一种单钩三工位吊挂式抛丸清理机的研发与应用

田 超

（保定维尔铸造机械股份有限公司，河北保定 071000）

0 引言

抛丸清理设备目前已广泛适用于车辆、船舶、桥梁、航空、航天、电力、工程机械等机械制造行业中对铸件、焊接件、锻件及板金件的表面清理。因工件的外形、工艺等方面的不同，抛丸清理机分类也呈现多样化。按抛丸清理机的功能分类，可分为抛丸清砂机、抛丸除锈机、抛丸强化机等；按抛丸清理机的结构形式分类，可分为吊挂式、输送链式、辊道通过式、网带通过式、履带式、转台式、台车式以及滚筒式等。目前最为常见的是吊挂式抛丸清理机。对于小型铸件的清理，常用设备是双钩吊挂式抛丸清理机；而对于大型铸件的清理，常用设备是单钩吊挂式抛丸清理机。

实际应用中发现，传统的单钩吊挂式抛丸机对大型铸件的清理效果不太理想，尤其在对扁平型风电件和车床件的清理过程中，由于抛丸器固定，抛丸角度无法覆盖铸件所有表面，对遮挡位置的清理不到位，这就需要操作人员多次将工件吊出清理室，调整吊挂位置后再进入清理室内抛打，此过程费时费力，效率低。根据此类铸件清理在当前市场上的需求，本文重点介绍一种单钩三工位吊挂式抛丸清理机。

1 基本工况及技术要求

工件：风电类铸件（扁平型）。

工况环境：厂房环境温度-10～50 ℃；湿度≤85%；主电源AC380 V±10%、50±5%Hz；压缩空气0.4～0.6 MPa。

除尘排放标准：≤10 mg/m3。

占地空间限制：L×W=11 m×8 m，除尘放置室外，烟囱高度≥15 m。

2 工作原理与结构组成

2.1 三个工位的抛丸角度分析

扁平工件因为宽度过窄，通过吊挂式抛丸清理机时，旋转过程中工件的部分区域因与钢丸抛射带角度太小无法进行有效清理，故将清理工位增至三个。第二工位为常规清理位，增加的第一工位和第三工位与第二工位之间设置合适的间隔距离，可使工件在旋转过程中与钢丸抛射带形成更大的角度，从而将无法有效清理的部分达到更好的清理效果。视图分析如图1～3 所示。

图1 第一工位抛丸俯视图

图2 第二工位抛丸俯视图

图3 第三工位抛丸俯视图

2.2 设备工作流程

单钩三工位吊挂式抛丸清理机主要由清理室、抛丸器总成、底部螺旋输送机、斗式提升机、筛分滚筒、风选装置、储料斗、气动丸料门、回转吊钩、吊钩轨道、回转装置、气动密封装置、除尘系统以及电气控制系统等部分组成（图4 所示）。

图4 三工位单钩吊挂式抛丸清理机

如图5 所示，打开电源，设备依次开启除尘器、滚筒筛、斗提机、横向螺旋输送、纵向螺旋输送，按清理启动按钮，电葫芦带动工件进入清理室的第一清理工位，关闭清理室门，顶部密封和回转装置关闭到位，回转电机启动，通过链条和链轮的啮合带动工件正反向转动，抛丸器启动，丸料阀打开，清理开始；达到预设时间后，丸料阀关闭，回转电机关闭，顶部密封和回转装置打开到位，电葫芦带动工件运行到第二清理工位，顶部密封和回转装置关闭到位，回转电机启动，通过链条和链轮的啮合带动工件正反向转动，抛丸机启动，丸料阀打开，清理开始；第三清理工位同第二清理工位；第三清理工位清理结束后，丸料阀关闭，抛丸器关闭，回转电机关闭，顶部密封和回转装置打开到位，抛丸器电机停转后，清理室门打开，电葫芦带动工件出清理室到达初始位，清理结束。

