軸向聚焦式噴砂槍技術在表麵工程中的應用

【摘要】  作為一種既高效高速又輕巧靈便的新型噴砂技術，軸向聚焦噴砂技術已經開始在塗裝、材料保護、表麵工程等的預處理中得到重視和應用。本文在簡單介紹這一磚利技術原理的同時通過與現有噴砂技術在應用性能上的比較，闡述了軸向聚焦噴砂技術的應用範圍和應用前景。

氣動噴砂技術，就是以壓縮空氣為動力，以某種方式與砂料混合並形成噴砂射流的技術。通常，根據噴砂軟管內的壓力狀態，我們可以把所有氣動噴砂技術或設備分為兩大類。一類噴砂機為吸入式(也稱吸送式)噴砂機，噴砂軟管內的壓力低於大氣壓；另一類是壓入式(也稱壓送式)噴砂機，噴砂軟管內的壓力高於大氣壓。

圖1 徑向噴砂槍原理圖

以上分類中吸入式噴砂機指的是徑向吸砂的噴砂機，圖1是這種噴砂機主要部件噴砂槍的典型結構。這種徑向吸入式噴砂槍的噴砂速度和噴砂效率明顯低於壓入式噴砂機，但是重量隻有幾公斤重，其體積重量和方便性又明顯優於成百上千公斤重的壓入式噴砂機。所以，業內一致的看法是：“壓入式噴砂機(具)和吸入式噴砂機(具)各有特點，不能互相取代。”

然而，將吸入式噴砂機的噴砂速度和效率提高到與壓入式噴砂機水平相當，一直是噴砂界夢寐以求的夢想，也是長期不懈努力的方向。業已開發成熟和投入使用的軸向聚焦式噴砂機使得在這一方向的技術進展有了一定的突破。

1．常規徑向吸入式噴砂技術低速、低效現象分析

在介紹軸向聚焦式噴砂機高速、高效的原理之前，不妨分析一下常規徑向噴砂技術低速、低效的內在原因。

吸入式噴砂技術的核心是噴砂槍。分析吸入式噴砂槍，可以有各種方法和角度。本文用氣動真空器件的設計結構和使用數據來分析，這樣也許比理論的方法更直觀和簡單，抽象的原理也變得比較形象生動和便於理解了。

大量應用於現代化生產線上和精密量儀上的真空氣動係統，它們的核心器件是真空發生器。從結構上看，每一個真空發生器酷似縮小了的吸入式噴砂槍。氣動器件廠商問接地為我們分析吸入式噴砂槍和合理設計噴砂槍提供了成熟充足的實物資料和可靠翔實的參考數據。真空發生器也有三個口，它們是供氣口P、真空口V和排氣口EX，類似吸入式噴砂槍的氣源進氣口、吸砂口和噴砂口；真空發生器內部的噴氣嘴和噴射器也類似徑向噴砂槍內部的噴氣嘴和噴砂嘴。

真空發生器在結構上也有標準型和管型之分。標準型是徑向真空口，管型為軸向真空口。熟悉真空發生器的人都會發現，在標準型真空發生器類彆中，仍可按吸氣量大小和真空度大小進一步選擇產品參數。例如，國際傑出氣動元件商PISCO仍將每一口徑參數的器件細分為：高真空中(吸氣)流量的H型、中真空大(吸氣)流量的L型和高真空少(吸氣)流量的E型。在這些器件參數中發現，高真空中流量H型的吸入氣流量隻有中真空大流量L型的60％，高真空少流量E型的吸入氣流量還達不到中真空大流量L型的一半。然而重要的是，型號中找不到高真空高(吸氣)流量的產品品種，是不需要該品種嗎?顯然不是。以此類推，結構形式一致的徑向吸入式噴砂槍與標準型真空發生器一樣也做不到高真空高吸氣流量。

隻有真空度和吸氣流量同時達到*大值才能充分提高噴砂槍的噴砂效率。但標準真空發生器和徑向吸入式噴砂槍在實際使用當中不可能使兩者同時達到*大，這就製約了徑向吸入式噴砂槍噴砂能力的提高。

