牛顿运动的第二定律可建立弹丸的运动方程。
则根据牛顿第二定律
[pic] (3-1) [pic] —— 弹丸受到的合力 m—— 弹丸的质量 [pic] —— 弹丸的绝对加速度 其中 [pic] (3-2) 其中 [pic] (方向如图3.1中所示) (3-3) [pic] (方向如图3.1中所示) (3-4) 则分别在x与y方向上利用牛顿第二定律，得 [pic] (3-5) [pic] (3-6)
其中 [pic] (3-7) [pic] (3-8) 将(3-3)、(3-4)、(3-6)和(3-7)带入方程(3-5)中可得 [pic] (3-9) 方程组(3-9)即为弹丸在叶片上运动的微分方程组 设初始条件为零摩擦力，即Ff = 0，重力为零，即G = 0；且弹丸相对叶片无冲击，即vro = 0； 设x = [pic] 即 [pic] 设弹丸进入叶片的初始时刻为t = 0的时刻 则 x = [pic] = Rb (3-10) [pic] (3-11) 求解弹丸的运动方程组可得 [pic] (3-12) 设[pic] [pic]——为经过t时刻叶片所旋转过的角度 则可得 [pic]) (3-13) 则 [pic] (3-14) [pic]——弹丸自进入叶片到抛出叶片所旋转过的角度 将式(3-12)微分可得 [pic] (3-15) 通过前面求解根据式(3-14)又可得 [pic] (3-16) 弹丸的绝对速度可由公式[pic]确定 则可求得弹丸从叶片抛出时的绝对速度为 [pic] （3-17） 总结本节计算结果为 [pic] [pic] [pic] [pic] [pic]的时候可以近似的认为[pic] 对上述初始条件引入重力后可知相对误差比较小，因而可知重力对于弹丸的在叶片上的运动影响很小，所以在本设计中忽略弹丸重力的影响。 现在引入摩擦力进行计算，根据摩擦力计算公式 [pic] (3-18) f——滑动摩擦系数，在本例中叶片采用高铬铸铁，f=0.2 则根据上述计算过程进行计算可得如下结果 [pic](3-19) [pic] (3-20) [pic](3-21) [pic] (3-22) [pic](3-23) 根据以上公式与忽略弹丸重力及摩擦力的公式相比，做相对误差比较，知道摩擦力对弹丸运动有重大影响，因此叶片参数的计算参考以上公式。

3.2 叶片的设计

由于抛丸器的应用场合有很多种，比如对铸件表面的清砂处理、金属表面的抛光处理、工件表面消应力处理及对公路等路面进行摩擦系数恢复处理等。而这些不同的应用场合有不同的待处理材料，工艺要求同样不同，所以需要根据被处理材质设定抛丸器的抛出弹丸的绝对速度[pic]。这是设计叶片的初始条件之一。 在设计叶片的过程中同样受到其他因素的限制，比较重要的一个因素就是抛丸机的转速，抛丸器一般都是高速旋转的，这个转速一般由抛丸器主轴上的轴承和电机转速所限制。在本设计中根据所选电机的转速确定抛丸器的令一初始参数抛丸器的转速[pic]。 即在本设计中[pic]m/s来进行叶片的设计。

3.2.1 叶片的选型

抛丸器现行叶片种类有直线型叶片、前曲型叶片、后曲型叶片和管式叶片。还有一种意在使弹丸在叶片任意一点时所受压力都为零的倾斜型叶片，但是此种叶片只是进行理论研究中，并没有实际应用，不予考虑，而管式叶片主要应用场合为精密铸件的表面处理，不适合本例应用场合，同样不予考虑。 对直线型叶片、前曲叶片及后曲叶片叶片进行比较，根据上节计算公式求得前曲叶片的情况下 [pic] (3-24) [pic] (3-25)
其中l——叶片的曲率半径
后曲叶片的情况 [pic] (3-26) [pic] (3-27) 直线叶片情况上一节已经做出讨论，则可知在控制叶片尺寸为定值时，前曲叶片抛出弹丸的绝对速度最大，但是同样叶片受力也为最大，因而最快磨损；后曲叶片抛出弹丸绝对速度最低，但是叶片受力最小，磨损最慢；直线型叶片弹丸抛出速度、叶片受弹丸反作用力及磨损情况居中。 综合考虑成本因素，在本设计中叶片形式选取直线叶片。