图5 设备工作循环流程图

2.3 结构组成

2.3.1 清理室

室体由型钢和钢板焊接而成。在一侧室壁上设有四台曲面直联抛丸器，抛丸器的位置及角度设计，保证了丸料抛射流最大限度地集中抛向工件，同时使室体磨损最小。室体的顶部开有吊钩行走的沟槽及轨道支撑钢结构，并设有回转装置，用于驱动吊钩的回转，保证工件表面清理均匀，同时抛丸室的顶部沟槽密封由轧制Mn13 衬板、毛刷以及多层特制的橡胶板组成，防止在清理工件过程中丸料飞溅出清理室和确保工件在沟槽中的平稳移动。

为了保证室体的寿命，清理室全部装有轧制Mn13 耐磨钢衬板，并使用耐磨铸钢螺母，把衬板固定在清理室侧壁上。同时，在主抛区即抛头对侧装有耐磨挂板，降低丸料直抛对耐磨板的磨损。

室体的底部是铸造高锰钢篦板和锥斗，篦板隔离大块物料，锥斗收集抛丸清理室落下的丸砂混合物，通过底部螺旋输送机送入斗提机，最后经斗提机进入丸料回收分离系统。

室体上的工件入口处设有两扇旋转门，由气缸提供动力，为了保证门体的强度，并且尽量减少自身的重量，门体采用槽钢作骨架和钢板折弯焊接而成，保证运行平稳可靠。门体内侧装有可替换的耐磨钢衬板，方便后期更换。门体周边采用目前较合理的迷宫式进行密封，这种迷宫是倒流密封，极大程度地防止丸料飞溅，改善工作环境，保证人身安全。

当自动程序运行时，其中一扇门先开启，开启到位后，另一扇门才能开启；等工件进入清理室内的指定位置后，后开启的那扇门先关闭，到位后，另一扇门才能关闭。门体的上方设有光电开关检测装置，对门体的开关状态进行检测，并与抛丸器的控制形成自锁，当门体关闭不到位时抛丸器无法启动，保证操作人员的人身安全。同时，门体在开关时进行声光报警，提醒操作人员注意，避免因大意造成撞击和磕碰。出于维护、维修的目的，维修人员可在设备调试模式下，通过手动方式将门体开启。

2.3.2 抛丸器

本机选用四台∅350 mm 的曲面直联抛丸器（图6 所示）。抛丸器外壳由钢板焊接而成，内衬由铸造耐磨合金板组成。内部由进丸管、分丸轮、定向套、驱动轮、联结盘和8 个叶片等组成。

图6 抛丸器结构图

为保障在高转速下运转平稳、降低噪音，所用叶轮全部经过严格的静平衡检验。叶片、分丸轮、定向套全部采用高铬合金精密铸造，尺寸精度高、质量误差小，每组叶片重量误差小于5 g，能保证良好的动平衡，耐磨性能好，使用寿命长。

抛丸器内部保护衬板均为高铬合金铸铁，每块之间采用互锁结构，安装更换方便。有效保护抛丸器外壳，延长使用寿命。每台抛丸器叶轮装有八片曲面叶片。计算和实践结果表明，该种形式的叶片能够达到最大抛丸力，同时能耗、噪音、磨损最小。叶片和叶轮采用简单可靠的燕尾式锁紧连接方式，没有销钉、螺栓等繁琐装置，便于叶片的快速更换（图7）。叶轮结构适用于左旋、右旋和直面叶片的安装，以满足客户不同抛丸状态的需要。

图7 叶轮和叶片

抛丸器丸料抛射角度可以调整，使丸料最大限度地集中抛打在工件表面，克服了一般抛丸器丸料散射的缺点，不仅提高了效率，而且减少了设备易损件的磨损。

在工作过程中，丸料通过进丸管直接进入分丸轮。分丸轮将进丸管提供的丸料均匀地分配给定向套窗口，由叶轮高速旋转产生的离心力将从窗口流出的丸料抛向工件。根据被处理工件的需要，调整定向套窗口角度，从而确定丸料的抛打区域。

