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數(shù)控噴丸丸料流速的原理

2018-8-16    來源：    作者：佚名  瀏覽次數(shù)：5787

數(shù)控噴丸的工作原理。丸料通過噴嘴中的壓縮空氣進(jìn)行加速。噴嘴中氣流的最大速度可以達(dá)到聲速，即在20℃的溫度下達(dá)到340m/s。丸料可以通過以下三種中任意一種的方式和壓縮空氣匯合，即虹吸式、重力式或者直接供料式。噴出的丸料速度一般可以達(dá)到100m/s。丸料的速度決定了丸料的能量（能量公式1/2mv2），即決定了噴丸強(qiáng)度。要達(dá)到噴丸的有效性和可控性的目的，和其它的參數(shù)相比，丸粒的速度是我們首先要控制的參數(shù)。能夠影響丸粒速度的幾個(gè)參數(shù)都需要進(jìn)行控制�？諝饬骱屯枇５乃俣瓤赏ㄟ^流體力學(xué)和彈道學(xué)進(jìn)行研究。大學(xué)圖書館里的一排排教科書默默見證了這些學(xué)科的復(fù)雜性�，F(xiàn)在，我們對(duì)定量地分析丸粒加速的影響因素有著實(shí)際的需求。

噴丸的丸料加速過程可以分為以下三個(gè)階段：

1-壓縮空氣流，

2-丸料混入壓縮空氣流，

3-丸料通過壓縮空氣流進(jìn)行加速。

本文列出了一個(gè)一般方程可以用于預(yù)測(cè)丸料尺寸、形狀和噴嘴中的壓縮空氣壓力對(duì)于丸料速度的影響。

1 空氣流

1.1壓縮空氣

如果讓丸料加速，那么首先要有充足的壓縮空氣供應(yīng)。對(duì)于不同直徑的噴嘴所需要的氣體供應(yīng)量，噴嘴制造商有相關(guān)的手冊(cè)進(jìn)行介紹。同時(shí)手冊(cè)也會(huì)介紹如果要使噴嘴中的空氣壓力穩(wěn)定在一個(gè)范圍，空氣壓縮的效率（壓縮比）也應(yīng)該有相應(yīng)的要求。不幸的是，空氣壓縮的效率經(jīng)常使用一個(gè)比較模糊的單位，比如“CFM”（立方英尺每分鐘）。工業(yè)上比較清晰的單位是“SCFM”（標(biāo)準(zhǔn)立方英尺每分鐘），該單位前面的“標(biāo)準(zhǔn)”加入了一些限定的條件，比如1.0 atm（1.0標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，14.7psi）、溫度20℃以及36%的濕度�！癆CFM”是實(shí)際立方英尺每分鐘，表示每分鐘通入管道的壓縮空氣的實(shí)際流量，該單位并不考慮壓縮比。例如，如果一個(gè)壓縮機(jī)在1個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下吸入的空氣流量為100CFM，然后壓縮成5個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓的壓縮空氣，那么輸入的流量為100SCFM，輸出的流量為20ACFM。

壓力表顯示的數(shù)值與大氣環(huán)境相關(guān)，而不僅僅是絕對(duì)的壓力值。這意味著如果沒有任何壓力，那么壓力表的讀數(shù)為零。壓縮比用CR表示，那么CR=（1+P），其中P表示的是在大氣環(huán)境下的壓力表的讀數(shù)。

在大氣環(huán)境下的空氣的密度大約為1.2Kgm-3。如果我們對(duì)空氣再額外地加壓一個(gè)大氣壓（14.7psi），即P=1，那么CR=2，壓縮空氣的密度相應(yīng)地增加了一倍。如果我們對(duì)空氣加壓到7個(gè)大氣壓的壓力，那么壓縮空氣的密度需要乘以8。一般情況下，壓縮空氣的密度為CR乘以1.2Kgm-3。這就是噴丸設(shè)備中通入供氣管道里的“沉重的空氣”。圖1說明了“沉重的空氣”的制造過程。

