第十七期 wan料束liude能量和打击力
发布shi间:2017/5/25 12:01:10

引 yan                                                                                                        

    喷wande作用是通过莐ang辛ewan料束liu击打零件而shi现de。wan料束liude能量取决于wan料速du、wan料liu量yi及wan料和载体介质(空气或者shui)de密du。dangwan料束liu击打零件shi,其大量能量转化成为aokang、压ying力和表面deling作硬化。目前guan于wan料束liushi加在零件shangde力fang面de研究不多,但是这样de力又是很zhong要de。wan料束liu打击力de测shi是比絰ian菀譫e,但是需要深入研究wan料和载体de打击力fen别所zhande比例。

    ben文lie出de公shi可yi合理地精确计算wan料束liude能量和打击力。理jieben文中de公shi需要ju有一定deshu学bei景,这样就可yi掌握公shi中deshijiyi义。ben文有单独dezhang节介绍,采用Excel表格运用相guan公shi可yi计算任何zhuang态下dewan料束liude能量和打击力。通过计算可yi得出,通常情况下喷wan束liude功lv可yi达dao几百wa,然而抛wan束liude功lv可yi达dao糶aia。针dui于ping面表面de喷wan,wan料束liude打击力可yicong几十niudao几百niu不等。dang压suo空气中混有wan料shi,会受dao牵制xiaoyingdeying响,与仅有压suo空气相比,压suo空气de打击力会下降。在ben文余下de部fen,假设空气为liu体de载体。为了适ying不同deliu体特征,相guan等shi可yi进行相yingde修gai。

wan料束liude能量

    wan料束liu是wan粒和liu体载体(一ban认为是空气)de混合wu,其运动速du非常快。因此,wan料束liude能量P由两部fen组成,wan料能量S和空气能量L。可得P=S+L。wan料de功lv是每miao通过一ge特定区域AB(如图1所shi)de所有wan料de动能zhi和。空气de功lvL是每miao通过特定区域AB(如图1所shi,面积为A)de一定体积de空气de动能。

wan料de功lvS

    wan料de功lv是每miao通过一ge特定区域de所有wan料de动能zhi和。每ge通过该区域dewan料都会贡献其动能,1/2mvS2。wan料yi一ge非常高de频lv击打零件de表面。再加shang零件ben身de高转动惯量,因此wan料de击打过程可yi认为是连续de。wanliu量M是一fen钟内喷she出de所有wan料de质量zhi和。因此,采用公制单位可得:

S=M* Vs2/120                               (1)

    其中,Sde单位为wa特,Mde单位为千克/fen钟(Kg/min),Vsde单位是米每fen钟(m/s)。

    举一ge喷wandedian型de例子:

    如果M=10Kg/min,VS=50ms-1,na么S=208wa特。

 

图1. 一ge喷wan束liu通过ping面ABhou形成de横截面


    公shi1是基于在一miao钟li每gewan粒de动能1/2mv2de总和。

    如果采用ying制,na么公shi(1)变为:

  S=M*vs2/2848                                (2)

    其中Sde单位仍为wa特,但是Mde单位变为bang每fen钟(lb/min),VS单位变为ying尺/miao(ft/sec)。

    采用shang述de公制deshu据,M=22lb/min,vs=164ft/sec。dai入公shi(2)可得S=208wa特。

    抛wandewanliu量要比喷wan高一ge等级,抛出dewan料de功lv可达糶aia。

空气de功lvL

    空气de功lvL是是每miao通过特定区域de一定体积de空气de动能。空气每miao通过一geping面de体积V取决于其速duVA和该ping面de面积A(如图1所shi)。可得V=VA*A。任何wu体de质量均为其密duρ乘yi其体积。因此,每miao钟liu过特定面积de空气质量可得ρ*VA*A。空气de动能L为在一miao钟li通过特定面积de空气质量de动能zhi和。因此:

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

    其中Lde单位为wa特,ρde单位为Kg•m-3,VAde单位是m/s,Ade单位是m2.

    空气在大气压力环境下de密du为1.225 Kg•m-3。假设空气yi一定de速duVA(50ms-1)穿过de面积A为0.001m2(1000mm2)祅a颍琩ai入公shi(3)中可得该空气de功lv为77wa特。

   但是,如果liu体载体是shui(shuide密du为1000kgm-3),na么在xian前de例子中,该liu体de功聅hi湮读?2.5千wa!