2.3.3 底部螺旋输送机

本机共配备两台螺旋输送机，即一台纵向螺旋输送机和一台横向螺旋输送机，开机启动后，螺旋输送机将从室体下落到锥斗内的丸砂混合料输送至提升机下部进料口。

本机主要有螺旋槽、螺旋轴、螺旋叶片、迷宫、带座轴承、斜齿轮减速机等部件组成。螺旋轴两端轴头经过调质处理，并采用焊后整体加工保证同轴度。螺旋叶片采用16Mn 材质制成，并在叶片易磨损的端部堆焊有耐磨材料，大大延长了叶片的使用寿命。

两端轴头处采用特有迷宫密封结构，降低丸料粉尘进入轴承的几率，最大限度上延长轴承的使用寿命，降低维护成本。

2.3.4 斗式提升机

本机配有一台斗式提升机，为离心重力卸料式，其外壳全部由钢板焊接而成，采用强力提升带输送丸砂，抗拉强度和延展率都符合标准要求。

弧形料斗采用模具冲压制作而成，材质为16Mn，卸料顺畅，减少磨损。料斗与提升带的联结采用专用螺栓，联结牢固可靠。

提升机轴承处设有迷宫密封，减少丸料挤进后使轴承卡死的几率。本机上部为主动轮并设有防倒转装置。另设有提升带张紧机构，可随时进行人工调整，防止皮带打滑、偏移。在卸料口处装有接料调整板，防止钢丸回流，提高输送效率，减少提升机外壳磨损。

提升机设有脉冲检测装置，可实现自动报警功能。下部轴上装有脉冲轮，可检测跟踪本机的工作状态，一旦出现阻转或转不动等故障，能及时将信号反馈至PLC 处理，使气动丸料门关闭，提升机、螺旋输送的驱动电机停止运转，保证设备的安全运转。

提升机在工作时具备延时停止功能，避免出现过载现象。

2.3.5 筛分滚筒

筛分滚筒由螺旋输送和分离器等部分组成。螺旋输送将斗提机卸下的混合料送到端部分离器中，块状废料被分离出后由废料管排出，分离后的丸砂混合料进入风选装置（图8 所示）。

图8 筛分滚筒和风选装置

螺旋轴叶片采用16Mn 材质制成，并在叶片易磨损的端部堆焊耐磨材料，保证螺旋轴的使用寿命，同时两端轴处采用特有迷宫密封结构，避免丸料粉尘进入轴承。

分离器由3 mm 厚的钢板冲孔制成，孔径大小6 mm。分离器内壁和外壁分布有螺旋叶片。内叶片用于将进入分离器的丸砂混合料向后输送，直径小于6 mm 的丸砂从筛孔漏出；滚筒的外螺旋叶片，用于将漏出的丸料沿筒长方向分布均匀，为下一级的分离筛选提供满幕帘的准备工作；直径大于6 mm 的颗粒物，在筛分时不能从筛孔漏出，由分离器后部的排废口，排除循环系统。

2.3.6 风选装置

风选装置为流幕式，可实现对丸尘混合料的有效分离，工作原理如图9 所示。

图9 风选装置工作原理

从筛分滚筒落下的丸砂混合料经本机布料区布料后呈流幕状落入本机的分离器中。由于受除尘风机吸入的气流作用，在沉降过程中，丸砂混合料作水平移动，重丸偏移距离小，落入储料斗中，供抛丸器使用。轻的粉尘由除尘管路吸走，进入除尘器的集尘斗。中间是未分离好的丸砂混合料，由回料管排回循环回收系统，较轻的废砂落入废料管后进入废料桶。

本装置在布料区长度上设有可调节的分丸板，以保证在风选范围内形成厚度均匀的下落丸料幕。丸砂混合料形成的丸料幕含有可用丸料、细小金属颗粒、砂粒和粉尘。在垂直下落通过分离区的过程中，由于其颗粒大小和质量的不同，在水平风力的作用下，发生不同的水平偏移，分别被长度可调的倾斜挡板截获，将混合料有效分开，分别进入不同区域。调整并保持适当的风力，本机分离率可达99%。

