三門(mén)峽西三元材料發(fā)展有限公司
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數(shù)控噴丸的工作原理。丸料通過(guò)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(guò)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^(guò)流體力學(xué)和彈道學(xué)進(jìn)行研究。大學(xué)圖書(shū)館里的一排排教科書(shū)默默見(jiàn)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(guò)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(guò)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。“ACFM”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(méi)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(shuō)明了“沉重的空氣”的制造過(guò)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(lái)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(guò)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(lái)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(kāi)始處的壓力為P1,經(jīng)過(guò)長(zhǎng)為L(zhǎng)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(guò)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。空氣壓縮機(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(chē)上的發(fā)電機(jī)和蓄電池系統(tǒng)進(jìn)行類(lèi)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!坝杏玫哪芰俊敝饕窃诠艿牢捕说膰娮焯幤鹱饔茫肞2.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(lái)節(jié)能。首先與能量損失有關(guān)的參數(shù)是軟管的長(zhǎng)度L,能量損失與L成正比,因此應(yīng)該避免使用過(guò)長(zhǎng)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(zhǎng)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(guò)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(méi)有發(fā)生變化(假設(shè)空氣的密度沒(méi)有發(fā)生變化),但是其尺寸發(fā)生了變化,截面積為A2、長(zhǎng)度為L(zhǎng)2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(guò)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(shuō)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?chē)拇髿鈮毫?atm)。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(guò)程中,噴嘴中的壓力差都會(huì)超過(guò)2atm(29.4psi),無(wú)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(wèn)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(shuō),“當(dāng)噴嘴中空氣壓力增加時(shí),噴出來(lái)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(wú)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。