3.2.2 叶片尺寸计算

在本例中才用经典的8片叶片设计，叶片固定与叶轮上。如图3.2所示，叶片通过燕尾键与叶轮的叶轮的燕尾槽相配合进行连接及固定，在抛丸器运转时，因为离心力作用，使叶片有飞离叶轮的趋势，因而在叶片燕尾键尾端设计有凸台防止叶片为甩出。 [pic]
图3.2叶片结构图
在抛丸器非工作状态下，因为叶片自身重力作用可使叶片滑出叶轮，因而叶片燕尾键与叶轮燕尾槽配合处装有弹簧进行压紧，提供摩擦力，防止叶片飞出。不采用其他固定形式，因为根据实际应用情况，叶片有效工作时限一般为400小时，因此需要叶片是方便装卸的。同时为保证弹丸在叶片上的运动方向，叶片同样设计有凸台，使弹丸沿叶片径向运动。 根据DISA公司抛丸器相关设计经验，叶片的回转内径与回转外径存在比例关系，一般设： [pic] (3-28) 在设计叶片时一般认为弹丸在接触叶片的初始时刻即通过定向套窗口的时刻就和叶片有接触，且相对叶片而言弹丸的初速度为零。但是实际情况是部分弹丸在初次接触叶片时的相对速度不为零且距叶片有一定距离，这样的弹丸在叶片上的运动是要经过与叶片的多次碰撞后才能到达稳定运动。根据多数抛丸器叶片的设计经验可知，当[pic]时弹丸会沿着叶片抛出，而不是在非稳定运动下提前抛出。 直线型叶片下弹丸抛出的绝对速度为 [pic] (3-29) 又根据设计经验 [pic] 代入初始设计条件 [pic]r/min [pic]m/s 计算可得 [pic] [pic] 对结果进行圆整 [pic] [pic] 如图3.3所示叶片的厚度一般采用不等厚度的设计，因为根据上述推导可知弹丸对于叶片有垂直的压力和切向的摩擦力，这两种力根据弹丸所处叶片位置不同而不同，自弹丸初次接触叶片至弹丸抛出，两种力均一直增大。且实际中叶片的失效一般也是发生叶片前端。但对于叶片厚度设计没有相关公式，在本例中参考青岛铸造厂相关抛丸器产品，设叶片最薄处厚度为8mm，叶前端厚度为12mm。12mm厚度处叶片长度为53mm。 叶片的宽度，设计中的叶片宽度即指叶片的工作宽度，不包含叶片凸台宽度。根据DISA公司资料可知叶片的工作宽度一般有62mm、80mm、100mm和120mm几种。在本例中选定叶片工作宽度为80mm。
[pic]
图3.3叶片不等厚示意图 叶片的选材，由于叶片的工作环境及失效形式，可知叶片的材料需要具有良好的耐磨性的同时需要具有良好的任性，因为弹丸与叶片的作用力可以视做循环冲击应力。因此叶片的材料选用高铬铸铁MTCrMoCu-235。 其参数如下： [pic] [pic] [pic] [pic] [pic] 本例中取[pic]。

3.2.3 叶片的受力分析及校核

在由上两节分析可知弹丸在叶片上运动的过程中弹丸要受到叶片的压力和摩擦力的作用，根据作用力与反作用力原理可知，叶片对弹丸的作用力与弹丸对叶片的作用力相等。 但是由于抛丸器的工作特性，仅仅知道一个弹丸对叶片的作用力不能够解决问题，叶片处在工作状态时是被叶轮带动下进行高速旋转运动的。弹丸在经过定向套抛出后遭遇高速旋转的叶片，此时叶片所承接的弹丸是大量的，而弹丸相对于叶片的运动也是随机的。理想状态下弹丸会沿叶片稳定运动直至抛出，实际情况中会有部分弹丸与叶片相互碰撞，经过多次碰撞后弹丸才在叶片上稳定运动。为了分析叶片受力仍需要设定一个假设。 即假设弹丸运动为理想态，即弹丸至接触叶片初始即进行在叶片上的稳定运动。由于叶片转速很快，所以可以认为弹丸是瞬间布满叶片的。同一回转半径处叶片任意一点所受弹丸的压力好摩擦力相等，即等于此点弹丸对叶片的压力和摩擦力。根据假设则叶片上的弹丸是密排的，即叶片上每点都有受力。 弹丸的材质一般为钢丸,其参数一般如下： [pic] [pic] [pic]
叶片工作面面积
[pic]
则叶片上弹丸总质量
[pic]
根据公式
[pic]
计算叶片所受压力
[pic]
叶片所受摩擦力
[pic] 现考虑弹丸均为打击与叶片表面的情况 假设弹丸与叶片的碰撞时速度 [pic] 既弹丸绝对速度为零，叶片与弹丸发生高速撞击时的碰撞速度 而弹丸最终会在叶片上稳定运行，所以假设碰撞速度为 [pic]
根据冲击力公式
[pic] (3-30) t——冲击时间 因弹丸在叶片上运行时间很短设冲击时间为弹丸自首次接触叶片至抛出所用时间的十分之一。
则
[pic] [pic] [pic]
将结果带入冲击力计算公式
[pic] 根据以上计算结果将叶片受力做集中力处理，叶片燕尾键长80mm。则受剪切应力为 [pic]
任意一点的正应力
[pic]
则正应力最大值
[pic] [pic] [pic]
[pic]
[pic] 显然叶片的设计符合材料的强度要求。耐磨性根据以往经验看12mm厚度的叶片失效时限一般为400h。