本装置设有溢流槽，在丸砂混合料的流量过大时可经溢流槽排回到循环系统，有效防止阻塞。

本装置底部设有可更换的过滤筛，可筛除丸料中混杂的少数粗大颗粒，防止进入储料斗。本机底部连接储料斗，分离出的合格丸料进入储料斗进行存储。

2.3.7 储料斗

储料斗由钢板焊接而成，为了保证储料斗内丸料储量能使抛丸器正常运转不空抛，在斗体的侧壁上装有检测报警装置，当丸料储量低于临界值时发出信号提示操作者补加丸料。

储料斗的主要作用是保证抛丸器工作时抛丸量的恒定及非工作时对丸料的存储，其容量大小根据抛丸器所需丸料量计算得出。抛丸清理工作结束后，丸料大部分被输送到储料斗，避免在下次工作时，丸料循环系统中的部件带负载启动。

储料斗在整机中是保证抛丸器抛丸量一定不可缺少的重要部件。

2.3.8 气动丸料门

本机配有四个气动丸料门，丸料门的开合由气缸进行控制。每个丸料门对应一台抛丸器，抛丸器丸料的供给则由气动丸料门完成，不仅可实现丸料流的通断，还能调节丸料的流量大小。

气动丸料门上设有手动闸板和自动闸门，手动闸板辅助调整丸料流量大小，并能在调试及检修丸料门时彻底关闭丸料门，确保丸料不外溢。自动闸门由电磁阀控制气缸推动吊斗摆动实现开闭。该结构能有效防止钢丸挤卡而造成的故障。

2.3.9 回转吊钩

本机配有一套回转吊钩，由电动葫芦与吊钩组成。吊钩包括链轮、吊杆、吊钩、吊钩护罩。

电动葫芦在顶部轨道中运行，吊钩安装在电动葫芦原钩头位置，吊杆装有链轮，工作时链轮与位于抛丸机顶部的回转装置的链条啮合，从而带动吊钩和工件匀速旋转。吊钩护罩在工件的上方以阻挡丸料飞出抛丸室，同时保护吊钩及抛丸室外其他部件。

为防止发生啮合不到位而停转的现象，吊钩处添加检测装置并在电控柜上设有明显的指示灯。

电动葫芦上另设有吊钩上升到位检测装置，保证吊钩在装卸位起吊工件后准确到达指定高度，可以顺畅地进入清理室内。

2.3.10 吊钩轨道

吊钩轨道采用工字钢焊接制作完成，为电动葫芦带动吊钩和工件进出清理室提供独立轨道和支撑。轨道上设有限位开关，用来检测电动葫芦是否到达指定位置，确保工件的装卸和清理。

2.3.11 回转装置

本机配有一套回转装置，该装置由一台电机驱动，使装置上的传动链条匀速、平稳运动。设备工作时，吊钩上的链轮与该装置上的链条在抛丸清理位啮合，使吊钩和工件均匀旋转，抛丸器对工件的清理也更均匀。

该装置采用非标宽链条，比标准链条宽，工件在抛丸清理过程中因受到丸料的冲击会产生晃动，宽式链条更能保证吊钩链轮与链条之间的啮合，防止出现因链轮与链条脱离而使工件无法被均匀清理的情况。

2.3.12 气动密封装置

本机配有一套气动密封装置，由密封盖板、旋转轴和气缸等组成，该装置采用气动控制，在气缸的带动下密封盖板对清理室顶部沟槽进行有效密封。

密封盖板上设有三个吊钩孔，分别对应抛丸机的三个抛丸工位。工件进入清理室之前，密封盖板处于开启状态，吊钩与工件进入清理室第一抛丸工位后，密封盖板关闭；第一抛丸工位清理工作完成后，密封盖板开启，吊钩与工件进入第二抛丸工位，密封盖板关闭；第二抛丸工位清理工作完成后，密封盖板开启，吊钩与工件进入第三抛丸工位，密封盖板关闭；第三抛丸工位清理工作完成后，密封盖板开启，吊钩与工件移出清理室。当下一工件就绪后，按上述依次重复动作。

