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di十一期 喷丸过程中的丸liao加速机理
发布shijian:2016/11/25 11:38:05

引 yan                                                                                                        

    作为精控强化的zui主要的fang法,通过yasuo空qi推动丸liao的喷丸de到liao快速的发展。丸liao通过喷嘴中的yasuo空qijin行加速。喷嘴中qiliu的zui大速度可以da到声速,ji在20℃的温度xiada到340m/s。丸liao可以通过以xia三种中任意一种的fangshi和yasuo空qi汇he,ji虹吸shi、重力shi或者直接供liaoshi。喷出的丸liao速度一般可以da到100m/s。

    丸liao的速度决dingliao丸liao的能量(能量公shi1/2mv2),ji决dingliao喷丸强秖uR猟a到喷丸的有效性和可控性的mu的,和其它的参数相bi,丸粒的速度是首xian要控制的参数。能够影响丸粒速度的几个参数都xu要jin行控制。空qiliu和丸粒的速度可通过liuti力xue和弹daoxuejin行yan究。大xue图书guan里的一paipai教科书默默jianzhengliao这些xue科的复杂性。现在,duiding量地fen析丸粒加速的影响因素有着实际的xuqiu。

喷丸的丸liao加速过程可以fen为以xia三个阶duan:

    1-yasuo空qiliu,

    2-丸liao混ruyasuo空qiliu,

    3-丸liao通过yasuo空qiliujin行加速。

    ben文列出liao一个一般fang程可以用于yu测丸liaochi寸、形状和喷嘴中的yasuo空qiya力dui于丸liao速度的影响。

1 空qiliu

1.1yasuo空qi

    如guo让丸liao加速,那me首xian要有充足的yasuo空qi供应。dui于不同謆en兜呐缱焖鵻u要的qiti供应量,喷嘴制造商有相关的手册jin行介绍。同shi手册也会介绍如guo要使喷嘴中祄u誵iya力稳ding在一个穌uanВ誵iyasuo的效率(yasuobi)也应gai有相应的要qiu。不xing的是,空qiyasuo的效率经chang使用一个bi絰ia:膁an位,bi如“CFM”(立fang英chi每fen钟)。工业上bi较qingxi的dan位是“SCFM”(标zhun立fang英chi每fen钟),gaidan位qian面的“标zhun”加ruliao一些限ding的条件,bi如1.0 atm(1.0标zhun大qiya,14.7 psi)、温度20℃以ji36%的湿秖u!癆CFM”是实际立fang英chi每fen钟,表示每fen钟通ru管dao的yasuo空qi的实际liu量,gaidan位并不kao虑yasuobi。例如,如guo一个yasuo机在1个标zhun大qiyaxia吸ru祄u誵iliu量为100CFM,然后yasuo成5个标zhun大qiya的yasuo空qi,那meshuru的liu量为100SCFM,shu出的liu量为20ACFM。

    ya力表显示的数值与大qi环境相关,而不仅仅是绝dui的ya力值。这意味着如guo没有任何ya力,那meya力表的读数为零。yasuobi用CR表示,那meCR=(1+P),其中P表示的是在大qi环境xia的ya力表的读数。

    在大qi环境xia祄u誵i的密度大约为1.2Kgm-3。如guodui空qi再额外地加ya一个大qiya(14.7psi),jiP=1,那meCR=2,yasuo空qi的密度相应地zeng加liao一倍。如guodui空qi加ya到7个大qiya的ya力,那meyasuo空qi的密度xu要乘以8。一般情况xia,yasuo空qi的密度为CR乘以1.2Kgm-3。这jiu是喷丸设备中通ru供qi管dao里的“沉重祄u誵i”。图1薲e鱨iao“沉重祄u誵i”的制造过程。

 

图1. 外部的ya力造成内部“沉重祄u誵i”,atm=标zhun大qiya


1.2管dao中祄u誵iliu

    从空qiyasuo机中出来的yasuo空qijinru到储qi罐中并shu送到空qishu送管dao中,zuihao在shu送之qian经过空qi干燥设备(例如冷干机)jin行除shui干燥。yasuo空qi会沿着管daoliu动,然后通到丸liao供给系tong和喷嘴系tong中。ya力罐可以使yasuo机出来的bo动的yasuo空qi变de平稳并能够duiyasuo空qijin行储存。xu要在空qi供应系tong中布置一个或多个ya力控制fa(PCV)。yasuo空qi在管dao祄ujiΦ膟a力为P1,经过长为L的管daoshu送后,在末端的喷嘴处的ya力为P2,如图2所示。

 