3.3 本章小结

本章主要对叶片进行了设计，首先是对叶片的选型设计，即在保证弹丸抛射速度又保证叶片有一定工作时限的要求下，选择了直线型叶片。叶片与叶轮采用燕尾键与燕尾槽的形式相配合装卸，同时利用弹簧压紧提供摩擦力紧固叶片与叶轮。叶片尾端轮廓要保证与叶轮内径轮廓相重合。根据叶片工作环境及工作时叶片受力特性，叶片的制造材料选用高铬铸铁，同时叶片厚度采用变厚度设计，叶片设计凸台保证弹丸沿叶片径向运动。根据本章计算，叶片选用直线型叶片。 叶片的基本尺寸： [pic] [pic] 叶片的工作面宽度b=80mm，叶片厚度最薄处8mm最厚处12mm。同
时根据公式
[pic] 对叶片的强度进行校核，显然叶片设计符合强度要求。 第4章 分丸轮的设计

4.1 分丸轮基本结构设计

在抛丸器结构中，分丸轮的作用是对弹丸做预加速，使弹丸通过离心力抛出定向套窗口，落到叶片上。好的分丸轮设计是保证抛丸器达到最大抛丸量的关键[6]。
[pic]
图4.1分丸轮结构图 分丸轮结构如图4.1所示，分丸轮通过平行窗口间的叶片做为弹丸初始加速的主要动力源。影响抛丸器能否达到最大抛丸量的分丸轮的设计因素有分丸轮的内径、外径、平行窗口形式、平时窗口尺寸及平行窗口数量。
[pic][pic]
图4.2分丸轮结构图 根据抛丸器设计工作情况，分丸轮同样是抛丸器中的易损部件，失效形式也是叶片的磨损失效。因此分丸轮同样要采用耐磨性极佳的高铬铸铁。 分丸轮工作时要保证与叶轮的同轴转动，而同时为了保证装卸方便和分丸轮的同轴性，分丸轮通过螺栓与结合盘相连，如图4.1所示分丸轮尾端设计有8mm厚凸台，并在凸台上铣出4个凹槽，与结合盘进行相配合，保证分丸轮与叶轮的同轴性。 同时抛丸器弹丸较小，直径仅为1mm，为保证不成功抛出的弹丸不影响机器的运行，即弹丸不能飞溅到结合盘后部，因此在分丸轮尾端设计大直径圆盘，防止未成功抛射弹丸不飞溅到结合盘后部。 平行窗口设计，根据现有的设计经验，一般分丸轮平行窗口数量有2、4、6和8几种，但最多不超过8个，在高速大型抛丸器中分丸轮平行窗口数量一般为8个。因此在本设计中也才用8个平行窗口的设计。 同时因为需要保证分丸轮叶片的耐磨性，要保证叶片的厚度和宽度，因此平行窗口宽度设计为26mm，同时根据叶片设计工作面宽度80mm的设计，分丸轮平行窗口长度设计为60mm。

4.2 分丸轮内径的确定

弹丸随着分丸轮的叶片的转动由于离心力的作用，产生了沿分丸轮叶片径向的向外的运动。根据资料[6]远距离r与时间t关系为： [pic] (4-1) [pic] [pic] 其中[pic]——弹丸在分丸轮上的位置半径 [pic]——分丸轮转动的角速度 [pic]——弹丸径向的初始速度 f ——弹丸运动与分丸轮叶片表面的摩擦系数，f=0.2 计算上式较为麻烦，将其展开为马克劳林级数已简便运算过程： [pic] 其中 [pic] [pic] [pic]
带入[pic]后可得
[pic] (4-2)
将[pic]带入到马克劳林级数中：
[pic] (4-3)
解方程得：
[pic] (4-4)
时间不能为负数因此：
[pic] (4-5) t时间内叶片的转角[pic] [pic] (4-6) [pic] (4-7)
带入t可得：
[pic] (4-8)
假设[pic]，则：
[pic] [pic] [pic] 又弹丸是散料，在分丸轮叶片运动时是经过定向套窗口分先后抛出的，设抛丸转向向左来考虑弹丸运动情况。 因此a2的弹丸在穿越窗口时，即因离心力飞出时，a1处的弹丸同样要移动一个距离，而b1、b2处的弹丸因为定向套壁的约束而不运动，因此首先抛出的弹丸将先于其他部位弹丸抛出。但是因为设的初始值[pic]，尽管受到摩擦力的作用，但是弹丸的最终径向速度并不会受影响，弹丸会拥有相同的径向速度。 因此可以认为图4.3所示中的a1、b1的弹丸达到分丸轮的外径后，分丸轮转过的角度[pic]、所用时间t及径向的飞出速度[pic]均相同。因此能从定向套窗口抛出的弹丸的位置半径只需考虑b1位置的弹丸的位置半径[pic]就可以了。 [pic]
图4.3弹丸位置示意图
b1位置处的弹丸只有在其他部分的弹丸运动后才开始运动，相互间的摩擦系数f=0.2。 则根据上述分析，b1弹丸到达r后
[pic]
而绝对速度为： [pic] (4-9)
其中[pic]——弹丸的圆周速度
[pic] (4-10)
而径向速度和绝对速度的夹角为[pic]
[pic] [pic] [pic] (4-11)
利用正弦定理可知
[pic] [pic] (4-12)
将[pic]的计算公式带入
[pic] (4-13)
其中[pic]——为叶片回转内径，r/R =0.9。 [pic]——分丸轮内径 r——分丸轮外径 在[pic]时弹丸可以运动到分丸器的外径并最终抛出出分丸轮，而如果[pic]时，弹丸不能通过分丸轮的外径并抛出，而是被定向套所阻拦。直至下一次经过定向套窗口才能被抛出。 现假设临界状态[pic]，对方程求解。由于方程特别复杂，因此用试查法求解[pic]。计算结果如下表：

