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第十三期 喷丸与抛丸的丸料加速机理对比
发布时间:2017/1/25 11:50:52

引 言                                                                                                        

    喷丸时丸料的束流包含了快速流动的空气和丸料。通过喷丸产生束流包含两个重要的因素:首先是要产生有着合适速度的快速流动的气体,其次是把丸料混入到快速流动的气体中(见图1)。

 

图1. 喷丸中直接供料系统


    抛丸时丸料会沿着旋转的金属叶片移动直到叶片的边缘位置。空气伴随着丸料一起运动,在叶片的顶端位置两者达到相似的速度。图2解释了在抛丸中丸料运动的关键特征。通过抛丸产生束流包含几个重要的因素:1、把丸料送入到抛头的中间位置,2、加速丸料直至其到达控制舱的出口位置,3、控制叶片的转速。

    在前两期的文章中,已经介绍了喷丸和抛丸的丸料加速机理。一些相关的理论也会在本篇文章中继续用到。本篇文章一个重要的扩展就是讨论丸料的束流离开喷嘴后的运动特征。

    喷丸和抛丸产生的丸流量的差异是很大的,各有其优点和缺点。除了旋片喷丸,在过去的半个世纪中关于丸料的加速方式方面没有显著的进展。本篇文章除了讲述喷丸和抛丸的一些过程变量外,也探讨一下今后可能的新的发展趋势。文章中会包含一些重要的公式,但需要强调的是这些公式的使用并不需要数学的专业知识。

 

图2. 抛丸的丸料加速系统


喷丸的丸料加速

    我们可以通过控制压缩空气的参数来控制丸料的速度。压缩空气最重要的参数就是喷嘴中的空气压力。在喷嘴中增加空气压力可以增加压缩空气的密度,如图3所示。

 

图3。外部的压力造成内部“较重的空气”,atm=标准大气压


喷嘴空气速度

    有一个重要的原理就是:

    无论在什么形式的管道中,压缩空气的最大速度是空气中的音速。

    喷嘴中空气速度随空气压力的变化如图4所示。如果喷嘴中空气的压力是一个大气压(和喷嘴外部的空气压力相同),那么在喷嘴中没有明显的空气流动。如果我们逐渐地增加喷嘴中的空气压力,那么空气的速度会随之增加。如果喷嘴中的空气压力达到两个大气压,那么空气速度将达到一个极限值,那就是空气中的声速。如果再进一步地增加喷嘴中的空气压力,喷嘴中的空气速度将不会继续增加!此时增加的是空气的密度。

 

图4。喷嘴中的空气密度对空气速度的影响


    需要注意的是,喷嘴中的极限空气速度是在喷嘴的轴线位置,在喷嘴的侧壁上,空气速度最小(几乎为零),如图5所示。普通直喷嘴的空气速度预测是比较简单的。文丘里喷嘴的空气速度预测更为复杂。

  

图5 喷嘴中气流速度的分布

    沿着喷嘴的轴线,气流速度的极限是声速。远离轴线位置的气流由于受到喷嘴侧壁摩擦力的作用而减速。因此,在喷嘴轴线到喷嘴侧壁的区域,气流的速度是变化的。喷嘴中气流的平均速度大概是声速的三分之二。之前的文章提到过,对于大部分的商业用喷嘴,喷枪的平均速度是在210ms-1左右。

喷嘴中丸料的速度

    就像我们之前介绍到的,丸料固体颗粒收到快速流动的气流的作用而加速。这种加速机理在之前的文章中也已经介绍过了。在介绍这种加速机理的相关公式之前,需要介绍下面的简单的定性类比分析。



