第十三期 噴丸與拋丸的丸料加速機理對比
發布時間:2017/1/25 11:50:52

引 言                                                                                                        

    噴丸時丸料的束流包含了快速流動的空氣和丸料。通過噴丸產生束流包含兩個重要的因素:首先是要產生有著合適速度的快速流動的氣體,其次是把丸料混入到快速流動的氣體中(見圖1)。

 

圖1. 噴丸中直接供料系統


    拋丸時丸料會沿著旋轉的金屬葉片移動直到葉片的邊緣位置。空氣伴隨著丸料一起運動,在葉片的頂端位置兩者達到相似的速度。圖2解釋了在拋丸中丸料運動的關鍵特征。通過拋丸產生束流包含幾個重要的因素:1、把丸料送入到拋頭的中間位置,2、加速丸料直至其到達控制艙的出口位置,3、控制葉片的轉速。

    在前兩期的文章中,已經介紹了噴丸和拋丸的丸料加速機理。一些相關的理論也會在本篇文章中繼續用到。本篇文章一個重要的擴展就是討論丸料的束流離開噴嘴后的運動特征。

    噴丸和拋丸產生的丸流量的差異是很大的,各有其優點和缺點。除了旋片噴丸,在過去的半個世紀中關于丸料的加速方式方面沒有顯著的進展。本篇文章除了講述噴丸和拋丸的一些過程變量外,也探討一下今后可能的新的發展趨勢。文章中會包含一些重要的公式,但需要強調的是這些公式的使用并不需要數學的專業知識。

 

圖2. 拋丸的丸料加速系統


噴丸的丸料加速

    我們可以通過控制壓縮空氣的參數來控制丸料的速度。壓縮空氣最重要的參數就是噴嘴中的空氣壓力。在噴嘴中增加空氣壓力可以增加壓縮空氣的密度,如圖3所示。

 

圖3.外部的壓力造成內部“較重的空氣”,atm=標準大氣壓


噴嘴空氣速度

    有一個重要的原理就是:

    無論在什么形式的管道中,壓縮空氣的最大速度是空氣中的音速。

    噴嘴中空氣速度隨空氣壓力的變化如圖4所示。如果噴嘴中空氣的壓力是一個大氣壓(和噴嘴外部的空氣壓力相同),那么在噴嘴中沒有明顯的空氣流動。如果我們逐漸地增加噴嘴中的空氣壓力,那么空氣的速度會隨之增加。如果噴嘴中的空氣壓力達到兩個大氣壓,那么空氣速度將達到一個極限值,那就是空氣中的聲速。如果再進一步地增加噴嘴中的空氣壓力,噴嘴中的空氣速度將不會繼續增加!此時增加的是空氣的密度。

 

圖4.噴嘴中的空氣密度對空氣速度的影響


    需要注意的是,噴嘴中的極限空氣速度是在噴嘴的軸線位置,在噴嘴的側壁上,空氣速度最小(幾乎為零),如圖5所示。普通直噴嘴的空氣速度預測是比較簡單的。文丘里噴嘴的空氣速度預測更為復雜。

  

圖5 噴嘴中氣流速度的分布

    沿著噴嘴的軸線,氣流速度的極限是聲速。遠離軸線位置的氣流由于受到噴嘴側壁摩擦力的作用而減速。因此,在噴嘴軸線到噴嘴側壁的區域,氣流的速度是變化的。噴嘴中氣流的平均速度大概是聲速的三分之二。之前的文章提到過,對于大部分的商業用噴嘴,噴槍的平均速度是在210ms-1左右。

噴嘴中丸料的速度

    就像我們之前介紹到的,丸料固體顆粒收到快速流動的氣流的作用而加速。這種加速機理在之前的文章中也已經介紹過了。在介紹這種加速機理的相關公式之前,需要介紹下面的簡單的定性類比分析。