表4.1方程临界解
|[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |
|0.8 |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |
|0.75 |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |
|0.7 |[pic] |[pic] |[pic] |[pic] |

（[pic]）是负数时弹丸受到定向套的阻挡，因此r/R=0.75时，弹丸是可以经过定向套的窗口抛出，而此值为0.7的时候弹丸只能等到下一周运动才能经过定向套窗口抛出。

4.3 分丸轮外径的确定

根据弹丸在分丸轮叶片上的弹丸运动的情况可知，a2点的弹丸是最先从分丸轮抛出的，相反b1点的弹丸是最后被抛出分丸轮的，所以考虑这两点的情况即可获知整个分丸轮平行窗口弹丸的运动情况，即弹丸最终的抛射速度和分丸轮内外直径之间的关系。 首先讨论在a2点处弹丸运动与分丸轮内外径的关系。根据上一节的结论，得知分丸轮内径与外径之比要为0.75。但这并不能确定分丸轮的内径与外径尺寸。 弹丸在抛丸器之中的运动一直是离散的，在整个群组之中，a2点的弹丸是以[pic]的切向速度最先抛出。 现假设弹丸与叶片初次相遇时，抛丸器叶片的转角[pic]，即抛丸器叶片与a2弹丸的中心夹角为[pic]，因此弹丸自由飞行的始点与终点的中心角为： [pic] (4-14) 同时设弹丸飞行的距离为s，并忽略重力对于弹丸的影响，且视弹丸为直线飞行，则 [pic] (4-15) 设一参数[pic]，此参数为t时间时弹丸与飞行起始点的中心的夹角。 [pic] (4-16) [pic] (4-17) 现假设相撞时刻t时刻[pic]，采用试查法，可求得各个数值如表2。 [pic]为弹丸转过角度大于叶片转过角度的数值，当此值小于[pic]时说明弹丸和叶片并未相遇，而当t=0.00729s时，[pic]的值已经大于[pic],说明此时弹丸已经于弹丸相遇。
表4.2方程临界解
|t(s) |[pic]叶片转角 |[pic]弹丸转角 |[pic] |
|0.0073 |[pic] |[pic] |[pic] |
|0.00729 |[pic] |[pic] |[pic] |
|0.03725 |[pic] |[pic] |[pic] |

根据本抛丸器中设计的初始条件[pic]，[pic]。 [pic]
设相遇点半径为[pic]，可知
[pic]
这个时刻弹丸的运动的方向与叶片的夹角为[pic]，则夹角的值为：
[pic]
因此弹丸在叶片上的径向速度为：
[pic] (4-18)
在达到R后径向的速度计算公式为：
[pic] (4-19)
绝对速度的计算公式：
[pic]
将[pic]带入绝度速度的计算公式，则：
[pic] [pic] (4-20) 这就是a2处弹丸的位置半径r与抛丸器中分丸轮外径R及抛射速度在[pic]一定时的关系式。 现在考虑b1处弹丸的位置半径与R的关系。与a2处弹丸不同，b1处弹丸需要经过[pic]的路程后才能到达分丸轮的外径，且b1处弹丸正是处于0.75r的位置，所以其在r处的径向速度为： [pic] (4-21) b1处弹丸的绝对速度 [pic] (4-22)
计算叶片转角：
[pic] 由此可以推断出在分丸轮内外径比值一定的时候，叶片转角值与分丸轮直径无关。 如果将弹丸短时间内的运动看做直线运动，且短时间内的速度不发生改变，则弹丸的自由飞行距离 [pic] (4-23) 同讨论分丸轮内径时所设一样，将[pic]设为弹丸与叶片的相遇点与弹丸的起始飞行点的中心夹角。而分丸轮的平行窗口与抛丸器叶片有[pic]的角度差，所以在弹丸运动时间内分丸轮叶片的转角要有如下关系： [pic] 根据以上公式对b1弹丸进行绝对速度求解可得： [pic] (4-24) 若要使研究两点弹丸有相同的绝对速度，则： [pic] [pic] (4-25)
求解可得[pic]
因此要获得较大的抛丸量，设计时抛丸器的分丸轮时要保证分丸轮的内外径之比要为0.75。 同时根据相关经验可知，为使分丸轮平行窗户抛射出的弹丸，在各点抛出的速度都大致相等，需要分丸轮外径取为0.2873R。R为叶片的回转外径，在本例中R=194mm。 又知，在R和[pic]一定的时候，分丸轮外径r和弹丸抛出后的绝对速度[pic]具有双值函数的关系，因此要获得较大的[pic]值，分丸轮的外径不一定要取小值，而是要取一个等于或者稍大于0.2873R的数值，这样就可以获得一个较大的[pic]值的同时还可以同时增大分丸轮的内腔，以便于抛丸量的提高。 根据叶片的回转内径为78mm可知分丸轮的外径要小于78mm，同时考虑定向套外径与叶片回转内径至少相距2mm，而定向套壁厚为7mm，定向套内径距分丸轮外径为2mm计算，这样确定分丸轮的外径： [pic] 分丸轮外径根据0.75比例可知为： [pic] 将结果圆整为： [pic] [pic]