困入到管道中的感觉

    假设我们困入到一个很大直径的地下管道。如果在管道中没有空气流动,那么我们将感受不到空气的力量。如果空气的速度达到每秒钟10米,我们将能明显地感觉到一个推力,但是这并不足以把我们吹倒。如果在这个管道中流动着相同速度的水流,那么我们将能够明显感受到一个更大的推力-足以把我们推倒。这是因为水的密度比空气的密度更大。如果流体的密度越大,那么它施加的推力也更大。如果空气速度达到极限以后继续增大空气压力,空气速度不发生变化,但是空气的密度增加了,这样我们可以感受到一个更大的推力。如果把空气压力加倍,在尾部开放的管道的轴向位置的气流速度已经达到了声速。这种高速的气流将会以一个更高的速度推动我们沿着管道移动。




                           vs=(1.5.CD. ρA.s/π.d. ρS0.5(va-vs)                      (1)

    其中vS=丸料的平均速度,其中CD是指“阻力系数”(该值是无量纲数,取决于物体的形状,对于一个光滑的球体CD≈0.5),ρA是压缩空气的密度,s=丸粒开始加速后移动的距离,d=平均丸粒直径,ρS是丸料的密度,va是空气流的速度,vs是丸粒的速度。(va-vs)定义为丸粒相对于空气流的“相对速度”。

    公式(1)可能看起来有点复杂,我们没有必要为了使用这个公式而要成为一个数学家。最简单的方法就是使用Excel电子表,把公式(1)重新整理一下。表1显示了如何用下面的公式计算出丸粒的速度:

C11=C9*((1。5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0。5/(1+((1。5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0。5)

    电子表可以简单方便地得出特定参数随变量的变化而变化的曲线。也可以使用电子表得出其它参数变化对丸粒的速度影响的大小。


表1 使用Excel计算的从喷嘴中出来的丸料的速度

 


从喷嘴中出来的气流

    空气是一种可以压缩的流体。当压缩空气从喷嘴中喷出之后,它会以最快的速度扩散到大气中。在图6中,VS表示了空气的侧向速度,VF表示了空气的向前速度,使用这两个速度代表空气扩散的效果。图6的状态符合当喷嘴中的压力为4atm是,气流扩散后的直径是喷嘴直径的两倍。

    研究气流的一个基本问题就是空气是看不见的。在其它工业领域中,通常在气流中通入烟雾来进行研究。研究的一个重要区域就是靠近喷嘴出口的位置。图7表示的是在一个透明的管中塞入发泡塑料。塑料处于压缩的状态,当它从管(A处的形状和图6中虚线的形状相同)中出来的时候可以模拟压缩空气喷出的状态。直线C与发泡塑料的边缘相切,放入图中为了表示喷出气流的圆锥体的形状。

    气流的圆锥体的形状一致保持到从气流喷出来开始到超过喷丸的距离结束。

 

图6 气流离开喷嘴后的状态


 

图7 在管子中塞入可压缩物体的模型


从喷嘴中出来的丸流

    目前已经采用直接的方法(高速摄像机)和间接的方法(检查平板上的喷丸后的凹坑)研究离开喷嘴后的丸流。有一个重要的问题就是:“当丸料从圆筒形喷嘴中喷出后为什么是圆锥体的形状?”。答案就在图6的的侧向速度,VS。离喷嘴的中轴线越远,VS越大。气流的侧向移动促使着其中的丸料也会产生轻微的侧向移动,最终产生了圆锥体的形状。

    当丸料从喷嘴中喷出之后,丸料的运动速度会比气流的运动速度慢。这意味着丸料会进一步的加速,直到丸料的速度和气流的速度相同。因此我们会得到最大丸料速度的“最佳点”。之前的研究证明喷丸强度会在“最佳点”处达到最大值(一般情况下为离开喷嘴的距离250mm)。过了“最佳点”后,空气速度低于丸料的速度,丸料开始减速。


抛丸的丸料加速

    关于抛丸的丸料加速在之前的文章中已经介绍过了。丸料是在快速旋转叶片的离心力的作用下加速的。每个丸料从叶片的顶部离开时,都具有两个速度,VT和VR,其中VT是切向速度,VR是径向速度,它们是丸粒的总的速度VS的两个矢量,如图8所示。