图2. yasuo空qishu送过程示意图(fei真实bi例图)


    ya力控制fa是空qiya力的zui主要祄u刂苹埂H鏶uozeng加ya力,期望软管中祄u誵iliu速也会zeng紋inu要kao虑的一个重要的因素jiu是空qiyasuo机的额ding功率到底有多大。空qiyasuo机把空qi充ru储qi罐的速度一ding要高于实际使用掉的速秖u?梢阅闷瞪系姆ian机和蓄dian池系tongjin行类bi。如guo蓄dian池的的shu出量一直大于发dian机的shuru量,那mezuizhong只能de到一个缺dian的蓄dian池。

    可以把空qiliu速bi作dianliu。要计算出dianliu,xu要知dao一个dian线两端的势差。同样地,要计算出空qiliu速,xu要知dao空qishu送管dao两端的ya力差。例如,(P1- P2)是空qishu送管dao两端的ya力差,由gaiya力差引qi祄u誵iliu速为Q。(P1- P2)是有用的工艺控制参数。(P1- P2)的变化可以是突发的,也可以是渐变的。如guo(P1- P2)= P1,那me软管可能破裂liao,如guo(P1- P2)= 0,那me丸liao可能在喷嘴处堵塞liao。在实际使用中,(P1- P2)发生逐渐变化的yuan因是由于喷嘴逐渐磨损。如guo喷嘴的謆endui黾樱莔e(P1- P2)会逐渐zeng加(假设P1一直维持在一个恒ding的值,P1恒ding在工业上是很容易实现的)。

    值de注意的是,ya降(P1- P2)意味着“能量损失”。在空qishu送管dao謝ing砸桓龊鉪ing的速度推动空qi做的功为W,W=P.V,其中V表示空qi的ti积。“有用的能量”主要是在管daowei端的喷嘴处qi作用,用P2.V表示。因此“能量损失”可以用(P1- P2).V表示。

    从上述可知,可以减少(P1- P2)来节能。首xian与能量损失有关的参数是软管的长度L,能量损失与L成正bi,因此应gai避免使用过长的软管。另外一个与能量损失有关的重要参数是软管的内径D。dui于给ding祄u誵iliu速,ya降和D4成fanbi(仅是一个大约的关系)。把软管的謆endui黾右槐叮莔eya降可以xia降十liu倍,然而如guo把软管的长度suo短一倍,ya降也只能将一倍。

1.3喷嘴中祄u誵iliu

    di二个xuqiujiu是在喷嘴中dui空qiliujin行加速。觴ing桓鰈iuti加速的机理是大家bi较熟悉的。如guo在花园浇花,会发现软管中shuiliu的速度bi絰ia5堑眘huiliu到da喷嘴处shi,如guo喷嘴的横截面积是软管的1/4倍,那meshuiliu的速度将在喷嘴处zeng加4倍。gaiyuan理同样适用qiliu加速,直至qiliu的速度da到临界值(声速)。图3解释liao上述yuan理。

 

图3. yasuo空qi从管dao到da喷嘴的过程中速度发生的变化


    如图3所示,假设管dao中觴ing桓鲈仓鵷i祄u誵i,ti积为A1.L1,此shi的速度为v1。当gai圆柱ti祄u誵i到da喷嘴里面shi,其ti积没有发生变化(假设空qi的密度没有发生变化),但是其chi寸发生liao变化,截面积为A2、长度为L2以ji速度为v2。既然A1.L1= A2.L2,那mev2= v1.A1/A2。如guov1.A1=Q,那me可以de到xiashi:

v2=Q/A2                                (1)

    如guoQ为10升/miao,喷嘴的横截面积为40mm2,那me由公shi(1)可以de出v2为250m/s。gai值为空qi在喷嘴中的一个横截面的平jun速度,实际上在gai横截面的不同位置,空qi的速度是不同的。

    公shi(1)仅在v2da到ji限值之qian适用,在实际过程中,喷嘴祄u誵iya力通changfeichang高以至于会产生“阻塞liu”。图4用liao一个简dan的图示薲e鱨iao随譸ai缱熘锌誵iya力的zeng加空qi速度发生的变化(假设喷嘴外部周wei的大qiya力为1atm)。和喷丸系tong中其它区域不同,喷嘴中ya力会产生一ding的ya力差,造成在喷嘴的zui狭zhai位置产生“音障”的现象。当ya力差da到1.9atmshi,“音障”的现象jiu会出现。因为在所有的实际喷丸的过程中,喷嘴中的ya力差都会超过2atm(29.4psi),无lun喷嘴中空qiya力和喷嘴謆en队卸啻蠡蚨嘈。莔e在喷嘴中祄u誵i速度都将会da到一个固ding的ji限值。礲i唬琿ian提是yasuo空qi的供应要充足。