4.4 抛丸器最大抛丸量的计算

在设计完成分丸轮后，即可进行抛丸器最大抛丸量的估算。 所谓最大抛丸量，既是在进丸管有充足的丸料输送下，分丸轮所能提供的最大供丸量所决定的参数。但是对于最大抛丸量并没有统一确定的公式，其中影响最大抛丸量的因素及因素间的相互影响也是不清楚的。因此在验算中以分丸轮的供丸量为理论依据，来校验抛丸器的抛丸量。
分丸轮的供丸量：
[pic] (4-26)
其中D——铁丸密度，7.8kg/m3
[pic]——分丸轮内径，0.05m n——分丸轮每分钟转速，2900r/min d——分丸轮叶片宽度，0.026m i——分丸轮叶片数,8 r——分丸轮外径，0.067m [pic]——分丸轮两叶片间的夹角，45o
则
[pic] [pic] 这个结果显然没有考虑到定向套的影响，仅仅是分丸轮的供丸量，但是可以再一定程度上确定抛丸器的最大抛丸量，假设仅有50%的分丸轮供丸量可通过定向套，则抛丸器的最大抛丸量为183.5kg/min，满足最初设计要求的对工件进行130kg/min的抛丸量的要求。

4.5 本章小结

本章主要设计内容为分丸轮的设计，设计主要是前提是为保证抛丸器的能达到最大抛丸量，通过计算分析得出结论，在这个前提下分丸轮要保证内外径之比为0.75，同时要保证分丸轮直径与叶片外径有0.2873的比值关系，因此分丸轮的外径不需取一个小值，这样可以保证分丸轮内腔足够大，保证分丸轮的供丸量。 分丸轮设计前提设计有8个平行窗口，根据本例的叶片回转外径[pic]，确定了分丸轮内外径分别为[pic]和[pic]。装配时分丸轮平行窗口要与叶片有[pic]的角度差。 设计分丸轮可提供367kg/min的供丸量，抛丸器可达最大抛丸量130kg/min的设计要求。 第5章 抛丸器传动设计

5.1 抛丸器主轴设计

在一般的抛丸器设计中，电机与抛丸器主体一般是直连的，但是作为抛丸机的核心部件，切抛丸机通常需要多个抛丸器，因此直连式的并不是很容易安排空间，而且检修不易，因此采用皮带及带轮将电机动力传到到抛丸器主轴，由抛丸器主轴带动叶轮及分丸轮转动。 根据相关设计经验和轴类相关设计经验，现设计抛丸器主轴结构如图5.1所示，两端通过键来传导动力。
[pic]
图5.1主轴结构示意图 轴上零件的布置方案如图5.2所示，抛丸器主轴的左端要装配叶轮及其它抛丸器主要工作及传动部件，主轴右端安装带轮。采用的支撑型式为游动—固定—游动支撑，对轴起支撑作用的轴承选用的是深沟球轴承，轴承与外壳不接触，而内圈要与主轴有紧密的配合，轴承主要承受皮带与主轴的不完全垂直时候而产生的微小的轴向力。除深沟球轴承之外，其它的支撑轴承采用游动支承。 两端通过圆螺母进行轴向紧固，这样做的好处有，固定可靠，装卸方便，可以承受较大的轴向力，但是由于轴上要切制螺纹，会使轴的强度有所降低，因此在进行主轴尺寸计算的时候要适当增大主轴直径，保证主轴强度。 现进行主轴设计： 首先选取轴的材料，选取应用最广泛的45号钢，并进行调质处理，查表可知：
[pic]图5.2主轴组件图
[pic]，[pic]，[pic]，[pic]
初步确定轴输入端的直径
[pic] (5-1)
其中[pic]——轴端直径，mm
[pic]——轴所传递的扭矩，N·m，[pic] [pic]——轴所传递的功率，kW [pic]——轴的工作转速，r/min [pic]——许用扭转剪切应力，MPa，在本例中选取45 电机功率P电机=11kW，自电机轴到主轴输入端有两个轴承及一个带传动链，查表可知 [pic]，[pic]
则

