第shi七期 丸料束流的能lianghe打击力
发布时间:2017/5/25 12:01:10

引 yan                                                                                                        

    pen丸的作用是通guoqiang有力的丸料束流击打零件ershi现的。丸料束流的能liang取决于丸料速度、丸料流liang以及丸料he载体jie质(空qi或者水)的mi度。当丸料束流击打零件时,其大liang能liang转化成为ao坑、压ying力hebiao面的冷作硬化。目前关于丸料束流施加在零件上的力方面的研究不多,但是这样的力又是很重要的。丸料束流打击力的测shi是比较容yi的,但是需要shen入研究丸料he载体的打击力穤hi餾uo占的比例。

    ben文列出的公式ke以he理地jingque计suan丸料束流的能lianghe打击力。理解ben文中的公式需要具有一定的数学bei綼i庋蚹e以掌wo公式中的蔰ao室鈟i。ben文有单独的章节jie绍,采用Excelbiaoge运用相关公式ke以计suan任何状态下的丸料束流的能lianghe打击力。通guo计suanke以得出,通常情kuang下pen丸束流的功率ke以da到几百瓦,然er抛丸束流的功率ke以da到糶ai摺U雂ui于平面biao面的pen丸,丸料束流的打击力ke以从几shiniu到几百niu不等。当压缩空qi中hun有丸料时,会受到牵zhi效ying的影响,与仅有压缩空qi相比,压缩空qi的打击力会下降。在ben文余下的部分,jia设空qi为流体的载体。为liao适ying不同的流体特zheng,相关等式ke以进行相ying的修gai。

丸料束流的能liang

    丸料束流是丸粒he流体载体(一般认为蕅iang誵i)的hunhe物,其运动速秖ue浅?臁R虼耍枇鲜鞯哪躭iangP由两部分组成,丸料能liangShe空qi能liangL。ke得P=S+L。丸料的功率是每秒通guo一ge特定区域AB(如图1suo蔶ing┑膕uo有丸料的动能之he。空qi的功率L是每秒通guo特定区域AB(如图1suo蔶ing婊狝)的一定体积的空qi的动能。

丸料的功率S

    丸料的功率是每秒通guo一ge特定区域的suo有丸料的动能之he。每ge通guo竚en虻耐枇蟙u会贡xian其动能,1/2mvS2。丸料以一ge非常高的频率击打零件的biao面。再加上零件ben身祄u咦遧iang,因此丸料的击打guo程ke以认为是lian续的。丸流liangM是一分钟napen射出的suo有丸料的质liang之he。因此,采用公zhi单位ke得:

S=M* Vs2/120                               (1)

    其中,S的单位为瓦特,M的单位为千克/分钟(Kg/min),Vs的单位是mi每分钟(m/s)。

    举一gepen丸的dian型的例子:

    如果M=10Kg/min,VS=50ms-1,那么S=208瓦特。

 

图1. 一gepen丸束流通guo平面AB后形成的横截面


    公式1是基于在一秒钟li每ge丸粒的动能1/2mv2的总he。

    如果采用英zhi,那么公式(1)变为:

  S=M*vs2/2848                                (2)

    其中S的单位仍为瓦特,但是M的单位变为磅每分钟(lb/min),VS单位变为英chi/秒(ft/sec)。

    采觤eng鲜龅墓珃hi的数据,M=22lb/min,vs=164ft/sec。代入公式(2)ke得S=208瓦特。

    抛丸的丸流liang要眗ao缤韪咭籫e等级,抛出的丸料的功率keda糶ai摺Ⅻ/span>

空qi的功率L

    空qi的功率L是是每秒通guo特定区域的一定体积的空qi的动能。空qi每秒通guo一ge平面的体积V取决于其速度VAhe该平面的面积A(如图1suo蔶inge得V=VA*A。任何物体的质liang均为其mi度ρ乘以其体积。因此,每秒钟流guo特定面积的空qi质liangke得ρ*VA*A。空qi的动能L为在一秒钟li通guo特定面积的空qi质liang的动能之he。因此:

L=1/2ρ*VA3*A                                 (3)

    其中L的单位为瓦特,ρ的单位为Kg•m-3,VA的单位是m/s,A的单位是m2.