 

图4. yasuo空qi速度与ya力的变化关系 


    如guo喷嘴中的yasuo空qizuizhongda到liao一个ji限恒ding值,jiu要问liao,“如guo空qiya力的zeng加zuizhong不影响空qi的速度的话,那me会影响什mene?”。da案是当ya力jin一步zeng加shi,空qi将jin一步de到yasuo,所以空qi有着更高的密度,但速度huai是一样的。喷嘴ya力的zeng加只能使空qi的“质量liu量”zeng紋in;痪浠八担暗迸缱熘锌誵iya力zeng加shi,喷出来的是更重祄u誵i,但空qi的速度是一样的”。

    喷嘴中yasuo空qi的速秗an拗祋u决于喷嘴的设计fangshi并可以从喷嘴制造商提供的“喷嘴性能表”中找到相关的数值。一般情况xia,无lun喷嘴中的ya力和謆en兜拇笮。缱熘锌誵i的速度为207±1m/s(678±2fps)。喷嘴中yasuo空qi的速度可以用qitiliu量除以yasuobide到ACFM,然后在除以喷嘴的横截面积。

    表1显示liao根ju制造商的数ju用Exceldian子表ge计算出的一些数ju。dian子表的列用A、B、C和D表示,9仅仅是表示liaoExcel中行的位置,便于zuizhong计算出结guo。

表1 从喷嘴中出来的yasuo空qi速秗an扑鉬ang法

喷嘴中祄u誵iya力-atm(psi)yasuo空qiliu量-升/miao(立fang英chi/fen钟)喷枪謆en?毫米(英寸)平jun空qi速度-米/miao(英chi/miao)
6.8 (100)204 (432.6)12.7 (0.5)206 (678)
3.4 (50)115 (243.6)206 (676)
6.8 (100)51 (108.2)6.35 (0.25)206 (680)
3.4 (50)29 (61 .2)208 (680)
ABCD

    *-=(B9*1000/((A9+1)*(3.142*C9∧ 2/4)))

    在喷嘴中横截面的不同位置速度变化很大,zui大速度可da340m/s(音速),在喷嘴壁的位置的速度仅为0m/s。平junxia来de到的速度为207m/s。

    值de注意的是,在软管和喷嘴中经chang会遇到a膌iu”的现象(湍liu的fan义词为cengliu)。造成a膌iu”的yuan因是雷诺数的值是feichang大的。湍liu的示意图如图5所示。空qi在三维空jian里shun着弯qu的路径liu动,但总的趋势是往qianfangliu动。

 

图5. 在管dao或喷嘴中湍liu状态xia的yasuo空qigui迹


2 丸liao和yasuo空qi的混he过程

    丸liao和yasuo空qi的三种changjian的混he系tong是虹吸shi系tong、重力shi系tong和直接供liao系tong。

2.1虹吸shi系tong

    gai系tong如图6所示。由于yasuo空qi的速度v2bi丸liaoshu送管dao中的速度v1大的多,那me丸liaoshu送管dao中祄u誵i会被吸ru到yasuo空qi管dao中,这jiu是“虹吸”这个词的来源。由于v1小于v2,那me丸liaoshu送管dao祄u誵iya力要高于喷嘴中的ya力。伯努li解释liao这种现象,因此也chen为伯努liding理。如guo用p1表蔶iu鑜iaoshu藅uo祎ong中的ya力,用p2表示喷嘴中的ya力,那me可以de到: 


(p1-p2)=1/2.ρA.(v22-v12)                            (2)


    其中ρA表示空qi的密秖uⅫ/span>

    (v22-v12)的值feichang大,可以yu测(p1- p2)的值也会feichang大。

    丸liaoshu送管dao中的速度v1足够把丸liaoa献А钡脚缱熘小M瑂hiyasuo空qi的紊liu状态便于更hao地把丸liao和空qi混he在一qi。

 

图6. 虹吸shi系tong


2.2重力shi系tong

    重力shi系tong和虹吸shi系tong相似的地fang在于丸liao是被shu送到喷嘴中,不同的地fang在于丸liaoshu送管dao的ru口在喷嘴的上fang,所以可以结he丸liaoben身重力的作用和虹吸的作用一qi把丸liao推送到喷嘴中。因此可以yu测重力shi系tong与虹吸shi系tong相bi,其丸liao的给liao速度更快。重力shi系tong如图7所示。丸liaoshu送的jiao度为45°,gaijiao度能够更hao地使yasuo空qi和丸liao混he。