[pic] 则 [pic] [pic] [pic] 主轴输出端转矩M： [pic] (5-2) 其中 J——叶轮叶片分丸轮等一系列抛丸器回转部件的转动惯量 t——单位时间 [pic]——主轴转速 叶轮转动惯量： [pic] [pic] 连接件转动惯量： [pic] [pic] 叶片转动惯量： [pic] 则
[pic]
[pic]
[pic]
因此选用轴端直径至少为59mm，同时考虑到轴端有键槽，且主轴上切有螺纹，因而轴径应当增大4%~5%，同时由于主轴左端要与结合盘内径想配合，因此选取主轴左端直径设计为60mm，且符合必要的转矩传导要求。 根据轴类相关设计经验，保证抛丸器主轴没有因为直径突变而导致的危险截面，所以主轴右端轴径取值55mm。 两个与轴承的配合的台阶尺寸分别为70mm和60mm，其余其他直径一般以5mm或10mm的直径的变量变更。 主轴各阶段配合及表面粗糙度的选择如下： 左端与连接盘配合处轴径[pic]，Ra=0.8[pic]；右端与带轮连接处[pic]，Ra=3.2[pic]，主轴中与轴承配合处H7/h6，Ra=0.8[pic]。 主轴右端与带轮配合处，通过在轴右端转螺纹孔，通过螺栓限制带轮径向移动。 轴的结构草图如图5.3所示，下面进行轴的疲劳强度校核，现选取图5.3的中Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ及Ⅳ截面为危险截面进行验算。 由工作性质可知，抛丸器主轴除自身重力外与抵抗自身重力的支撑力外不受其他力。 主轴所受自身重力：
[pic]
主轴两轴承提供主轴支撑力，轴承布置对称，因此每个轴承提供支撑力都为87.7N
[pic]
图5.3主轴危险截面示意图 主轴受最大弯矩： [pic] 主轴的受力简图和弯矩图如图5.4所示。 主轴传递转矩： [pic] 主轴受力简单，因此危险截面易确定，且主轴受弯矩对主轴强度影响可以忽略，因此，主轴危险截面可以确定为截面Ⅲ。 对危险截面进行校核， [pic] [pic] [pic]
[pic]
因此抛丸器主轴完全符合强度要求。 [pic]
图5.4主轴受力简图、弯矩图及转矩图
[pic]
图5.5主轴所受合力图
现对主轴上的两个键连接进行强度校核： 选用A与C型平键（GB/T 1096-1979），与连接盘相连处的键的外形尺寸[pic]与带轮相连处的键的外形尺寸[pic]，两键传递转矩相同，但与连接盘相连处键尺寸较小，因此仅对这个键进行校核。 键传递转矩： [pic] 键工作面的压强： [pic]
因此键连接的强度复合要求。

5.2 抛丸器连接设计

抛丸器连接设计主要要保证连接的可靠性和回转部件与主轴的同轴性，因为抛丸器工作时抛丸器主要工作部件要高速转动，连接是否紧固直接关系到抛丸器是否能安全运行。同时抛丸器主要运动为叶轮、叶片和分丸轮的分丸轮的回转运动，只有保证此类部件的同轴性才能保证机械的运动稳定，提高抛丸器效率，同时保证回转部件与抛丸器中的衬板发生碰撞或部件相互之间的碰撞。 部件的紧固及连接的可靠性，可通过增加螺栓数目的方法达到，但过多的螺栓不仅增加了转动部件的转动惯量，同时减少了叶轮、分丸轮及连接件的强度，同时多孔的位置精度难以保证，反而降低了装配精度，同时因为装配误差而产生的应力，减少了整体机器的可靠性，因此抛丸器中保证同轴性的部件最多用4个螺栓相连。
[pic]
图5.6主轴连接示意图 分丸轮不能与通过螺栓与主轴直接相连传递动力，同时为了保证叶轮与分丸轮的同轴性，因此要一个连接盘及一个联动盘来将运动传递给叶轮及分丸轮，主要结构如图5.6所示。

5.3 本章小结

本章主要对抛丸器主轴和抛丸器中回转部件的连接进行了设计和校核。 抛丸器主轴主要负责传递转矩，除自身重力外不受其他力作用，主轴传递的转矩大小[pic]，根据公式[pic]初步计算出主轴端直径为58mm，因有键槽，直径要比公式计算值大4%~5%，因此确定主轴端与连接盘相接处的直径为60mm，其他台阶一般以5mm的直径变量变化。 主轴通过键联接传递转动到连接盘，叶轮通过螺栓直接与连接盘，联动盘通过螺栓与连接盘连接，分丸轮与联动盘同样通过螺栓连接，但通过尾端凸台相配合传递转动。 第6章 抛丸器密封润滑