然而，為什麼標準型真空發生器以及徑向吸入式噴砂槍的兩個重要參數――真空度和吸氣流量會彼此矛盾?結合圖1，再進一步分析。圖1是氣動性能和結構參數接近於理想狀態的徑向吸入式噴砂槍的工作剖麵圖。此時，噴氣射流外邊界恰好指向噴砂嘴導向斜麵和直管段的相交棱線，如果加大噴氣嘴與噴砂嘴之問的距離(嘴間距)，雖然行砂通道會加寬，但噴氣射流外邊界部分氣流會因接觸導向斜麵而產牛激烈湍流乾擾汶丘裡效應，導致負壓損失；如果縮小嘴間距，雖然噴氣射流形狀與結構形狀進一步吻合，有利於保持負壓，但吸氣和行砂通道被進一步壓縮形成空間分散高阻力性質的“套管路徑”，從而導致吸氣量和吸砂量減少。由此可知，真空度和吸氣流量存在結構性的矛盾。即便在如圖1所示的*佳狀態，也隻是負壓值和出砂量“相互讓步”得到的極不穩定的相對平衡狀態。加之砂料沿套管通道從外部呈非對稱分布進入主氣流，噴氣射流的能量密度和砂料密度一路發散(不再彙聚)，能量持續衰減，還要完成產生負壓和加速砂流的任務，結果是負壓有限、加速無力。這就進一步闡述了徑向噴砂槍效率低下的機理性原因。

2．軸向吸入噴砂技術是提高噴砂效率的方向

在查找真空發生器時還發現，軸向真空口的管型真空發生器與標準型器件很不一樣。首先，它們的吸氣量隨口徑呈線性變化，而真空度基本保持恒定。另外，耗氣量相同時，吸氣量明顯高於標準型。

通常高真空是砂料加速和產生吸砂動力的先決條件，而作為砂料輸送的惟一載體，吸氣流量大小直接關係砂料流量的大小。與管型真空發生器結構類似的，軸向吸砂口的噴砂槍，由於真空度和吸入氣流量不矛盾，完全有可能通過結構優化將真空度和吸入氣流量這兩個重要參數同時提高到較高水平，從而達到提高吸入式噴砂槍噴砂能力的目的。

在軸向吸入式噴砂槍的研發實踐中，發現由於軸向直線管路完全成為吸砂通道，吸砂量明顯增加。環狀噴氣嘴不乾擾吸砂通道，所以不存在與吸砂量的矛盾。如何提高噴氣速度乃至提高真空度對於軸向吸入式噴砂槍至關重要。通常，軸向真空口的管型真空發生器比標準型發生器的真空度低30％，要想提高軸向噴砂槍的效率，改進噴氣嘴是技術關鍵。

3．軸向聚焦式噴砂機解決方案

軸向聚焦式噴砂槍在真空度、吸氣流量、噴砂量等指標均有所突破。LYP-3.0B型和LYP-1.6B型軸向聚焦式噴砂機經過大量試用戶和購買用戶一段時期的使用認為，該型噴砂機基本達到壓入式噴砂機的噴砂水平。

軸向聚焦式噴砂槍解決了兩個主要氣動學問題。

(1)噴氣嘴采用超音速拉瓦爾噴嘴冇計  其收縮段曲線為維托辛斯基曲線，喉部采用圓弧過渡，擴張段為特征線型，射流得劍了較高的速度及良好的分布特性。噴砂槍結構原理如圖2所示。

圖2

(2)利用超音速噴氣射流欠膨脹特性，將環狀拉瓦爾噴出的噴氣射流在噴砂嘴中心軸線上欠膨脹聚焦成核，在文丘裡型噴砂嘴後部再膨脹噴出。

這一聚焦機理在噴砂嘴加速磨損試驗中得到證實，噴砂嘴出口段有大片膨脹磨損區，其他部分磨損很小，特彆是喉徑部位冇有磨損，這是因為超音速欠膨脹空氣射流和砂料在軸線上聚焦成核，而使噴砂嘴喉徑部位形成空當。

軸向吸入式噴砂不存在原理的內部矛盾，所以它和壓入式一樣符合能量轉換和守恒定律。由於所建立的粗糙的數學模型無法模擬和反映軸向噴砂槍內部多參數氣動力學的進行過程。大量結構優化工作是通過試驗校正完成的。

