一種大型吊鉤式拋丸機(jī)的設(shè)計與應(yīng)用

王 偉，孫本芹，袁存波

（山東開泰拋丸機(jī)械股份有限公司，山東濱州 256217）

吊鉤式拋丸機(jī)是以單個吊鉤為工件的運載工具，每臺設(shè)備一般設(shè)1～3 個吊鉤，每次一個鉤件在清理室內(nèi)清理，其余鉤件在室外裝、卸料，間歇作業(yè)[1]。通過拋丸清理可清除工件表面殘砂、氧化皮等附著物，提高工件的表面質(zhì)量，增加工件與涂層之間的附著力，提高工件的適用壽命。傳統(tǒng)的吊鉤式拋丸機(jī)主要適用于大批量小件的表面清理，針對大噸位、大體積的工件，則需要采用噴砂房或者臺車式拋丸機(jī)進(jìn)行清理。噴砂房與臺車式拋丸機(jī)的運載工具都是臺車，工件與臺車接觸面都無法進(jìn)行清理，因此，在清理過程中需對工件進(jìn)行翻個后再進(jìn)行清理，從而降低了清理效率，增加了操作工人的勞動強(qiáng)度。為解決此問題，我公司開發(fā)設(shè)計了一種大型吊鉤式拋丸機(jī)，可實現(xiàn)對大噸位、大體積工件進(jìn)行自動拋丸清理，不僅避免了在工件翻個過程中存在的各種不安全因素，而且提高了清理效率，降低了操作工人的勞動強(qiáng)度。

1 主要技術(shù)規(guī)格

清理范圍：?3000mm×3800mm；

工件重量：32000kg；

行車型號：LH32t-4.6m；

拋丸室尺寸：（L ×W ×H）5200mm ×4000mm×6000mm；

拋丸器型號：Q180KT；

拋丸器數(shù)量：6；

拋丸器功率：22kW；

單個拋丸器拋丸量：330kg/min；

循環(huán)量：130t/h；

除塵風(fēng)量：32000m3/h；

粉塵排放：10mg/m3；

設(shè)備總功率：230kW。

2 大型吊鉤式拋丸機(jī)的組成及結(jié)構(gòu)特點

大型吊鉤式拋丸機(jī)主要由拋丸室、拋丸器總成、螺旋輸送器、斗式提升機(jī)、磁選分離器、供丸閘門、輔助系統(tǒng)、工件承載系統(tǒng)、吊鉤系統(tǒng)、自轉(zhuǎn)系統(tǒng)、電氣控制系統(tǒng)等部分組成（圖1）。

圖1 大型吊鉤式拋丸機(jī)

2.1 拋丸室

拋丸室是對工件進(jìn)行拋丸清理的密閉操作空間，由鋼板與型材焊接而成。鋼板內(nèi)襯高耐磨護(hù)板，用于拋丸清理時對室體的防護(hù)。拋丸室設(shè)有抽風(fēng)口，抽風(fēng)口位置的設(shè)計遵循上送風(fēng)下抽風(fēng)的原則，保證拋丸室內(nèi)氣流的走向與灰塵的走向一致，從而提高了除塵效果。

設(shè)備的最大清理范圍為?3000mm，為避免工件與拋丸室側(cè)壁相撞，拋丸室在寬度方向與工件之間單邊預(yù)留約500mm 左右的間隙。為避免在清理扁平件時工件表面有明顯的陰陽面出現(xiàn)，本設(shè)備設(shè)有2 點位置拋丸，兩點之間的距離為600mm。工件在拋丸室內(nèi)進(jìn)行移動時，工件由于慣性會存在晃動現(xiàn)象，為避免工件與拋丸室體碰撞，拋丸室在長度方向與工件之間單邊預(yù)留約800mm 左右的間隙（圖2）。

圖2 拋丸室結(jié)構(gòu)圖

拋丸室底部設(shè)有漏斗格柵，格柵上部鋪設(shè)耐磨網(wǎng)孔板，可在實現(xiàn)對底部漏斗防護(hù)的同時對丸料進(jìn)行初次過濾，避免大顆粒進(jìn)入彈丸循環(huán)系統(tǒng)。本設(shè)備漏斗采用雙漏斗結(jié)構(gòu)，大大減小了地坑的深度，從而節(jié)省了基礎(chǔ)的制作成本。

2.2 拋丸器總成

拋丸器是拋丸機(jī)的核心部件，拋丸器布置的數(shù)量及位置是否合理直接關(guān)系到工件的清理效果的好壞。此設(shè)備在設(shè)計時根據(jù)客戶工件的形狀及尺寸對拋丸器的數(shù)量及位置進(jìn)行了模擬，保證了拋丸器拋射帶對工件外表面的全覆蓋，最終確定配置6 臺拋丸器（圖3）。

