摘要:對于機械進丸拋丸器,通過試驗并結合理論計算,分析了氣流參數對彈丸運動過程的影響.結果表明,當拋丸量較小時,氣流通道暢通,其對彈丸有一定影響;隨著拋丸量的增大,氣流通道不斷受阻,其對彈丸的影響逐漸減弱.

   機械進丸拋丸器作為拋丸清理設備中的彈丸加速裝置,以其高效低能耗,勞動強度低,自動化程度高,清理效果好等優點而得到廣泛應用.其結構原理如圖1所示[1].

圖1機械進丸拋丸器的結構原理圖

1.2、試驗方法：
  為了獲得拋丸器的氣流參數,設計如下試驗:
(1)在正常工作條件下,不加入彈丸,測量拋丸器的空載電壓和空載功率.
(2)在正常工作條件下,加入彈丸使拋丸器達到最大拋丸量,測量其此時的負載電壓和負載功率.
(3)將進丸管、分丸輪和定向套拆下,保持進丸口暢通,測量拋丸器的空載電壓和空載功率.
(4)將進丸管、分丸輪和定向套拆下,將進丸口密封,測量拋丸器的空載電壓和空載功率.測得試驗結果如表2所示。

表2不同狀態下測得的電壓和功率

2、試驗結果分析：
   現根據試驗結果,結合理論計算,對拋丸器中的氣流參數進行分析.
(1)比較試驗3和試驗4的結果,假設拋丸器除了進出口外,其他地方均密封良好,則“進丸口密封”和“進丸口暢通”兩種狀態消耗的功率之差即可認為是空氣消耗的功率,即　　N空1= 4.50- 2.82= 1.68 kW.
   此時,空氣消耗的功率占進丸口暢通時消耗功率的37.33%(1.68/4.50),即效率為.37,而正常工況的鼓風機其效率均在0.75以上[2].因此,在這種狀態下,就驗證了“拋丸器的鼓風性能相當于一臺結構和性能都不甚良好的離心式鼓風機”這一說法的正確性[3].
(2)比較試驗1和試驗4的結果,假設正常空載時分丸輪消耗的功率可以忽略,則“正常空載”和“進丸口密封”兩種狀態消耗的功率之差也可認為是空氣消耗的功率,即　N空2= 3.20- 2.82= 0.38 kW.
   此時,空氣消耗的功率占正常空載功率的11.88%(0.38/3.20),其效率為0.12;占正常負載功率的3.06%(0.38/12.40),其效率為0.03.由此可見,此時拋丸器的鼓風性能更差.而空氣消耗的功率與有關資料介紹的數據基本吻合[4].
(3)由式(1)和式(2)易知N空1= 4.42 N空2,這說明,拋丸器正常工作時,由于進丸管、分丸輪和定向套的存在(特別是定向套),使空氣在拋丸器中的流動通道受阻,從而使空氣消耗的功率大幅度降低.特別是拋丸器負載工作時,加之彈丸流的存在,進一步降低了空氣消耗的功率.因此,由于空氣流動通道受阻,拋丸器在正常工作時的鼓風性能相當差.

3、理論分析：
3.1、拋丸器內的理論全壓：
當葉輪直徑D一定,轉速n一定時,對于徑向直葉片葉輪,拋丸器內產生的理論全壓為[5]:P= 0.6073ρ0u22,
式中:u2為出口處葉片外緣的圓周速度,ρ0為空氣密度.
式(3)表明,當拋丸器的轉速和葉輪直徑一定時,理論全壓為一定值,不隨空氣流量的變化而變化.
本試驗中,D= 0.42 m,n = 2500 r/min,ρ0= 1.205 kg/m3.
則拋丸器內部的理論全壓為:　　P= 2211.9 Pa.
3.2、空氣消耗的功率和空氣流量：
拋丸器中空氣消耗的功率N空為[5]:
　N空= P Q,
式中:P為理論全壓, Q為拋丸器中的空氣流量.
當轉速一定時拋丸器內部的理論全壓為一恒定值,所以,拋丸器中空氣的流量只與消耗的功率有關.
由歐拉方程得,空氣消耗的理論功率為:　N空理= P/ρ0= 2211.9/1.205= 1835.60 W.
   則當N空理= 1835.60 W,N空1= 1.68 kW,N空2= 0.38 kW時,相應的空氣流量分別為:Q空理= 0.83 m3/s= 49.8 m3/min= 2988 m3/h, Q空1= 0.76 m3/s= 45.6 m3/min= 2736 m3/h,Q空2= 0.17 m3/s= 10.2 m3/min= 612 m3/h
   對Q空理、Q空1和Q空2的結果進行分析得,在正常工作條件下,由于進丸管、分丸輪和定向套的存在,空氣在拋丸器內的流動通道受阻,Q空2較Q空理和Q空1相差很大.特別是當進丸管中充滿彈丸時,空氣在拋丸器中的流量將進一步降低.因此,一方面由于空氣流量減小,另一方面加之拋丸量增大,從而使空氣對每個彈丸的作用將變得微乎其微.
3.3、彈丸受力分析：
以一個在分丸輪中運動的彈丸進行分析,它必定受本身重力G、空氣壓力F和分丸輪施加的離心力Fe的作用.重力、空氣壓力和離心力的計算公式如下:
彈丸重力　G= m g=(πρg d3)/ 6,
空氣壓力　F= P S=(π P d2)/ 4, 
離心力　Fe= m rω 2,
   式中:m為彈丸質量,P為理論全壓,S為彈丸截面積,d為彈丸直徑,ω為分丸輪角速度,ρ為彈丸密度(ρ= 7000 kg·m- 3),r為分丸輪內徑(r= 28 mm).
   當彈丸直徑d分別為1 mm、1.5 mm和2 mm時,根據式(6)、式(7)和式(8),其所受的重力、空氣壓力和離心力的大小如表3所示.

分析表3中的各項指標,可得到以下結論:
(1)彈丸在拋丸器中運動時其重力可忽略不計.
(2)空氣壓力對彈丸的影響應根據具體條件作具體分析.由于隨著彈丸直徑的增大,空氣壓力對彈丸的作用不斷減弱.所以,當拋丸器內的彈丸較少時,空氣壓力對彈丸的作用不應忽視.但在正常情況下,拋丸器內的彈丸流量較大,此時空氣壓力對彈丸的作用也將逐漸減弱.
(3)由于計算彈丸離心力Fe時,半徑r取的是最小值(28 mm),隨著彈丸離心半徑的增大,空氣壓力對彈丸的作用將逐漸減小.
4、結論：