引 言                                                                                                        

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

圖1. 噴丸中直接供料系統(tǒng)

    拋丸時(shí)丸料會(huì)沿著旋轉(zhuǎn)的金屬葉片移動(dòng)直到葉片的邊緣位置?？諝獍殡S著丸料一起運(yùn)動(dòng)，在葉片的頂端位置兩者達(dá)到相似的速度。圖2解釋了在拋丸中丸料運(yùn)動(dòng)的關(guān)鍵特征。通過拋丸產(chǎn)生束流包含幾個(gè)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(dá)控制艙的出口位置，3、控制葉片的轉(zhuǎn)速。

    在前兩期的文章中，已經(jīng)介紹了噴丸和拋丸的丸料加速機(jī)理。一些相關(guān)的理論也會(huì)在本篇文章中繼續(xù)用到。本篇文章一個(gè)重要的擴(kuò)展就是討論丸料的束流離開噴嘴后的運(yùn)動(dòng)特征。

    噴丸和拋丸產(chǎn)生的丸流量的差異是很大的，各有其優(yōu)點(diǎn)和缺點(diǎn)。除了旋片噴丸，在過去的半個(gè)世紀(jì)中關(guān)于丸料的加速方式方面沒有顯著的進(jìn)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(fā)展趨勢(shì)。文章中會(huì)包含一些重要的公式，但需要強(qiáng)調(diào)的是這些公式的使用并不需要數(shù)學(xué)的專業(yè)知識(shí)。

圖2. 拋丸的丸料加速系統(tǒng)

噴丸的丸料加速

    我們可以通過控制壓縮空氣的參數(shù)來控制丸料的速度。壓縮空氣最重要的參數(shù)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(nèi)部“較重的空氣”，atm=標(biāo)準(zhǔn)大氣壓

噴嘴空氣速度

    有一個(gè)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(gè)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(dòng)。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(huì)隨之增加。如果噴嘴中的空氣壓力達(dá)到兩個(gè)大氣壓，那么空氣速度將達(dá)到一個(gè)極限值，那就是空氣中的聲速。如果再進(jìn)一步地增加噴嘴中的空氣壓力，噴嘴中的空氣速度將不會(huì)繼續(xù)增加！此時(shí)增加的是空氣的密度。

圖4.噴嘴中的空氣密度對(duì)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(cè)壁上，空氣速度最?。◣缀鯙榱悖?，如圖5所示。普通直噴嘴的空氣速度預(yù)測(cè)是比較簡單的。文丘里噴嘴的空氣速度預(yù)測(cè)更為復(fù)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(yuǎn)離軸線位置的氣流由于受到噴嘴側(cè)壁摩擦力的作用而減速。因此，在噴嘴軸線到噴嘴側(cè)壁的區(qū)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(duì)于大部分的商業(yè)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(dòng)的氣流的作用而加速。這種加速機(jī)理在之前的文章中也已經(jīng)介紹過了。在介紹這種加速機(jī)理的相關(guān)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(shè)我們困入到一個(gè)很大直徑的地下管道。如果在管道中沒有空氣流動(dòng)，那么我們將感受不到空氣的力量。如果空氣的速度達(dá)到每秒鐘10米，我們將能明顯地感覺到一個(gè)推力，但是這并不足以把我們吹倒。如果在這個(gè)管道中流動(dòng)著相同速度的水流，那么我們將能夠明顯感受到一個(gè)更大的推力-足以把我們推倒。這是因?yàn)樗拿芏缺瓤諝獾拿芏雀?。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(dá)到極限以后繼續(xù)增大空氣壓力，空氣速度不發(fā)生變化，但是空氣的密度增加了，這樣我們可以感受到一個(gè)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(jīng)達(dá)到了聲速。這種高速的氣流將會(huì)以一個(gè)更高的速度推動(dòng)我們沿著管道移動(dòng)。

                           vs=（1.5.CD. ρA.s/π.d. ρS）0.5(va-vs)                      （1）

    其中vS=丸料的平均速度，其中CD是指“阻力系數(shù)”（該值是無量綱數(shù)，取決于物體的形狀，對(duì)于一個(gè)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(dòng)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(duì)于空氣流的“相對(duì)速度”。

    公式（1）可能看起來有點(diǎn)復(fù)雜，我們沒有必要為了使用這個(gè)公式而要成為一個(gè)數(shù)學(xué)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(jì)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(shù)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(shù)變化對(duì)丸粒的速度影響的大小。

表1 使用Excel計(jì)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(dāng)壓縮空氣從噴嘴中噴出之后，它會(huì)以最快的速度擴(kuò)散到大氣中。在圖6中，VS表示了空氣的側(cè)向速度，VF表示了空氣的向前速度，使用這兩個(gè)速度代表空氣擴(kuò)散的效果。圖6的狀態(tài)符合當(dāng)噴嘴中的壓力為4atm是，氣流擴(kuò)散后的直徑是噴嘴直徑的兩倍。

    研究氣流的一個(gè)基本問題就是空氣是看不見的。在其它工業(yè)領(lǐng)域中，通常在氣流中通入煙霧來進(jìn)行研究。研究的一個(gè)重要區(qū)域就是靠近噴嘴出口的位置。圖7表示的是在一個(gè)透明的管中塞入發(fā)泡塑料。塑料處于壓縮的狀態(tài)，當(dāng)它從管（A處的形狀和圖6中虛線的形狀相同）中出來的時(shí)候可以模擬壓縮空氣噴出的狀態(tài)。直線C與發(fā)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(jié)束。