困入到管道中的感覺

    假設我們困入到一個很大直徑的地下管道。如果在管道中沒有空氣流動,那么我們將感受不到空氣的力量。如果空氣的速度達到每秒鐘10米,我們將能明顯地感覺到一個推力,但是這并不足以把我們吹倒。如果在這個管道中流動著相同速度的水流,那么我們將能夠明顯感受到一個更大的推力-足以把我們推倒。這是因為水的密度比空氣的密度更大。如果流體的密度越大,那么它施加的推力也更大。如果空氣速度達到極限以后繼續增大空氣壓力,空氣速度不發生變化,但是空氣的密度增加了,這樣我們可以感受到一個更大的推力。如果把空氣壓力加倍,在尾部開放的管道的軸向位置的氣流速度已經達到了聲速。這種高速的氣流將會以一個更高的速度推動我們沿著管道移動。




                           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“阻力系數”(該值是無量綱數,取決于物體的形狀,對于一個光滑的球體CD≈0.5),ρA是壓縮空氣的密度,s=丸粒開始加速后移動的距離,d=平均丸粒直徑,ρS是丸料的密度,va是空氣流的速度,vs是丸粒的速度。(va-vs)定義為丸粒相對于空氣流的“相對速度”。

    公式(1)可能看起來有點復雜,我們沒有必要為了使用這個公式而要成為一個數學家。最簡單的方法就是使用Excel電子表,把公式(1)重新整理一下。表1顯示了如何用下面的公式計算出丸粒的速度:

C11=C9*((1.5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0.5/(1+((1.5*C3*C5*C4*C8)/(C6*C7))^0.5)

    電子表可以簡單方便地得出特定參數隨變量的變化而變化的曲線。也可以使用電子表得出其它參數變化對丸粒的速度影響的大小。


表1 使用Excel計算的從噴嘴中出來的丸料的速度

 


從噴嘴中出來的氣流

    空氣是一種可以壓縮的流體。當壓縮空氣從噴嘴中噴出之后,它會以最快的速度擴散到大氣中。在圖6中,VS表示了空氣的側向速度,VF表示了空氣的向前速度,使用這兩個速度代表空氣擴散的效果。圖6的狀態符合當噴嘴中的壓力為4atm是,氣流擴散后的直徑是噴嘴直徑的兩倍。

    研究氣流的一個基本問題就是空氣是看不見的。在其它工業領域中,通常在氣流中通入煙霧來進行研究。研究的一個重要區域就是靠近噴嘴出口的位置。圖7表示的是在一個透明的管中塞入發泡塑料。塑料處于壓縮的狀態,當它從管(A處的形狀和圖6中虛線的形狀相同)中出來的時候可以模擬壓縮空氣噴出的狀態。直線C與發泡塑料的邊緣相切,放入圖中為了表示噴出氣流的圓錐體的形狀。

    氣流的圓錐體的形狀一致保持到從氣流噴出來開始到超過噴丸的距離結束。

 

圖6 氣流離開噴嘴后的狀態


 

圖7 在管子中塞入可壓縮物體的模型


從噴嘴中出來的丸流

    目前已經采用直接的方法(高速攝像機)和間接的方法(檢查平板上的噴丸后的凹坑)研究離開噴嘴后的丸流。有一個重要的問題就是:“當丸料從圓筒形噴嘴中噴出后為什么是圓錐體的形狀?”。答案就在圖6的的側向速度,VS。離噴嘴的中軸線越遠,VS越大。氣流的側向移動促使著其中的丸料也會產生輕微的側向移動,最終產生了圓錐體的形狀。

    當丸料從噴嘴中噴出之后,丸料的運動速度會比氣流的運動速度慢。這意味著丸料會進一步的加速,直到丸料的速度和氣流的速度相同。因此我們會得到最大丸料速度的“最佳點”。之前的研究證明噴丸強度會在“最佳點”處達到最大值(一般情況下為離開噴嘴的距離250mm)。過了“最佳點”后,空氣速度低于丸料的速度,丸料開始減速。