優化結構從以下幾方麵進行：

(1)采用超音速射流理論和方程設計拉瓦爾收放噴氣嘴，以產生*大負壓為目標調整回轉體氣嘴母線各種曲線參數。

(2)調試環狀狹縫寬度。它主要關係耗氣量。

(3)調試環縫氣嘴錐麵角度。它主要關係到砂流的持續加速過程。

(4)調試軸向砂流通道的口徑。它主要關係砂流量。

(5)調試噴砂嘴導向斜麵的角度。它要求與空氣射流徑向擴散和軸向聚焦過程巾的射流邊界空間形狀與噴砂嘴幾何尺寸吻合。

(6)調試噴砂嘴口徑。吸入氣流，吸入砂流和高壓噴射氣流在聚焦核中彙聚，能量密度和物質密度很高的聚焦核位於噴砂嘴中部，創造負壓和加速砂流在此處集中完成。

(7)調試噴砂嘴與環縫噴氣嘴的軸向距離。同樣要求與空氣射流形狀吻合。

(8)調試噴氣嘴拉瓦爾喉頸環口徑。它要使噴氣射流軸向聚焦前不要擴散過度，又要保證砂流通道寬敞通暢。

(9)選擇和調試吸砂管口徑，它提供的管內截麵積與吸氣氣流的風速有關，所形成的風流風速，對砂料形成的斯托克斯(阻力)拽力，必須大於作用在砂粒上的其他作用力的總和，使砂粒懸浮飛行。

4．軸向聚焦是噴砂槍的應用實踐

軸向聚焦式噴砂技術在研製和技術推廣過程中，得到了中國熱噴塗技術專業委員會及會員單位的大力支持，試驗校正和結構優化都是在這裡進行的。

*重要的真空度指標，在優化過程中從原始的35kPa，逐漸提高到40kPa、50kPa、60kPa。尤其注重超音速射流聚焦作用之後真空度迅速提高到65kPa、70kPa、75kPa、80kPa，甚至一度達到95kPa。相當於性能優異的大型真空發生器，重要的負壓值甚至優於(僅53kPa)進口真空器件。與上述結論相一致的是：每次負壓值的提高，都導致出砂量乃至實際噴砂能力的大幅度提高。當今，業已定型的LYP-1.6B型和LYP-3。OB型軸向聚焦式噴砂槍負壓都達到了80kPa，考慮加工誤差，出廠產品不低於75kPa。

出砂量隨真空度的提高也成比例的增加。LYP-3.0B型噴砂槍的耗氣量為3.Om³／min，出砂量已達到600kg／h。甚至高於壓入式噴砂機500kg／h的平均出砂量。

隨著關鍵參數的不斷提高、結構日趨合理，軸向聚焦式噴砂機的*終噴砂效率也大幅提高。LYP-3.0B型和LYP-1.6B型軸向聚焦式噴砂機重量雖然隻有幾公斤重，但其噴砂效率已基本可與壓入式噴砂機媲美。實例如圖3所示。

圖4 用戶使用LYP-1.6B型噴砂機以8.5㎡h處理結構件

用戶更關心的噴砂效率是，LYP-1.6型軸向聚焦式噴砂槍冷板噴砂至Sa2.5級達到85平方米/每小時耗氣量僅16立方米/每分鐘噴砂嘴采用碳化硼可保持較長時間不磨損不變形。3.0型軸向聚焦式噴砂槍的耗氣量達到30立方米/每分鐘噴砂效率較1.6型又大幅提高。

 4.吸砂器設計，否定了原漏艙式設計 軸向聚焦式噴砂槍完成定型之後，發現在高強負壓之下，吸砂管中的砂流仍然存在不均勻的問題。發現原設計的艙式可調節砂料線存在問題。當空壓機壓力恒定時，調試好的出砂量運行平穩。

5．結語

軸向聚焦式噴砂槍之所以有高效率的表現，首先源於合理結構形式(該結構形式消除了真空度和吸氣流量的矛盾)；其次是充分發揮了超音速噴氣射流的速度特性和分布特性，使得噴砂射流有了很好的動能來源；更重要的是在超音速射流欠膨脹階段迫使其“環聚成核”，這種聚焦核體積小，能量密度和物質密度極大，十分有利於形成負壓和加速砂流，同時對減少噴砂嘴磨損也有益處。

在科技發展日新月異的今天，冇有什麼技術是一成不變的。噴砂技術雖然相對古老，但是以節能降耗和方便操作為目的的技術革新與**不僅是有益的，而且還是有潛力的。軸向噴砂技術在發展和探索中走過一些彎路，但也取得了可喜的成果。軸向噴砂技術的推廣和發展也許是改變噴砂技術粗笨、低效工藝狀況的途徑之一，至少是改變吸入式噴砂技術效率低下的有效途徑。