一種大型吊鉤式拋丸機的設計與應用

王 偉，孫本芹，袁存波

（山東開泰拋丸機械股份有限公司，山東濱州 256217）

吊鉤式拋丸機是以單個吊鉤為工件的運載工具，每臺設備一般設1～3 個吊鉤，每次一個鉤件在清理室內清理，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進行清理。噴砂房與臺車式拋丸機的運載工具都是臺車，工件與臺車接觸面都無法進行清理，因此，在清理過程中需對工件進行翻個后再進行清理，從而降低了清理效率，增加了操作工人的勞動強度。為解決此問題，我公司開發(fā)設計了一種大型吊鉤式拋丸機，可實現對大噸位、大體積工件進行自動拋丸清理，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度。

1 主要技術規(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；

除塵風量：32000m3/h；

粉塵排放：10mg/m3；

設備總功率：230kW。

2 大型吊鉤式拋丸機的組成及結構特點

大型吊鉤式拋丸機主要由拋丸室、拋丸器總成、螺旋輸送器、斗式提升機、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

2.1 拋丸室

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

設備的最大清理范圍為?3000mm，為避免工件與拋丸室側壁相撞，拋丸室在寬度方向與工件之間單邊預留約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，本設備設有2 點位置拋丸，兩點之間的距離為600mm。工件在拋丸室內進行移動時，工件由于慣性會存在晃動現象，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留約800mm 左右的間隙（圖2）。

圖2 拋丸室結構圖

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

2.2 拋丸器總成

拋丸器是拋丸機的核心部件，拋丸器布置的數量及位置是否合理直接關系到工件的清理效果的好壞。此設備在設計時根據客戶工件的形狀及尺寸對拋丸器的數量及位置進行了模擬，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，本設備在拋丸器布置上做了獨特的設計，所有拋丸器的布置擯棄了傳統(tǒng)式吊鉤式拋丸機垂直式布置的方式，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時外圓線速度快從而造成窄面與拋射帶接觸時間過短進而清理效果不佳的問題。

圖4 拋丸器布置方式

拋丸器的數量確定好后需再根據客戶需求的清理效率核算所需的拋丸器功率，拋丸電機功率的高低直接決定了清理效率的高低。由于工件結構簡單，無復雜內腔，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)量需預留10%的余量，則彈丸循環(huán)系統(tǒng)實際設計彈丸循環(huán)量為：

本機歸整后設定彈丸循環(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，并由螺旋輸送器將丸料輸送至提升機內，實現丸料的連續(xù)輸送。為提高螺旋輸送器的使用壽命，在螺旋輸送器前進方向的前端設計有一段反向螺旋，從根本上杜絕了丸料在端板處的堆積，從而更好地保護軸承不會因進砂而損壞，最大限度的延長了軸承的使用壽命，減少了設備的維護成本。

2.4 提升機

提升機用來實現丸料的垂直輸送，由擺線針輪減速機、上下滾筒、輸送膠帶、料斗和漲緊裝置等組成。提升機的下端進料口與螺旋輸送器相連，上端出料口與分離器相連。提升機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。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象，又降低了提升皮帶的預緊力，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象。提升機減速機帶著制動功能，可避免因突然斷電等原因造成的皮帶逆轉而導致提升機下部堵塞問題。

2.5 分離器

本設備采用先進的篩選+二級磁選+風選分離器結構，通過此分離器的處理能夠將丸料與大塊顆粒、型砂、粉塵等有效的分離開，只讓合格的丸料進入拋丸器，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。

本設備分離器所需實現的分離量為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

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

圖5 密封門結構

由于門體與拋丸室殼體都是采用折邊結構，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。因此在設備的制作過程中，設計了一種角度限定工裝，使用此工裝可對制作角度進行限定，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，因此此設備的吊鉤系統(tǒng)采用行車式結構。行車有相關的行業(yè)標準，但是由于工作環(huán)境的不同需在進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：對于拋丸機上使用的行車如果客戶無特殊要求就將行車的葫蘆設為固定式，保證吊鉤始終保持在室體的中心線位置，避免定位不準與室體發(fā)生干涉。

（4）工作級別的選取：每個客戶所使用設備的頻率會有所不同，需根據客戶設備使用的頻率進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)

為提高設備的清理效率，此設備采用通過式雙吊鉤結構（圖6），配備兩套吊鉤系統(tǒng)，當其中一套處于拋丸清理狀態(tài)時，另一臺可進行上、下件操作，較傳統(tǒng)結構拋丸機節(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)結構

2.8.1 結構載荷校核

作用在設備上的載荷一般分為三類：基本載荷、附加載荷和特殊載荷。基本載荷指始終和經常作用在機架結構上的載荷，包括自重力及設備運行時產生的動載荷。一般計算中，計算載荷為基本載荷與動力系數的乘積。對于起重機來說，還有起升重物重力，當重物突然離地起升或下降制動時，將產生動載荷作用，則應考慮動力系數1～2[3]。

最大工件重力為32t，行車的重力約10t，取動力系數為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，現對行車所在兩種極限位置狀態(tài)的導軌支架受力狀態(tài)借助ANSYS軟件進行受力分析，分析其最大撓度及最大應力是否在允許范圍之內。

本結構立柱之間的間距為6020mm，則撓度容許值為：6020/600≈10mm。

通過查詢材料的許用應力表格可得，Q235 的許用應力為160MPa。

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

圖7 位置狀態(tài)1

圖8 最大變形量

圖9 最大應力值

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

圖10 位置狀態(tài)2

圖11 最大變形量

圖12 最大應力

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

2.9 除塵系統(tǒng)

由于所清理的產品為鑄鐵件，灰塵量較多并且所要求的粉塵排放為10mg/m3，因此本機采用三級除塵，除塵器采用脈沖布袋除塵器。粉塵首先經沉降箱進行第一次粗除塵，將較大顆粒予以沉降，避免細碎彈丸在管道內沉積，降低除塵效果，再經旋風除塵器將大部分顆粒灰塵給予過濾，減輕脈沖布袋除塵器的負擔，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行精過濾，達到國家排放標準，通過煙囪進行高空排放。

整個拋丸機所需的風量包含分離器風選所需風量及拋丸室除塵所需風量。

2.9.1 分離器所需風量計算公式

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

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

2.9.2 拋丸室所需風量計算公式

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

表1 不同情況的截面風速

本設備的拋丸室尺寸（L×W×H）為5200 mm×4000 mm×6000mm，容積是124.8m3，本設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速采用0.3m/s，由此可得拋丸室所需風量Q室：

設備所需的分量為：

由于管路系統(tǒng)存在一定的風量損失，因此實際通風機的風量為：

式中，Q總為通風機的風量（m3/h）；Q 為設備總的通風量（m3/h）。

風機所選風量為：

最終所選風量為：32000m3/h

3 結束語

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

（3）此大型吊鉤式拋丸機減少了設備的占地面積，為客戶提高了廠房的利用率。

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