 

图7. 重力给liao喷嘴的示意图 


2.2直接供liao系tong

    在直接供liao系tong中,空qi和丸liao在jinru喷丸软管之qianjiu已经混he。在jinru喷嘴之qian,丸liao和低速yasuo空qi的混heti一qi向莃a菩小ai系tong如图8所示。贯穿gai系tong的紊liuqiliu便于更hao地把丸liao和空qi混he在一qi。


 

图8. 直接供liao系tong(fei真实bi例图)


3 经过yasuo空qi加速后的丸liao的速度

3.1加速

    快速liu动的yasuo空qi为每一个丸粒提供liao一个加速的力量。当有不平衡的力存在shi,加速作用jiu会发生。牛顿di二ding律jiu是力等于质量乘以加速度,用xiashi表示为:


F=m.a                                 (3)


    其中F是不平衡的力,m是质量,a是力Ffang向上的加速秖uⅫ/span>

    图9表示liao直通shi喷嘴中空qi和丸liao状态模型。在喷嘴的中心部位yasuo空qi的速度zui高,当靠jin喷嘴内壁shi,yasuo空qi的速度会降低。在1.1章节謝ing丫樯艿剑琩ui于直通shi喷嘴,yasuo空qi的速度可以da到大约200m/s(656英chi/miao)。由于空qiliu的“紊liu”作用,丸liao将会在喷嘴中到处移动。因此可以假设每个丸粒上的zhou向的平jun的力F都是相同的。

 

图9. 直通shi喷嘴中祄u誵i和丸liao的状态示意图


    在虹吸shi和重力shi系tong中,设ding丸liao加速的距离为s。直接供liao系tong中丸liao加速的距离可以更长,丸liao加速后的速度为vs。因为喷嘴中yasuo空qi的速度da到zui大值,所以丸liao的zui佳加速作用主要发生在喷嘴里面。

    如guo假ding丸liao的加速作用是恒ding的,那me可以de到蟣v娴募騞an关系shi:

Vs2=2.a.s                              (4)

    为liao提高丸liao的速度,可以zeng加丸liao的加速作用或者zeng加加速距离或者同shizeng加上述两个参数。由于喷嘴的长度是有限的(一般长度为100mm),因此如guo要使丸liao的速度da到50m/s,那medui丸liao的加速作用的要qiufeichang高。如guo把0.100m和50m/sdairu到shi(4)中,那me丸liao的加速度a将会da到12500m.s-2,也jiu是自由加速度的1250倍。

    可以皔a玸hi(3)变成a=F/m,然后dairu公shi(4),可de:

Vs2=2.F.s/m                             (5)

    那me在快速liu动的liuti中,作用在一个丸粒上的力F为:

F=1/2.CD.A.ρA.(va-vs)2                        (6)

    其中CD是指“阻力系数”(gai值是无量gang数,qu决于物ti的形状,dui于一个光滑的球tiCD≈0.5),A是指物ti的横截面积,ρA是yasuo空qi的密度(yasuobi乘以1.2Kgm-3),va是空qiliu的速度,vs是丸粒的速秖u?va-vs)ding义为丸粒相dui于空qiliu的“相dui速秖u薄Ⅻ/span>

3.2丸liao速度的发展过程

    he并公shi(5)和公shi(6),可de:

vs= (CD.A.ρA.s/m)0.5(va-vs)                      (7)

    公shi(7)可以用更加熟悉的形shijin行表da,dui于圆形的丸liao,把A=π.d2/4和m=ρS.π.d3/6dairushi(7)中,其中d是丸粒的謆en叮悬sub>S是丸粒的密度,可de:


vs=(1.5.CD. ρA.s/π.d. ρS0.5(va-vs)                 (8)


    li用已知的喷丸参数采用公shi(8)可以计算出vs。zui简dan的fang法jiu是使用Exceldian子表,皔a玸hi(8)重新整理一xia。表2显示liao如何用蟣v娴墓玸hi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)


    dian子表可以简danfang便地de出特ding参数随变量的变化而变化的qu线。因此可以使用dian子表de出丸粒的速度随其它参数变化的qu线。图10为根ju公shi(8)de出的丸粒速度随空qiya力的变化qu线。


表2 使用Excel计算的从喷嘴中出来的丸liao的速度

1BCD
2参数数值dan位
3Cd0.5
4空qi密度1.2kgm-3
5空qiya力9atm
6丸liao密度7860kgm-3
7丸liao謆en迭/span>0.25mm
8长度50mm
9空qi速度200m.s-1
10


11丸liao速度48.6m.s-1


 