                       

圖1. 外部的壓力造成內(nèi)部“沉重的空氣”，atm=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓


1.2管道中的空氣流

從空氣壓縮機(jī)中出來的壓縮空氣進(jìn)入到儲(chǔ)氣罐中并輸送到空氣輸送管道中，最好在輸送之前經(jīng)過空氣干燥設(shè)備（例如冷干機(jī)）進(jìn)行除水干燥。壓縮空氣會(huì)沿著管道流動(dòng)，然后通到丸料供給系統(tǒng)和噴嘴系統(tǒng)中。壓力罐可以使壓縮機(jī)出來的波動(dòng)的壓縮空氣變得平穩(wěn)并能夠?qū)嚎s空氣進(jìn)行儲(chǔ)存。需要在空氣供應(yīng)系統(tǒng)中布置一個(gè)或多個(gè)壓力控制閥（PCV）。壓縮空氣在管道的開始處的壓力為P1，經(jīng)過長為L的管道輸送后，在末端的噴嘴處的壓力為P2，如圖2所示。

圖2. 壓縮空氣輸送過程示意圖（非真實(shí)比例圖）


壓力控制閥是空氣壓力的最主要的控制機(jī)構(gòu)。如果增加壓力，我們期望軟管中的空氣流速也會(huì)增加。我們需要考慮的一個(gè)重要的因素就是空氣壓縮機(jī)的額定功率到底有多大�？諝鈮嚎s機(jī)把空氣充入儲(chǔ)氣罐的速度一定要高于實(shí)際使用掉的速度。我們可以拿汽車上的發(fā)電機(jī)和蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行類比。如果蓄電池的的輸出量一直大于發(fā)電機(jī)的輸入量，那么我們最終只能得到一個(gè)缺電的蓄電池。

我們可以把空氣流速比作電流。要計(jì)算出電流，我們需要知道一個(gè)電線兩端的勢(shì)差。同樣地，要計(jì)算出空氣流速，我們需要知道空氣輸送管道兩端的壓力差。例如，（P1- P2）是空氣輸送管道兩端的壓力差，由該壓力差引起的空氣流速為Q。（P1- P2）是有用的工藝控制參數(shù)。（P1- P2）的變化可以是突發(fā)的，也可以是漸變的。如果（P1- P2）= P1，那么軟管可能破裂了，如果（P1- P2）= 0，那么丸料可能在噴嘴處堵塞了。在實(shí)際使用中，（P1- P2）發(fā)生逐漸變化的原因是由于噴嘴逐漸磨損。如果噴嘴的直徑增加，那么（P1- P2）會(huì)逐漸增加（假設(shè)P1一直維持在一個(gè)恒定的值，P1恒定在工業(yè)上是很容易實(shí)現(xiàn)的）。

值得注意的是，壓降（P1- P2）意味著“能量損失”。在空氣輸送管道中以一個(gè)恒定的速度推動(dòng)空氣做的功為W，W=P.V，其中V表示空氣的體積。“有用的能量”主要是在管道尾端的噴嘴處起作用，用P2.V表示。因此“能量損失”可以用（P1-P2）.V表示。

從上述可知，我們可以減少（P1- P2）來節(jié)能。首先與能量損失有關(guān)的參數(shù)是軟管的長度L，能量損失與L成正比，因此應(yīng)該避免使用過長的軟管。另外一個(gè)與能量損失有關(guān)的重要參數(shù)是軟管的內(nèi)徑D。對(duì)于給定的空氣流速，壓降和D4成反比（僅是一個(gè)大約的關(guān)系）。把軟管的直徑增加一倍，那么壓降可以下降十六倍，然而如果把軟管的長度縮短一倍，壓降也只能將一倍。

