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通过式钢板抛丸机室内轨道设计原理

标签: 日期:2017/7/31 14:55:33
  室体内辊道是抛丸机的一项关键的部件,由于其工作在抛丸室内,所以其不仅要承受工件的重力与带动工件产生的摩擦力而且还要承受钢丸的抛打和由此产生的瞬间冲击力,故抛丸室辊道为易损部件。为了实现进一步对室体内辊道进行有限元分析以及结构优化,必须对其在工作时所受载荷进行理论分析与计算。 
  为了充分体现辊道的结构强度和刚度在工况下是足够的,该次计算使用许可最大的工件尺寸。选用 3000×60mm 的钢板作为被处理的工件进行计算。由于室体内辊道的间距为 870mm,故假定每个辊道在工作时需承载 3000×60×870mm 的钢板。根据体积公式: 
根据重力公式:
带入数据可得:G =12300N。   
  钢板在工作时要承受弹丸抛打所产生的巨大的冲击力,由于辊道等部件的阻挡,其上下面受承受的力大小不同,故需要计算室体内辊道在工作时承受的载荷还要计算由于钢丸抛打而产生的附加力[41-42]。由上面对抛丸器的分析可知弹丸的速度为 73m/s,考虑弹丸在抛丸过程的速度的减少,假定钢丸的抛打到钢板的速度为 70m/s。由上文知,抛丸器的抛丸量为 480kg/min,即每台抛丸器的抛丸量为 8kg/s。钢板上面共 4 台抛丸器,即钢板上面抛打的钢丸重量为 32kg/s。为了求解钢丸抛打在钢板上的冲击力,由动量守恒定论知,还需知道弹丸离开钢板时的速度。为了较大的预估冲击力,假设钢丸的速度没有损失,即弹丸仍以 70m/s 的速度离开钢板。此外还需知道钢丸与钢板的接触时间,经查阅相关文献可预估钢丸与钢板的接触时间为 60ms。由动量定理公式: 
= mvmv Ft - 动量定理公式


带入上述数据得: F74667= N。
  由于钢板下面同样也受到钢丸的抛打,会抵消很大一部分向下的冲击力,但是考虑下面抛打的钢丸有一部分会抛打在室体内辊道上,室体内辊道的外径为 192mm,由室体内辊道的间距 870mm,共三个室体内辊道,室体内辊道会阻挡大约 30%的钢丸。故钢板上下面的冲击力差大约为 22400N。 
  钢板在抛丸清理室体内承受钢丸抛打时,中间的辊道处的钢板变形量相对最大,即中间的辊道受承受的冲击影响最大,即所受的冲力最大。假设其承受的冲击力大约占所有冲击力的 60%,即中间辊道的受到的冲击大约为 13400N。 
  由以上计算可以得出中间室体辊道所受到的径向压力最大,考虑辊道自身的重力4100N 和一些不确定的因素(如电流的波动而引起的压力增大)与为了分析优化时得出较保守的结论,本文假定辊道受承受的径向压力为 30000N。 
  由于辊道转速较慢,因此可以把钢板随辊道的旋转而平移看成滑动。其滑动摩擦系数大约为 0.3。由滑动摩擦公式:
弹丸离开钢板时的速度

弹丸离开钢板时的速度

带入上述数据得:fF =9000N,即辊道还要承受 9000N 的切向力。

室体内辊道在工作时应力的分析与计算:
  作为一种常见的物理现象,接触由于状态的不确定性是一种高度非线性问题。室体内辊道工作过程时,工件的载荷作用在其很小的接触面积上,会产生很大的接触应力。由于赫兹接触理论是计算接触应力和变形量的一个重要理论。通过计算钢板与辊道接触的理论值,可以验证室体内辊道有限元分析结果是否正确。

  为方便赫兹接触理论计算,对赫兹理论作如下假设[43]: 
(1) 接触物体只产生服从胡克定律的弹性变形;
(2) 接触表面完全光滑,可以忽略接触物体之间摩擦力的影响;
(3) 接触物体区域的曲率半径与接触面的尺寸与相比很大。 
  由分析室体内辊道受载的形式可知,辊道与钢板的接触问题为线接触问题。其赫兹接触的类型为圆柱与平面的接触,如图 2.10 所示。由此可得辊道在钢板的载荷作用下发生线性接触,以载荷的线密度为 q,由载荷线密度的关系式[44]: 
图 2.10  圆柱与平面的赫兹接触模型

图 2.10  圆柱与平面的赫兹接触模型 
  两物体在无载荷状态下接触情以分为两种接触类型,即点接触和线接触。不受载荷的情况时,辊道与工件的接触类型为线接触。对于理想线接触来说,在载荷作用下接触线将扩展为一矩形接触面。由于辊道与工件材料性能差不多,为了使计算简单,把材料的弹性模量 E 统一设为 210GPa,泊松比统一设为 0.3。矩形接触面宽度用b 表示,由圆柱与平面的赫兹接触类型的接触面宽度尺寸关系式: 
计算公式

式中: F —室体内辊道所承受的载荷为 30000N; R —室体内辊道的半径 0.096m; l   —线接触的长度为 3m; E —材料的弹性模量为 2.1GPa。 
带入上述数据得:b =0.0032m。 由圆柱与平面的赫兹接触类型的最大接触应力关系式: 
max 计算公式

式中: F —室体内辊道所承受的载荷为 30000N; R —室体内辊道的半径为 0.096m; l   —线接触的长度为 3m; E —材料的弹性模量为 2.1GPa。 带入上述数据得:maxσ =147MPa。

结语:
  本章首先通过对比常用的两种辊道通过式输送方案的优缺点,结合生产技术参数要求确定了输送方案为平式输送方案;然后简单介绍了辊道通过式抛丸机的组成,接着对本机的工件输送系统、抛丸清理系统、丸料循环净化系统等系统的主要结构及特点做了介绍,并利用 Solid Works 三维建模软件建立了重要部件的三维模型;最后通过对抛丸器的重要参数的分析与计算进而完成了室体内辊道载荷与应力的分析与计算,为辊道通过式抛丸机的关键部件有限元分析与结构优化奠定了基础。 
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