图10. 丸liao速度和空qiya力的关系qu线


    丸liao加速过程一gong有三个阶duan,fen别发生在以xia三个部位:

    (Ⅰ)丸liaoshu送管dao;

    (Ⅱ)喷嘴;

    (Ⅲ)离开喷嘴后祄u誵i和丸liao锥形区域。

(Ⅰ)丸liaoshu送管dao

    直接送liaoshi的软管长度与喷嘴的长度biqi来要长de多,但是空qi在软管中的速度与在喷嘴中biqi来要慢de多。空qi的速度可以用yasuo空qijinqi量除以yasuobi在除以软管的横截面积。例如,使用表1的dian子表并把6.8atm(100psi)、204升/miao(432.6标zhun立fang英chi/fen钟)并把软管内綿uan?5.4mm(1英寸)dairu其中的公shi可以de到软管中祄u誵i速度为51.5m/s(170英chi/miao)。把软管的长度4000mm、空qiya力6.8atm(100psi)以ji空qi速度51.5m/sdairu表2的公shi中可以de到丸粒的速度为11.2m/s。与后续的喷嘴中加速的过程相bi,这个过程可以看作是在喷嘴qian的yu加速。如guo使用是bi较大的丸liao和/或者xu要把丸liao速度提高到zui快的话,yu加速的作用是很重要的。

(Ⅱ)喷嘴

    公shi(8)可以用于yu测两种不同chi寸弹丸祄u誵iya力簍ong雠缱旌蟮乃俣鹊谋浠叵担缤?0所示。dui于大chi寸的丸liao,喷嘴qian的yu加速的优势総uo韵殖隼磍iao。gai等shi同样可以yu测喷嘴长度和丸liao材liao(通过改变丸liao密度)dui丸liao速度的影响。

(Ⅲ)离开喷嘴后祄u誵i和丸liao锥形区域。

    一旦丸liao从喷嘴中喷射出来之后,丸liao的速度与qiliu的速度相bi会慢很多。图11薲e鱨iao丸liao加速的区域为喷嘴内的A点到B点,yasuo空qi的速度是恒ding的。在B点shi,yasuo空qi的ya力会出现一个快速祄u档汀4覤点到C点,yasuo空qi的速度会降低,当到daC点shi,yasuo空qi和丸liao的速度将da到一致。过程再往后jin行,丸liao的fei行速度要biqiliu快,所以丸liao的速度开始降低liao。


 


图11丸liao在喷嘴中的加速duanA-B以ji离开喷嘴后的B-Cduan的速度变化


    在锥形区域BCduan的丸liao速度变化的理lunfen析是feichangfeichang复杂的。有相关的试验数ju显示在距离喷嘴200mm处丸liao的速度将da到zui大。举一个宽泛的例子,dairu长度200mm、空qi速度100m/s(平jun值)以ji空qiya力1个大qiya,可以de到丸liao离开喷嘴后的速度为17.6m/s。喷枪的类型也是影响丸liao速度的一个重要因素,拉fa尔喷嘴(shou敛扩散形喷嘴)bi直喷嘴dui丸liao的加速作用要大。

3.3丸liao的zuizhong速度

    dui于直接送liaoshi系tong,丸liao在喷嘴出口处的速度是由(Ⅰ)和(Ⅱ)gong同作用祄u醙uo。dui于虹吸shi和重力shi系tong,liao在喷嘴出口处的速度仅是(Ⅱ)作用祄u醙uo。丸liao离开喷嘴后速度的大小qu决于离开喷嘴的距离,一般情况xia会在距离喷嘴的某个位謒e锏絲ui大值(一般是距离200mm速度da到zui大值)。


讨lun和结lun

    ben篇文章是基于空qiliu和丸liao加速过程的一个简dan模型jin行liao讨lun。由于忽略liao温度和湿度的qing微影响,因此dui于丸粒速度的精确yu测是不可能完成的。另一fang面ben文中的公shi可以用来解释试验de出的一些结guo。

    从ben文中可以de到以xia几个重要祄u醠un:

    •如guoyasuo空qi的供应充足的话,那me喷嘴中祄u誵i速度是几hu不变的。gai速秗an竓u与音速相同且和喷嘴中的ya力和謆en睹挥泄叵怠Ⅻ/span>

    zeng加喷嘴中祄u誵iya力会zeng加丸liao的速度,这是因为空qi的密度升高liao。

    de到liao一个一般公shi(公shi(8)),gai公shi可以yu测丸liao的速度和丸liaochi寸、丸liao密秖u⑴缱斐ざ纫詊i喷嘴ya力之jian的变化关系。