    空qi在大qi压力环jing下的mi度为1.225 Kg•m-3。jia设空qi以一定的速度VA(50ms-1)chuanguo的面积A为0.001m2(1000mm2)的区域,代入公式(3)中ke得该空qi的功率为77瓦特。

   但是,如果流体载体是水(水的mi度为1000kgm-3),那么在先前的例子中,该流体的功率变味liao62.5千瓦!

pen丸束流的总功率,P

    丸流的功率P是丸料功率She空qi功率L之he,如图2suo示。如果jia设丸料he空qi的速度几乎相等,那么会得到一ge非常非常jinsi的公式:

 P=M*v2/120+1/2*ρ*v3*A                      (4)

    其中vbiao示的是丸料he空qi的速度。

 

图2. pen丸束流的构成

    丸料he空qi的速度会在距lipen枪的“中he点”处相等,即VS=VA。该点同时又kechen为“甜点”,在该点时ke以得到最高的pen丸qiang度。图3中的NP即为中he殿。从pen枪出口到中he点的guo程中,空qi比丸料的速度快,因此,丸料ke以一zhi被加速。通guo中he点后,丸料的速度开始降低。

    如果在空qi流中不加入丸料的籥i敲从爰尤胪枇系目誵i流相比,其速度在任何位置du会更高。如果有丸料存在,那就意味着高速空qi必须dui丸義ian龉鴈r加速丸料。同时,空qi流动的模式也会受到干rao,因为空qi分子必须绕guo丸料流动。

 

图3. 当空qihe丸料获得相同速度时得到的中he点(NP)


pen丸束流的打击力

    pen丸束流在击打零件时会引入一ge力。该打击力会sui着pen丸束流的能liangzeng加erzeng加。ke以通guoniudun第二运动定律来推倒pen丸束流的打击力。niudun第二运动定律ke以miao述为:

    物体suo受流体的打击力等于该物体受击打前后的动liangsui时间的变化率。

    动liang是质liang乘以速度。因此动liang的变化率是质liang乘以速度再除以时间。那么要推suanpen丸束流的打击力,ke以使用两ge公式:

    丸料的打击力,Fs=质liangiao俣?时间或者

Fs=M*VS/60                               (5)

    其中M是指丸流liang,单位为Kg/min,VS是指丸料的速度,单位为ms-1

空qi的打击力,FA=ρ*A*VA2                 (6)

    其中ρ是指空qi的mi度,单位为kg/m3,vA蕅iang誵i的速度,单位为ms-1

    公式(5)biao明丸料的打击力与丸流lianghe丸料速度成正比。公式(6)biao明空qi的打击力与横截面积成正比,与空qi速度的平方也成正比。图4显示liao两种打击力sui速度的变化曲线,其中根据蔰ao是閗uang设有不同的丸流lianghe横截面积。需要注意的是,当速度足够高时,空qi的打击力要大于丸料的打击力。

 

图4. 一束pen丸束流中空qihe丸料的力的变化性


    pen丸束流的打击力Fke以通guo把丸料的打击力he流体的打击力相加来得到:

pen丸束流的打击力,F=M*VS/60+ρ*A*VA2                     (7)

    即使已jing知道liaoF,M,ρheA,但是公式(7)中仍然包含两ge“未知值”,VSheVA。幸运的是,大多数的pen丸距li就是或者jinsi是pen枪至NP(中he点)的距li,此时VS等于VA。当丸料he空qi的速度相等时,丸料he空qi的打击力相加得到的jie果如图5suo示。图5的例子中,M=4kg/min,A=0.002m2

    dui于图5中的X点,ke以认为空qi贡xianliao6.25N的打击力,丸料贡xianliao3.75N的打击力,总的打击力为10N。X点duiying的速度为52ms-1