圖6 氣流離開噴嘴后的狀態(tài)

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(jīng)采用直接的方法（高速攝像機(jī)）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(gè)重要的問題就是：“當(dāng)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(cè)向速度，VS。離噴嘴的中軸線越遠(yuǎn)，VS越大。氣流的側(cè)向移動(dòng)促使著其中的丸料也會(huì)產(chǎn)生輕微的側(cè)向移動(dòng)，最終產(chǎn)生了圓錐體的形狀。

    當(dāng)丸料從噴嘴中噴出之后，丸料的運(yùn)動(dòng)速度會(huì)比氣流的運(yùn)動(dòng)速度慢。這意味著丸料會(huì)進(jìn)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(huì)得到最大丸料速度的“最佳點(diǎn)”。之前的研究證明噴丸強(qiáng)度會(huì)在“最佳點(diǎn)”處達(dá)到最大值（一般情況下為離開噴嘴的距離250mm）。過了“最佳點(diǎn)”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(guān)于拋丸的丸料加速在之前的文章中已經(jīng)介紹過了。丸料是在快速旋轉(zhuǎn)葉片的離心力的作用下加速的。每個(gè)丸料從葉片的頂部離開時(shí)，都具有兩個(gè)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(gè)矢量，如圖8所示。

圖8.即將離開葉片頂端的丸粒的結(jié)合速度矢量

    在之前的文章中已經(jīng)講過，丸料離開葉片頂部時(shí)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(dǎo)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(jì)算拋出的丸料的速度，VS

    假設(shè)葉輪的旋轉(zhuǎn)速度為50 r.p.s，即N=50s-1，R=0.2m，L=0.1m。把這些數(shù)據(jù)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(jì)算不同的葉片長度對(duì)丸料速度的影響

    例如，在上一個(gè)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(gè)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(dòng)能是與其速度的平方成正比的。當(dāng)丸料的速度是83ms-1時(shí)，其具有的動(dòng)能比丸料的速度是75ms-1時(shí)要大22.5%。

圖9. 拋丸的變量對(duì)丸料速度的影響 

兩種丸料加速方式的對(duì)比

    傳統(tǒng)的丸流產(chǎn)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(jī)理。“圈外的思考”可能是發(fā)掘其它方法的一種比較好的方法。在這一節(jié)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(fā)揮的間接的作用。首先空氣壓縮至一個(gè)壓載艙中，然后通過軟管供給到噴丸室中。有一個(gè)思路就是通過一個(gè)小的獨(dú)立的壓縮機(jī)直接連到每個(gè)噴嘴上。圖10就是這種思路的圖解。

圖10. 壓縮空氣直接驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)

    這個(gè)直接的驅(qū)動(dòng)系統(tǒng)可以避免傳統(tǒng)的軟管輸送的模式。變速傳動(dòng)將和壓力傳感器配合進(jìn)行一個(gè)閉合環(huán)路控制。

螺旋丸料推進(jìn)

    把拋丸與漿輪船進(jìn)行對(duì)比后引發(fā)了一個(gè)想法，那就是可以采用更有效率的螺旋推進(jìn)的方式進(jìn)行丸料加速。螺旋推進(jìn)的方法廣泛應(yīng)用于固體和液體（普通轉(zhuǎn)速）以及氣體（高速轉(zhuǎn)速）的介質(zhì)中。在經(jīng)過一些文獻(xiàn)專著的研究之后，沒有發(fā)現(xiàn)在固體介質(zhì)中的任何高速轉(zhuǎn)速的應(yīng)用。但這并不意味著這種方法就不可行。圖11呈現(xiàn)了采用壓縮空氣和阿基米德聯(lián)合推動(dòng)的方法。螺旋裝置可以與外部的汽缸相連，也可以在一個(gè)靜態(tài)的汽缸中加壓。這種結(jié)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(tài)的丸料加速方式。

圖11 空氣壓縮機(jī)和螺旋式壓縮機(jī)結(jié)合的丸料加速方式示意圖

結(jié)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(qiáng)度等參數(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用了。噴丸的過程控制取決于這些參數(shù)的聯(lián)合作用。這些聯(lián)合作用可以用圖示或等式或兩者結(jié)合的方法進(jìn)行表達(dá)。在這篇文章中，主要研究了單個(gè)參數(shù)對(duì)丸流的影響?？梢猿浞掷肊xcel表格來研究單個(gè)參數(shù)變化對(duì)函數(shù)值的影響。我們只需要把各個(gè)參數(shù)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(shù)對(duì)丸料速度的影響了。

    噴丸技術(shù)的不斷進(jìn)步需要我們?cè)谀壳皣娡柩b備上做出或大或小的改進(jìn)。可能目前在改進(jìn)路上的最大的障礙就是我們的態(tài)度，“我們一直用的就是這種方法并且很有效，那我們?yōu)槭裁匆淖兡亍?。我們只有不斷的?chuàng)新才能帶來收益的增長。在本篇文章中給出了兩個(gè)例子，可能能指出今后可以作出改變的地方。