6.1 抛丸器的密封防护

由于抛丸器的工作原理抛丸室的内部表面要不断的受到高速弹丸的直射或者乱射，因此导致抛丸室内表面的磨损极为严重，所以在抛丸器箱体内部设有衬板，衬板由高锰钢制作而成，整个抛丸室内都要覆盖有用螺栓固定的防护衬板，衬板会因磨损而导致失效，因此防护衬板是可拆卸可更换的。 DISA公司生产的抛丸器一般使用进口的Mn12衬板，这种衬板耐磨性及高，一般使用年限可达10年以上。但这种衬板价格高昂，且需要根据设备需求进行专门设计后，用消失铸模的方法生产，产品的成本较高。 因此在本例中，不对衬板进行专门的设计，而采用江苏英伟达机械公司生产的成型衬板。这种衬板不是整体成型，即需要多块衬板拼接成一个整体，因此，整个抛丸室内需要衬板15块，一块上衬板，左右各两块衬板拼接而成，前后各由五块衬板拼接而成。衬板形式如图6.1所示。
[pic]
图6.1衬板样式 对于有相对运动的窗口、门框，则利用多层耐磨橡胶来进行密封和防护，同时在弹丸的进口和出口利用橡胶进行密封防护。 在抛丸器运行一段时间后，由于各个部件的磨损，导致抛丸器的弹丸和粉尘外溢现象明显，因此有必要寻求较为理想的密封防护形式。
表6.1密封种类
|类型 |密封方式 |部 位 |
|橡胶 |平 面 |抛丸室的入口及弹丸吹落室 |
|密封 |多重平面 |抛射装置的外罩 |
|旋转 |迷 宫 |抛射叶轮轴 |
|轴密 |挡 环 |抛丸室与主轴端相连处 |
|封 | | |
|防护 |对 接 |抛丸室内壁 |
|板密 |搭 接 |抛丸室内壁 |
|封 |压 接 |抛丸室内壁 |
| |挡 板 式 |抛丸室底板与侧壁间 |
| |汇 交 |抛丸室顶部与侧壁间 |
| |插 接 |抛丸箱体内衬 |
| |嵌 接 |抛射面内冲磨部位 |

表6.1中列举了抛丸器中利用的三大类密封形式，即橡胶密封、旋转轴密封和防护板密封。 以密封方式来说，橡胶密封可以与被密封的面又紧密的结合，但是这样就要求用于密封的橡胶有较高的耐磨性，一般使用的橡胶帘不具备这样的耐磨性，两个月左右的时间就会严重磨损，这样不仅仅增加了用于检修的工作量，同时也增加了维修费用。国内部分企业已经在抛丸室内壁换装聚氨酯（UR）橡胶板。 这种材料做的橡胶板不仅耐磨性良好，而且强度较高，使得密封防护板的使用时限大为提高，因此而节省了大量的维修时间及费用,切这样的密封效果更好。 使用衬板作为密封防护的话，在衬板的对接和汇接是整个密封防护的薄弱环节，在衬板的对接或汇接处如果接受到弹丸的冲击，就会出现缝隙，而细小的弹丸和粉尘会通过此类缝隙逸出，不仅有可能导致抛丸器工作部件的磨损失效，同时会因此而导致环境的污染。因此，在进行抛丸器的设计中，衬板的连接尽量采用压接或者嵌接的形式，来避免此类事件的发生。

6.2 抛丸器的润滑

由于抛丸器工作时抛丸器的大部分部件都在高速旋转，因此抛丸器旋转部件与轴承配合处要有良好的润滑才能保证抛丸器的稳定运行。 对于轴承的润滑，不仅对于滚动轴承的疲劳寿命、摩擦、磨损、温度及振动等有重要的影响，如果不能进行良好的润滑，轴承就不能良好的工作甚至不能进行工作。根据相关对于轴承损坏原因的研究可知，接近40%的轴承损坏都是由于不良润滑引起的，同时，对轴承进行良好的润滑，还可以有散热、防锈、密封及缓冲冲击等作用。 在本设计中，抛丸器有三个部位有轴承支撑，如图5.6所示连接盘处有一个深沟球轴承与之配合，剩下两个主轴均布置在主轴之上。抛丸器转速[pic]，为高速转动，工作时会产生大量的热，则一般用于轴承的润滑脂已经不能满足此轴承的润滑要求。因此选用润滑油对，与连接盘配合的轴承进行润滑。 常用的润滑油有高速机械有、汽轮机油、压缩机油、变压器油和气缸油等 而常用的润滑方法包括有油润润滑，这是最普通的最常用的润滑方法，多应用于中低速轴承的润滑，轴承的一部分是浸在润滑油中的，随着轴承的转动将润滑油带起，然后又流回油槽。采用油润润滑时要保证油面稍低于轴承的转动中心。 滴油润滑，在需要定量供应润滑油的轴承上一般使用滴油润滑，滴油量一般保持在每秒3~8滴。 循环油润滑，由油泵将润滑油输送到轴承进行润滑，使用过的润滑油经过冷却后可继续使用，这种润滑的好处是，润滑油可以带走一部分热量，让轴承降温。因此适用于转速较高的轴承。
[pic]
图6.1润滑方式 还有的方法就是喷雾润滑、喷射润滑和固体润滑，其中喷雾和喷射润滑不适用于本例，因此不与介绍，但是固体润滑需要采用，即将少量的固体润滑剂加入到润滑脂当中，增加润滑脂对于高温、高压等特殊环境的适应能力。 在本例中为保证机械的运行的稳定和平稳，在与连接盘配合的轴承处，采用油润润滑，并如图6.1所示在与抛丸器箱体相连的主轴支撑件上设计有直通式油杯。润滑油选用全损耗系统用油（GB443-1989）。 在主轴上的两个轴承采用固体润滑，选用钠基润滑（GB/T492-1989）。