拋丸的丸料加速

    關于拋丸的丸料加速在之前的文章中已經介紹過了。丸料是在快速旋轉葉片的離心力的作用下加速的。每個丸料從葉片的頂部離開時,都具有兩個速度,VT和VR,其中VT是切向速度,VR是徑向速度,它們是丸粒的總的速度VS的兩個矢量,如圖8所示。

 

圖8.即將離開葉片頂端的丸粒的結合速度矢量


    在之前的文章中已經講過,丸料離開葉片頂部時的速度VS的影響因素有葉輪速度N,葉片長度L和葉輪半徑R。這些因素如圖9所示。推導VS的等式為:

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

    公式(2)具備以下幾種用途:

    例1 計算拋出的丸料的速度,VS

    假設葉輪的旋轉速度為50 r.p.s,即N=50s-1,R=0.2m,L=0.1m。把這些數據代入到等式(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 計算不同的葉片長度對丸料速度的影響

    例如,在上一個例子中,如果葉片的長度僅為0.05m,那么我們可以得到:

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

    在上面的兩個例子中,丸料速度的差異看起來比較小,但是我們需要記住的是丸料動能是與其速度的平方成正比的。當丸料的速度是83ms-1時,其具有的動能比丸料的速度是75ms-1時要大22.5%。

 

圖9. 拋丸的變量對丸料速度的影響 


兩種丸料加速方式的對比

    傳統的丸流產生的方式主要是兩種方法-噴丸和拋丸。兩種加速丸料的方法分別比較類似于噴氣式滑雪和漿輪船的工作機理。“圈外的思考”可能是發掘其它方法的一種比較好的方法。在這一節中,我們將討論兩種可能的替代方式。

直接空氣壓縮

    噴丸中的壓縮空氣通常發揮的間接的作用。首先空氣壓縮至一個壓載艙中,然后通過軟管供給到噴丸室中。有一個思路就是通過一個小的獨立的壓縮機直接連到每個噴嘴上。圖10就是這種思路的圖解。

 

圖10. 壓縮空氣直接驅動系統


    這個直接的驅動系統可以避免傳統的軟管輸送的模式。變速傳動將和壓力傳感器配合進行一個閉合環路控制。

螺旋丸料推進

    把拋丸與漿輪船進行對比后引發了一個想法,那就是可以采用更有效率的螺旋推進的方式進行丸料加速。螺旋推進的方法廣泛應用于固體和液體(普通轉速)以及氣體(高速轉速)的介質中。在經過一些文獻專著的研究之后,沒有發現在固體介質中的任何高速轉速的應用。但這并不意味著這種方法就不可行。圖11呈現了采用壓縮空氣和阿基米德聯合推動的方法。螺旋裝置可以與外部的汽缸相連,也可以在一個靜態的汽缸中加壓。這種結合方式可以在高精度低效率的噴丸和低精度高效率的拋丸之間找到另外一種中間狀態的丸料加速方式。

 

圖11 空氣壓縮機和螺旋式壓縮機結合的丸料加速方式示意圖


結論

    噴丸是一種完全取決于過程控制的工藝。目前覆蓋率和噴丸強度等參數已經廣泛應用了。噴丸的過程控制取決于這些參數的聯合作用。這些聯合作用可以用圖示或等式或兩者結合的方法進行表達。在這篇文章中,主要研究了單個參數對丸流的影響。可以充分利用Excel表格來研究單個參數變化對函數值的影響。我們只需要把各個參數值輸入到Excel表格的公式中,然后按下“確定”鍵就可以研究這些參數對丸料速度的影響了。

    噴丸技術的不斷進步需要我們在目前噴丸裝備上做出或大或小的改進。可能目前在改進路上的最大的障礙就是我們的態度,“我們一直用的就是這種方法并且很有效,那我們為什么要改變呢”。我們只有不斷的創新才能帶來收益的增長。在本篇文章中給出了兩個例子,可能能指出今后可以作出改變的地方。


httpwww色午夜com日本