1.3噴嘴中的空氣流

我們第二個(gè)需求就是在噴嘴中對(duì)空氣流進(jìn)行加速。有一個(gè)流體加速的機(jī)理是大家比較熟悉的。如果在花園澆花，我們會(huì)發(fā)現(xiàn)軟管中水流的速度比較慢。但是當(dāng)水流到達(dá)噴嘴處時(shí)，如果噴嘴的橫截面積是軟管的1/4倍，那么水流的速度將在噴嘴處增加4倍。該原理同樣適用氣流加速，直至氣流的速度達(dá)到臨界值（聲速）。圖3解釋了上述原理。

圖3. 壓縮空氣從管道到達(dá)噴嘴的過程中速度發(fā)生的變化


如圖3所示，假設(shè)管道中有一個(gè)圓柱體的空氣，體積為A1.L1，此時(shí)的速度為v1。當(dāng)該圓柱體的空氣到達(dá)噴嘴里面時(shí)，其體積沒有發(fā)生變化（假設(shè)空氣的密度沒有發(fā)生變化），但是其尺寸發(fā)生了變化，截面積為A2、長度為L2以及速度為v2。既然A1.L1=A2.L2，那么v2= v1.A1/A2。如果v1.A1=Q，那么我們可以得到下式：

v2=Q/A2                                （1）

如果Q為10升/秒，噴嘴的橫截面積為40mm2，那么由公式（1）可以得出v2為250m/s。該值為空氣在噴嘴中的一個(gè)橫截面的平均速度，實(shí)際上在該橫截面的不同位置，空氣的速度是不同的。

公式（1）僅在v2達(dá)到極限值之前適用，在實(shí)際過程中，噴嘴的空氣壓力通常非常高以至于會(huì)產(chǎn)生“阻塞流”。圖4用了一個(gè)簡(jiǎn)單的圖示說明了隨著噴嘴中空氣壓力的增加空氣速度發(fā)生的變化（假設(shè)噴嘴外部周圍的大氣壓力為1atm）。和噴丸系統(tǒng)中其它區(qū)域不同，噴嘴中壓力會(huì)產(chǎn)生一定的壓力差，造成在噴嘴的最狹窄位置產(chǎn)生“音障”的現(xiàn)象。當(dāng)壓力差達(dá)到1.9atm時(shí)，“音障”的現(xiàn)象就會(huì)出現(xiàn)。因?yàn)樵谒械膶?shí)際噴丸的過程中，噴嘴中的壓力差都會(huì)超過2atm（29.4psi），無論噴嘴中空氣壓力和噴嘴直徑有多大或多小，那么在噴嘴中的空氣速度都將會(huì)達(dá)到一個(gè)固定的極限值。當(dāng)然，前提是壓縮空氣的供應(yīng)要充足。

圖4. 壓縮空氣速度與壓力的變化關(guān)系


如果噴嘴中的壓縮空氣最終達(dá)到了一個(gè)極限恒定值，我們就要問了，“如果空氣壓力的增加最終不影響空氣的速度的話，那么會(huì)影響什么呢？”。答案是當(dāng)壓力進(jìn)一步增加時(shí)，空氣將進(jìn)一步得到壓縮，所以空氣有著更高的密度，但速度還是一樣的。噴嘴壓力的增加只能使空氣的“質(zhì)量流量”增加。換句話說，“當(dāng)噴嘴中空氣壓力增加時(shí)，噴出來的是更重的空氣，但空氣的速度是一樣的”。

噴嘴中壓縮空氣的速度極限值取決于噴嘴的設(shè)計(jì)方式并可以從噴嘴制造商提供的“噴嘴性能表”中找到相關(guān)的數(shù)值。一般情況下，無論噴嘴中的壓力和直徑的大小，噴嘴中空氣的速度為207±1m/s（678±2fps）。噴嘴中壓縮空氣的速度可以用氣體流量除以壓縮比得到ACFM，然后在除以噴嘴的橫截面積。