6.3 本章小结

在抛丸器的出入口处，和抛丸器箱体结合处，用聚氨酯橡胶板。抛丸室内部的衬板通过压接的形式，保证衬板结合处在收到弹丸打击时不会产生缝隙，防止弹丸外溢和灰尘的外溢，保护抛丸器箱体和环境。 主轴上通过挡环进行密封，保证外部灰尘不会进入主轴工作环境，防止外部灰尘进入引起的主轴和轴承非正常磨损。 抛丸器的润滑主要采用油润润滑和固体润滑两种，连接盘处轴承采用油润润滑，并设有直通式油杯，润滑油选用全损耗系统用油（GB443-1989），主轴上两个轴承采用固体润滑，选用钠基润滑（GB/T492-1989）。
结 论

本设计的设计内容是抛丸器的设计，抛丸器作为抛丸机的核心部件，是保证抛丸机能否达到工作要求的关键部件。 本文中，对抛丸器进行了整体结构设计，部件设计和密封和润滑方式的选用。抛丸器的传动形式采用电机通过带轮将动力传到主轴，主轴带动抛丸器主要工作部件的运动。弹丸通过输丸管以机械滑移的方式滑落到分丸轮内腔，通过分丸轮的与叶轮的同轴同速转动，对弹丸进行初步加速，弹丸通过定向套窗口抛出，落到叶片上，进行下一步加速，直至抛出，打到待处理工件表面。本设计中的抛丸器达到了初始设计目标，即抛丸量完全满足了130kg/min的初始设计目标。 在文中主要设计的部件对抛丸器的叶片、分丸轮和主轴进行了计算，根据通过计算得出结论对叶片、分丸轮和主轴的设计。 （1）、叶片的设计，是根据初始设计要求，即对工件表面处理后要达到国标除锈等级Sa2.5，要达到130kg/min的抛丸量，据此预估抛丸器功率10kw左右，选定电机Y(IP44)160M1，工作转速2900r/min，达到抛射速度70m/s，根据这个初始数据算出叶片的回转外径194mm，叶片的回转内径为78mm。叶片通过燕尾键和叶轮的燕尾槽相连。 （2）、分丸轮的设计，分丸轮的设计主要准则就是为了保证抛丸器的最大抛丸量而进行设计的。根据相关计算可知抛丸器设计有几个准则，首先分丸轮直径要大约等于叶片回转外径的0.2倍，同时分丸轮的内外径之比要为0.75，一般在保证这两条的基础上可保证分丸轮的供丸量能使抛丸器大到其最大抛丸量。同时分丸轮的窗口数目（分丸轮叶片数目）也影响着分丸轮的供丸量，在本设计中采用8片叶片的分丸轮，大于此数目的叶片会使分丸轮供丸量下降。最后分丸轮的设计结果为分丸轮的外径为67mm，分丸轮内径为50mm，同时分丸轮尾端通过凸台与连接盘想配合，传递动力和保持与叶轮的同轴性。 （3）、主轴的设计，主要是根据主轴传递的转矩来进行设计，抛丸器的运动只是叶轮和分丸轮的回转运动，切回转运动时通过主轴上的键连接传递，只有两个键连接，一是带轮通过键连接将转矩传到主轴，一是主轴与连接盘的键连接将转矩传递出去，且各连接处部件，带轮及连接盘都有相应的重量承担结构，因此主轴可以近似的认为仅受转矩作用。以此校核主轴的强度和键的强度都符合要求，主轴与连接盘相连处直径60mm，其余各台阶以5mm的直径变量变更。 本文对抛丸器的设计主要参考了现代抛丸器的经典结构进行设计，但并没有涉及到提高抛丸器主要技术指标的相关讨论，且因为计算公式的不确定，在不能通过实验验证的条件下，对于叶片和分丸轮并没有采用最新设计。其中分丸轮最新设计是采用螺旋式叶片形式，而叶片已经有斜叶片的相关理论研究。同时由于对于抛丸器的部分理论研究并没有定论，所以对于抛丸器的准确的最大抛丸量依旧很难通过计算获知，一般仍是采用实验的方法测得。
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致 谢

本文是在导师刘崇讲师的悉心指导下完成的。老师在我完成毕业设计的过程中给予悉心的指导，在此感谢刘崇老师的帮助和指导。还要感谢我的同学在我完成毕业设计的过程中给予我的支持和鼓励。谨以此文献给我的父母，感谢他们多年的养育和关怀！