2.3.13 设备检修平台

本机设置有储料斗平台、斗提机检修平台、丸料门检修平台以及抛丸器检修平台。储料斗平台可用于对风选装置和筛分滚筒的调试与检修；斗提机检修平台用于对斗式提升机上部结构的调试与检修；丸料门检修平台用于对气动丸料门和上方抛丸器的调试与检修；抛丸器检修平台用于对中间抛丸器的调试与检修。

所有平台均配有护栏和爬梯，制作过程严格按照国家机械安全质量标准执行，保证其结构的强度，为维修人员的操作提供方便的同时，又保障了维修过程中的人身安全。

2.3.14 除尘系统

本机除尘系统采用三级除尘模式，包括一级重力沉降室除尘、二级旋风除尘器除尘和三级滤袋式脉冲反吹除尘器除尘。

清理室与除尘管路连接处设有重力沉降室，清理过程中产生的粉尘，首先经过重力沉降室的一次除尘，将较重较大的颗粒予以沉降，然后经旋风除尘器进行二次除尘，将次重次大的颗粒予以沉降，最后经过滤袋式脉冲反吹除尘器的三级除尘，精细过滤，达到理想的除尘效果，除尘效率可达99%以上。三级除尘模式不仅可以将粉尘气体有效地过滤排放，也可以保障滤布不被较大粉尘冲击磨损，进而延长滤袋的使用寿命，节约维护成本。

滤袋式脉冲反吹除尘器配有脉冲反吹阀，在PLC 控制下反吹阀向滤袋内间歇式吹入压缩空气，使滤袋内的负压瞬间转为正压，从而将滤袋外附着的灰尘震落，并由除尘器底部的集灰斗收集处理。

在控制柜面板上另设有手动反吹按钮，可适时进行手动辅助除灰，保证除尘器正常的除尘效果。

2.3.15 电控系统

本机控制系统以西门子可编程控制器（PLC）控制为核心，由一个主控制柜和一个操作站组成，实现对设备的控制。该系统设有自动和手动两种模式，且具有良好的互锁、自锁及安全保护功能。自动模式用于设备的日常运行，手动模式用于设备前期的调试工作及后期的维护与维修。

电控柜采用仿威图电柜，防护等级为IP54（配带电箱环保空调装置），显示屏采用触摸屏，柜内设有照明装置，方便电气人员在灰暗的环境下检修内部的电气元件，柜体上除装有各部件运转指示灯外，还配有4 个电流表，每个电流表对应一台抛丸器，可实时监控所对应抛丸器的电流大小，方便观察丸料流量的变化。操作人员可通过该屏幕实时监测整台设备的运行状态以及故障信息，并及时做出调整。

触摸屏设有定时功能，用户可根据不同产品需要达到的清理效果设定不同参数来控制抛丸清理时间，同时显示屏也可显示每个抛丸工位的实时抛丸时间。另外，柜体上设有两块累时器，其中一块累时器对抛丸器的抛丸工作时间进行统计显示，另一块累时器则显示设备整体运行的总时间。本机主要运转部件均配有故障声光报警功能，如遇故障就会报警显示并停机，操作人员通过显示屏中的故障信息可以方便快捷地找出故障点并加以排除。控制柜另设有紧急停止按钮，确保设备在任何故障或安全隐患状态下能够立即停止系统工作，有效保障了操作人员的人身安全以及设备的运行安全。

3 结束语

单钩三工位吊挂式抛丸清理机目前已应用于生产风电铸件及车床铸件等铸造厂中，清理效果显著，成为了此类铸件表面清理设备的优选机型之一。三工位抛丸清理模式的设置，切实解决了铸件表面一次清理不到位的问题，有效缩短了工件清理的时间，降低了生产成本，提高了企业生产效率。