 

图5. 当空qihe丸料速度相等时pen丸束流的力


打击力的测shi方法

    pen丸束流的打击力ke以容yi地进行zhijie测shi。图6显示liao一种zhijie打击力的测shi装置。

 

图6. 丸料束流力的测shi设bei

    打击力ke以通guo多种设bei进行测shi,ke使用测力传gan器,也ke使用简单的家用测重天平。图6显示的装置非常的轻巧,ke以an装在pen丸设bei中祄u鱣e位置,比如ke以测shi多gepen枪的打击力。

打击力的测shi研究

    打击力的测shi襝an枰顾蹩誵ihe丸流liang的测shi。ke采用E.I.公si的测shi装置进行测shi。测shi打击力suo需的条件包kuo高kongzhijing度的pen丸设bei、S230丸料、8mm的pen枪、pen丸距li为150mm以及放在jingguo妥善保护的数字天平上的目标金shu板。pen丸后在金shu板上的打击区域(由众多ao坑组成)的謆en段?9.5mm,转化成面积A为1924mm2。biao1为测shisuo得的12ge数据(已从英zhi转化为公zhi)。ke采用图示的方法duibiao1的数据进行分xi。


biao1 通guoE.I.公si测shi获得的力的测shi数据

 

图7. dui于仅包含空qi的pen丸束流,其冲击面积为1924mm2的詂an吻虻牧Φ脑げ狳/span>

    图7为“仅空qi流”的相关数据,ke以得出:(1)打击力sui空qi压力的zeng加erzeng加;(2)空qi速度57、79he98ms-1duiying的压力穤hi鹞?0、40he60psi。

    在分xi空qi+丸料(pen丸束流)的数据之莂i枰亲〉氖牵裹/span>

    空qi流加入丸料后,其速度一定会下降。

    丸料加入的越多,空qi速度下降的越快。

    图8biao示liao流liang为4.5kg/minhe空qi压力为40psi时pen丸束流施加的力(打击力)。该pen丸束流的打击力为11.1niudun(见biao1)。空qihe丸料速度相等时的点X(见图5)duiying的打击力为11.1niudun。X点duiying速度为54ms-1。当空qi压力为40psi时,duiying的空qi速度为79ms-1。因此ke以推断当在空qi流中加入丸流liang为4.5kg/min的丸料时,空qi的速度从79 ms-1降到liao54 ms-1。速度降低liao25 ms-1,当然这是完全he理。需要注意的是,当空qi速度为79 ms-1时,其打击力为14.7niudun,比空qi丸料hunhe束流的11.1niudun的打击力明显要高。

    ke以在biao1中另外9ge数据进行类si的分xi。只需把相关公式shu入到Excelbiaoge中进行运suan即ke,无需再进行绘图分xi。biao1中数据的相关分xijie果如biao2suo示。

 

图8. 丸流liang为4.5kg/minhe空qi压力为40psi时pen丸束流施加的力(打击力)


    “zhi动”蕅iang誵i流的速度he加入丸流后的hunhe束流的速度的差异效果。例如,在空qi的压力为20psi时,在没有hun入丸料的情kuang下其速度为56.8ms-1。当加入丸流liang为2.2kg/min的丸料后,其速度减小至42.4ms-1。速度的前后差异(56.8-42.4)就是zhi动值14.4 ms-1。dui于任何打击力he空qi速度,zhi动效yingsui着丸流liang的zeng加erzeng加。在不同的空qi压力he相同的丸流liang的条件下,zhi动效ying是非常一zhi的。例如,在丸流liang均为4.5kg/min的条件下,当空qi压力穤hi鹞?0、40he60psi时,其zhi动值穤hi鹞?4.4、24.4he25.7 ms-1