圖3 拋射帶覆蓋圖

為解決扁平件在清理時表面存在的明顯的陰陽面問題，本設(shè)備在拋丸器布置上做了獨特的設(shè)計，所有拋丸器的布置擯棄了傳統(tǒng)式吊鉤式拋丸機(jī)垂直式布置的方式，采用了傾斜布置（圖4），通過將拋射帶傾斜一定角度，延長了拋射帶與工件之間的接觸時間，從而在一定程度上解決了因為工件自轉(zhuǎn)時外圓線速度快從而造成窄面與拋射帶接觸時間過短進(jìn)而清理效果不佳的問題。

圖4 拋丸器布置方式

拋丸器的數(shù)量確定好后需再根據(jù)客戶需求的清理效率核算所需的拋丸器功率，拋丸電機(jī)功率的高低直接決定了清理效率的高低。由于工件結(jié)構(gòu)簡單，無復(fù)雜內(nèi)腔，最大清理范圍的表面積大于工件實際表面積，則以工件的清理范圍表面積進(jìn)行計算：

工件的表面積大約為50m2。

按照工件每平米所需彈丸量300kg，彈丸利用率約70%計算，所需的總拋丸量為：

客戶所需拋丸時間為12min，則每個拋丸器的拋丸量為：

拋丸率取15kg/（min·kW），單個拋丸的電機(jī)功率為：

由此可得單個拋丸器的功率為22kW。

單個拋丸器的功率確定后可對整個彈丸循環(huán)系統(tǒng)的彈丸循環(huán)量進(jìn)行計算：

由于清理的工件是鑄件，工件表面存在少量的型砂，工件清理過程中此部分型砂會混入彈丸循環(huán)系統(tǒng)當(dāng)中，增加彈丸循環(huán)量，因此整個彈丸循環(huán)系統(tǒng)的循環(huán)量需預(yù)留10%的余量，則彈丸循環(huán)系統(tǒng)實際設(shè)計彈丸循環(huán)量為：

本機(jī)歸整后設(shè)定彈丸循環(huán)量為130t/h。

2.3 螺旋輸送器

螺旋輸送器用于丸料的水平輸送，拋丸室底部漏斗將丸料收集并集中后匯集到螺旋輸送器內(nèi)，并由螺旋輸送器將丸料輸送至提升機(jī)內(nèi)，實現(xiàn)丸料的連續(xù)輸送。為提高螺旋輸送器的使用壽命，在螺旋輸送器前進(jìn)方向的前端設(shè)計有一段反向螺旋，從根本上杜絕了丸料在端板處的堆積，從而更好地保護(hù)軸承不會因進(jìn)砂而損壞，最大限度的延長了軸承的使用壽命，減少了設(shè)備的維護(hù)成本。

2.4 提升機(jī)

提升機(jī)用來實現(xiàn)丸料的垂直輸送，由擺線針輪減速機(jī)、上下滾筒、輸送膠帶、料斗和漲緊裝置等組成。提升機(jī)的下端進(jìn)料口與螺旋輸送器相連，上端出料口與分離器相連。提升機(jī)靠離心重力方式落料，工作時，固定在輸送帶上的料斗將底部的丸料刮起，并將丸料送至頂部，然后以離心重力方式，將彈丸落至分離器的螺旋內(nèi)。提升輪采用腰鼓型滾筒，中間略突起，這樣既提高了提升膠帶與帶輪間的摩擦力，避免了老式光皮帶輪的打滑現(xiàn)象，又降低了提升皮帶的預(yù)緊力，延長了使用壽命，并且能夠防止彈丸卡在下部皮帶輪與皮帶之間令皮帶跑偏的現(xiàn)象。提升機(jī)減速機(jī)帶著制動功能，可避免因突然斷電等原因造成的皮帶逆轉(zhuǎn)而導(dǎo)致提升機(jī)下部堵塞問題。

2.5 分離器

本設(shè)備采用先進(jìn)的篩選+二級磁選+風(fēng)選分離器結(jié)構(gòu)，通過此分離器的處理能夠?qū)⑼枇吓c大塊顆粒、型砂、粉塵等有效的分離開，只讓合格的丸料進(jìn)入拋丸器，從而保證清理效果并提高拋丸器的使用壽命。

磁選滾筒是此分離器的主要部件，磁選滾筒的長度取決于分離量的多少，磁選滾筒與分離量的關(guān)系為[2]：

式中，L 為磁選滾筒的長度（mm）;Q 為滾筒的分離量（t/h）;r 為丸料的堆積密度（t/m3）；v 為丸料移動的速度（m/s）,一般取0.7～1.3m/s；t 為丸料層厚度（mm），一般取5mm 左右。