 

图8。即将离开叶片顶端的丸粒的结合速度矢量


    在之前的文章中已经讲过,丸料离开叶片顶部时的速度VS的影响因素有叶轮速度N,叶片长度L和叶轮半径R。这些因素如图9所示。推导VS的等式为:

    VS=(2πN)( R2+2.R.L-L2)0.5                       (2)

    公式(2)具备以下几种用途:

    例1 计算抛出的丸料的速度,VS

    假设叶轮的旋转速度为50 r.p.s,即N=50s-1,R=0.2m,L=0.1m。把这些数据代入到等式(2)中,可以得到:

    VS=2*π*50(0.22+2*0.2*0.1-0.12)0.5,可以得到VS=83ms-1

    例2 计算不同的叶片长度对丸料速度的影响

    例如,在上一个例子中,如果叶片的长度仅为0.05m,那么我们可以得到:

    VS=2*π*50(0.22+2*0.2*0.1-0.052)0.5,可以得到VS=75ms-1

    在上面的两个例子中,丸料速度的差异看起来比较小,但是我们需要记住的是丸料动能是与其速度的平方成正比的。当丸料的速度是83ms-1时,其具有的动能比丸料的速度是75ms-1时要大22.5%。

 

图9. 抛丸的变量对丸料速度的影响 


两种丸料加速方式的对比

    传统的丸流产生的方式主要是两种方法-喷丸和抛丸。两种加速丸料的方法分别比较类似于喷气式滑雪和浆轮船的工作机理。“圈外的思考”可能是发掘其它方法的一种比较好的方法。在这一节中,我们将讨论两种可能的替代方式。

直接空气压缩

    喷丸中的压缩空气通常发挥的间接的作用。首先空气压缩至一个压载舱中,然后通过软管供给到喷丸室中。有一个思路就是通过一个小的独立的压缩机直接连到每个喷嘴上。图10就是这种思路的图解。

 

图10. 压缩空气直接驱动系统


    这个直接的驱动系统可以避免传统的软管输送的模式。变速传动将和压力传感器配合进行一个闭合环路控制。

螺旋丸料推进

    把抛丸与浆轮船进行对比后引发了一个想法,那就是可以采用更有效率的螺旋推进的方式进行丸料加速。螺旋推进的方法广泛应用于固体和液体(普通转速)以及气体(高速转速)的介质中。在经过一些文献专著的研究之后,没有发现在固体介质中的任何高速转速的应用。但这并不意味着这种方法就不可行。图11呈现了采用压缩空气和阿基米德联合推动的方法。螺旋装置可以与外部的汽缸相连,也可以在一个静态的汽缸中加压。这种结合方式可以在高精度低效率的喷丸和低精度高效率的抛丸之间找到另外一种中间状态的丸料加速方式。

 

图11 空气压缩机和螺旋式压缩机结合的丸料加速方式示意图


结论

    喷丸是一种完全取决于过程控制的工艺。目前覆盖率和喷丸强度等参数已经广泛应用了。喷丸的过程控制取决于这些参数的联合作用。这些联合作用可以用图示或等式或两者结合的方法进行表达。在这篇文章中,主要研究了单个参数对丸流的影响。可以充分利用Excel表格来研究单个参数变化对函数值的影响。我们只需要把各个参数值输入到Excel表格的公式中,然后按下“确定”键就可以研究这些参数对丸料速度的影响了。

    喷丸技术的不断进步需要我们在目前喷丸装备上做出或大或小的改进。可能目前在改进路上的最大的障碍就是我们的态度,“我们一直用的就是这种方法并且很有效,那我们为什么要改变呢”。我们只有不断的创新才能带来收益的增长。在本篇文章中给出了两个例子,可能能指出今后可以作出改变的地方。


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