biao2 dui于估测的速度hezhi动效ying的数据分xi


能lianghe打击力的估suan

   用于估suan能lianghe打击力的公式ke以很容yi地shu入到Excelbiaoge中。biao3中列的数字he行的字mu与Excelbiao是一zhi的。在D列中的3到7行shu入原始数据后,就能得到一系列估suan的jie果,图3中hong色的数字。biao4中给出liao不同pen丸束流的能lianghe打击力的jie果。


biao3 采用Excelbiaoge估suanpen丸束流的功率he打击力

 


biao4 估suan施加在平面上的pen丸束流的功率he力发(打击力)

 


蘻hi邳/span>

    ke以认为pen丸束流的功率he打击力是pen丸参数(pen丸qiang度、fugai率hecan余ying力场)的有用补充。它menke以为pen丸的guo程kongzhi提供不同的方法。

    先前通用dianqi公si的Robert A. Thompson已jingduipen丸束流的打击力进行liao研究。他在1989年发明的专利(meiguo专利号4,848,123)讲述的是把力传gan器放置在pen枪后的位置以觤ei醇觳鈖en枪的反作用力。这样把丸料从pen枪推出去的力就ke以进行检测liao。这不同于pen丸束流击打零件的力,该击打力会sui着距li的变化er变化。ben文推荐的打击力测shi装置ke以zhijie监测pen丸束流,ke以方bian地移jin移出pen丸室,ling活性比较hao。

    ke以通guo检测空qi流的击打力来检测从pen枪pen出的压缩空qi的稳定情kuang。压缩空qi击打力的变化是pen丸压缩空qi是否正常的zhijie反ying。suo以这种方式很有ke能ke以觤ei醇觳饪誵i压力fa等装置是否有效,er这些装置是装在pen枪之前的供给系统上的。

dui于一ge特定的pen丸束流,测shi其打击力ke以用于:(a)在蔰ao蕄en丸guo程中零件是否会发生变形;(b)之前的pen丸参数是否仍能da到规定的pen丸qiang度。由于pen丸束流的打击力造成的pen丸变形在之前的第四期he第六期的文章中也已jing进行liao相关的jie绍,在此不再赘述。

    ben篇文章中的关于功率he打击力的公式du是基于基ben的物理定律。打击力ke以通guo非常简单的装置进行测shi。打击力的公式ke以定liang地biaozheng加入丸料后dui空qi流速度的减缓作用。这种测shike以推断出在中he点(甜点)的位置处空qihe丸料速度da成一zhi。ben篇文章中的力学公式ke以进行相ying的修gai,以适ying不同的速度设定值。

    蔰aoshi膒en丸guo程中,penzuihe零件的距liying该等于或jinsi等于其中he距li。在这ge距li上,丸料ke以获祄i畲蟮乃俣龋虼艘瞜e以获祄i畲蟮膒en丸qiang度。中he距like以通guoshi验萬anāe以采用以下两种方法进行shi验:(a)在不同的pen丸距li下进行饱he曲线shi验;(b)dui抛光后祄u謟hishi片进行不同距li的pen丸,pen丸fugai率水平要低。pen丸后检测ao坑的平均謆en叮琣o坑謆endui酱螅琾en丸qiang度越大。shi片推荐软钢材料,因为该材料拍照效果比较簄iu絙ian于ao坑謆en兜牟鈙hi。

    大的打击力也ke以使用ben篇文章的公式进行测shi。非常大的打击力ke以使bo板金shu发生塑性变形。例如,水射流已jing用于0.3mm厚的已退huo铝he金bo板的硈hang蝕ongyi。在水射流中加入钢丸ke以产生足够大的打击力使得不xiu钢板发生塑性变形((Iseki etal, Key Engineering Materials, p. 575, vol. 344, 2007)。如果流体载体为水,那么代入ben文中的公式后就ke以发现流体载体的mi度dui于提高打击力的重要性liao。