本設(shè)備分離器所需實現(xiàn)的分離量為130t/h，丸料的堆積密度4.3t/m3，丸料的輸送速度取1m/s,由此可計算出磁選滾筒的長度L：

磁選滾筒的長度可取1700mm。

2.6 密封門

本設(shè)備室體采用通過式結(jié)構(gòu)，前、后各設(shè)有一套氣動密封門，傳統(tǒng)拋丸機(jī)大門采用平板式結(jié)構(gòu)，大門開啟后占用的空間較大，造成客戶廠房的浪費。本設(shè)備將拋丸室設(shè)計成菱形結(jié)構(gòu)，密封門體設(shè)計成“L”型結(jié)構(gòu)（圖5），此結(jié)構(gòu)在大門開啟后減小了設(shè)備的占用空間，為客戶節(jié)省了廠房空間。密封門門體上設(shè)有進(jìn)風(fēng)口，為室體提供補(bǔ)風(fēng)，保證室體內(nèi)部風(fēng)的流動，提高除塵效果。

圖5 密封門結(jié)構(gòu)

由于門體與拋丸室殼體都是采用折邊結(jié)構(gòu)，因此在制作過程中需保證兩者的角度一致，這樣才能保證房體的密封效果。因此在設(shè)備的制作過程中，設(shè)計了一種角度限定工裝，使用此工裝可對制作角度進(jìn)行限定，保證門體及室體的角度一致，從而保證了門體的密封效果。

2.7 吊鉤系統(tǒng)

工件的最大重量為32t，由于工件的重量較重，因此此設(shè)備的吊鉤系統(tǒng)采用行車式結(jié)構(gòu)。行車有相關(guān)的行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，但是由于工作環(huán)境的不同需在進(jìn)行型號選擇時特別注意以下幾點：

（1）運行速度的選擇：由于行車的行程較短并且工件在拋丸室內(nèi)存在兩點清理的工作狀態(tài)，因此對行車的定位及停止時工件的擺動量有一定的要求，因此常規(guī)選取行車的運行速度為10m/min。

（2）跨度的選擇：拋丸室的寬度及立柱的型號決定著行車的跨度，在決定行車的跨度時首先要確定好拋丸室的寬度及所需導(dǎo)軌支架立柱的寬度，行車的跨度約等于室體的寬度+單根立柱的寬度。

（3）吊鉤起升后定位的要求：對于拋丸機(jī)上使用的行車如果客戶無特殊要求就將行車的葫蘆設(shè)為固定式，保證吊鉤始終保持在室體的中心線位置，避免定位不準(zhǔn)與室體發(fā)生干涉。

（4）工作級別的選?。好總€客戶所使用設(shè)備的頻率會有所不同，需根據(jù)客戶設(shè)備使用的頻率進(jìn)行選取所使用行車的工作級別，判定原則如下：

1）輕級（A1-A3）：很少起升額定載荷，一般起升輕微載荷，多用于電站或其他工作場所安裝和檢修設(shè)備用，或工作不常用的車間和倉庫。

2）中級（A4-A5）：有時起升額定載荷，一般起升中等載荷，用于工作繁重的車間和車庫，如一般的機(jī)械加工和一般裝配車間使用。

3）重級（A6-A7）：如常起升額定載荷，一般起升較重的載荷，用于工作繁重的工作車間和倉庫，如長時間頻繁吊運載重額較重的物品與冶金車間使用。

2.8 工件承載系統(tǒng)

為提高設(shè)備的清理效率，此設(shè)備采用通過式雙吊鉤結(jié)構(gòu)（圖6），配備兩套吊鉤系統(tǒng)，當(dāng)其中一套處于拋丸清理狀態(tài)時，另一臺可進(jìn)行上、下件操作，較傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)拋丸機(jī)節(jié)省了大量的輔助時間，提高了清理量。

圖6 工件承載系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

2.8.1 結(jié)構(gòu)載荷校核

作用在設(shè)備上的載荷一般分為三類：基本載荷、附加載荷和特殊載荷?；据d荷指始終和經(jīng)常作用在機(jī)架結(jié)構(gòu)上的載荷，包括自重力及設(shè)備運行時產(chǎn)生的動載荷。一般計算中，計算載荷為基本載荷與動力系數(shù)的乘積。對于起重機(jī)來說，還有起升重物重力，當(dāng)重物突然離地起升或下降制動時，將產(chǎn)生動載荷作用，則應(yīng)考慮動力系數(shù)1～2[3]。

最大工件重力為32t，行車的重力約10t，取動力系數(shù)為1.5，則載荷為：

行車由4 個車輪支撐，因此每個車輪的載荷為157.5kN。

通過初步核算選定立柱選用HM 中翼緣(H型鋼)588×300×12×20，橫梁選用HM 中翼緣(H型鋼)488×300×11×18 型材，現(xiàn)對行車所在兩種極限位置狀態(tài)的導(dǎo)軌支架受力狀態(tài)借助ANSYS軟件進(jìn)行受力分析，分析其最大撓度及最大應(yīng)力是否在允許范圍之內(nèi)。

本結(jié)構(gòu)立柱之間的間距為6020mm，則撓度容許值為：6020/600≈10mm。

通過查詢材料的許用應(yīng)力表格可得，Q235 的許用應(yīng)力為160MPa。

（1）當(dāng)行車位于導(dǎo)軌支架最外部時，此時端板立柱受力最大（圖7）。經(jīng)過分析可得最大變形量為4mm（圖8），最大應(yīng)力為130MPa（圖9）。

圖7 位置狀態(tài)1

圖8 最大變形量

圖9 最大應(yīng)力值

（2）當(dāng)行車位于跨中位置時，此時橫梁受力最大（圖10）。經(jīng)過分析可得最大變形量為4.4mm（圖11），最大應(yīng)力為143MPa（圖12）。

圖10 位置狀態(tài)2

圖11 最大變形量

圖12 最大應(yīng)力

通過以上兩種狀態(tài)分析可得，最大應(yīng)力與最大變形量都出現(xiàn)在橫梁的跨中位置，且變形量與最大應(yīng)力都小于許用值，因此可得此結(jié)構(gòu)完全滿足32t 的載重需求。

2.9 除塵系統(tǒng)

由于所清理的產(chǎn)品為鑄鐵件，灰塵量較多并且所要求的粉塵排放為10mg/m3，因此本機(jī)采用三級除塵，除塵器采用脈沖布袋除塵器。粉塵首先經(jīng)沉降箱進(jìn)行第一次粗除塵，將較大顆粒予以沉降，避免細(xì)碎彈丸在管道內(nèi)沉積，降低除塵效果，再經(jīng)旋風(fēng)除塵器將大部分顆?；覊m給予過濾，減輕脈沖布袋除塵器的負(fù)擔(dān)，提高其除塵效率，延長其使用壽命，最后通過脈沖布袋除塵器進(jìn)行精過濾，達(dá)到國家排放標(biāo)準(zhǔn)，通過煙囪進(jìn)行高空排放。

整個拋丸機(jī)所需的風(fēng)量包含分離器風(fēng)選所需風(fēng)量及拋丸室除塵所需風(fēng)量。

2.9.1 分離器所需風(fēng)量計算公式

式中，Q分為分離器所需風(fēng)量（m3/h）；L 為風(fēng)選區(qū)的長度（m）；H 為風(fēng)選區(qū)的高度（m）；V 為風(fēng)選區(qū)的風(fēng)速（m/s）,一般取4～5m/s。

本設(shè)備分離器長度為1800mm，高度為200mm，分離區(qū)風(fēng)速按照4m/s 計算，可得分離器所需風(fēng)量為Q分：

2.9.2 拋丸室所需風(fēng)量計算公式

式中，Q室為拋丸室所需的風(fēng)量（m3/h）；A 為室體水平截面積（m2）；V 為室體水平截面風(fēng)速（m/s），可按照表1 進(jìn)行選取。

表1 不同情況的截面風(fēng)速

本設(shè)備的拋丸室尺寸（L×W×H）為5200 mm×4000 mm×6000mm，容積是124.8m3，本設(shè)備用于帶砂鑄件的清理，客戶所使用的磨料是鋼丸與鋼砂配比使用，因此可選定室體的截面風(fēng)速采用0.3m/s，由此可得拋丸室所需風(fēng)量Q室：

設(shè)備所需的分量為：

由于管路系統(tǒng)存在一定的風(fēng)量損失，因此實際通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量為：

式中，Q總為通風(fēng)機(jī)的風(fēng)量（m3/h）；Q 為設(shè)備總的通風(fēng)量（m3/h）。

風(fēng)機(jī)所選風(fēng)量為：

最終所選風(fēng)量為：32000m3/h

3 結(jié)束語

（1）此大型吊鉤式拋丸機(jī)避免了噴砂房與臺車式拋丸機(jī)因工件翻個造成的清理效率低下問題，提高了清理效率。

（2）此大型吊鉤式拋丸機(jī)避免了噴砂房與臺車式拋丸機(jī)因工件翻個造成操作工人勞動強(qiáng)度大且存在安全隱患的問題。

（3）此大型吊鉤式拋丸機(jī)減少了設(shè)備的占地面積，為客戶提高了廠房的利用率。

（4）此大型吊鉤式拋丸機(jī)已在多家用戶使用，技術(shù)性能穩(wěn)定，設(shè)備故障率低，使用可靠，能夠滿足用戶對大型工件表面的清理需求。