喷wan束liude总功lv,P

    wanliude功lvP是wan料功lvS和空气功lvLzhi和,如图2所shi。如果假设wan料和空气de速du几乎相等,na么会得dao一ge非常非常近side公shi:

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

    其中v表shide是wan料和空气de速du。

 

图2. 喷wan束liude构成

    wan料和空气de速du会在距离喷枪de“中和点”处相等,即VS=VA。该点同shi又縮ha莆皌ian点ao诟玫鉺hi可yi得dao最高de喷wan强du。图3中deNP即为中和殿。cong喷枪出koudao中和点de过硉ao校掌葁an料de速du快,因此,wan料可yi一直被加速。通过中和点hou,wan料de速dukai始降低。

    如果在空气liu中不加入wan料de话,na胏ong爰尤雡an料de空气liu相比,其速du在任何位zhi都会更高。如果有wan料存在,na就yi味着高速空气必须duiwan料做功进而加速wan料。同shi,空气liu动de模shi也会受dao干萵iu蛭掌鴉en子必须rao过wan料liu动。

 

图3. dang空气和wan料获得相同速dushi得daode中和点(NP)


喷wan束liude打击力

    喷wan束liu在击打零件shi会引入一ge力。该打击力会随着喷wan束liude能量增加而增加。可yi通过niu顿第二运动定律lai推倒喷wan束liude打击力。niu顿第二运动定律可yimiao述为:

    wu体所受liu体de打击力等于该wu体受击打前houde动量随shi间de变化lv。

    动量是质量乘yi速du。因此动量de变化lv是质量乘yi速du再除yishi间。na么要推算喷wan束liude打击力,可yi使用两ge公shi:

    wan料de打击力,Fs=质量×速du/shi间或者

Fs=M*VS/60                               (5)

    其中M是指wanliu量,单位为Kg/min,VS是指wan料de速du,单位为ms-1

空气de打击力,FA=ρ*A*VA2                 (6)

    其中ρ是指空气de密du,单位为kg/m3,vA是空气de速du,单位为ms-1

    公shi(5)表明wan料de打击力与wanliu量和wan料速du成正比。公shi(6)表明空气de打击力与横截面积成正比,与空气速dudepingfang也成正比。图4显shi了两种打击力随速dude变化曲xian,其中根据shiji情况设有不同dewanliu量和横截面积。需要注yide是,dang速duzu够高shi,空气de打击力要大于wan料de打击力。

 

图4. 一束喷wan束liu中空气和wan料de力de变化性


    喷wan束liude打击力F可yi通过把wan料de打击力和liu体de打击力相紋ong吹胐ao:

喷wan束liude打击力,F=M*VS/60+ρ*A*VA2                     (7)

    即使已经知道了F,M,ρ和A,但是公shi(7)中仍然bao含两ge“未知值ao琕S和VA。衴i薲e是,大多shude喷wan距离就是或者近si是喷枪至NP(中和点)de距离,此shiVS等于VA。dangwan料和空气de速du相等shi,wan料和空气de打击力相加得daode结果如图5所shi。图5de例子中,M=4kg/min,A=0.002m2

    dui于图5中deX点,可yi认为空气贡献了6.25Nde打击力,wan料贡献了3.75Nde打击力,总de打击力为10N。X点duiyingde速du为52ms-1

 

图5. dang空气和wan料速du相等shi喷wan束liude力


打击力de测shifang法

    喷wan束liude打击力可yi容易地进行直接测shi。图6显shi了一种直接打击力de测shi装zhi。

 

图6. wan料束liu力de测shi设备

    打击力可yi通过多种设备进行测shi,可使用测力传ganqi,也可使用简单de家用测zhong天ping。图6显shide装zhi非常祅a崆桑蓎i安装在喷wan设眊ang衐e各ge位zhi,比如可襶uan鈙hi多ge喷枪de打击力。

打击力de测shi研究

    打击力de测shi也需要压suo空气和wanliu量de测shi。可采用E.I.公side测shi装zhi进行测shi。测shi打击力所需de条件bao括高控制精dude喷wan设备、S230wan料、8mmde喷枪、喷wan距离为150mmyi及放在经过tuo善bao护deshu字天pingshangde目标金属板。喷wanhou在金属板shangde打击区域(由众多aokang组成)de謆en段?9.5mm,转化成面积A为1924mm2。表1为测shi所得de12geshu据(已congying制转化为公制)。可采用图shidefang法秠uan?deshu据进行fen析。


表1 通过E.I.公si测shi获得de力de测shishu据

 

图7. dui于仅bao含空气de喷wan束liu,其冲击面积为1924mm2deyuan形区域de力de预测

    图7为“仅空气liu”de相guanshu据,可yi得出:(1)打击力随空气压力de增加而增加;(2)空气速du57、79和98ms-1duiyingde压力fen别为20、40和60psi。

    在fen析空气+wan料(喷wan束liu)deshu据zhi前,需要记zhude是:

    空气liu加入wan料hou,其速du一定会下降。

    wan料加入de越多,空气速du下降de越快。

    图8表shi了liu量为4.5kg/min和空气压力为40psishi喷wan束liushi加de力(打击力)。该喷wan束liude打击力为11.1niu顿(jian表1)。空气和wan料速du相等shide点X(jian图5)duiyingde打击力为11.1niu顿。X点duiying速du为54ms-1。dang空气压力为40psishi,duiyingde空气速du为79ms-1。因磗i蓎i推断dang在空气liu中加入wanliu量为4.5kg/mindewan料shi,空气de速ducong79 ms-1降dao了54 ms-1。速du降低了25 ms-1,dang然这是完全合理。需要注yide是,dang空气速du为79 ms-1shi,其打击力为14.7niu顿,比空气wan料混合束liude11.1niu顿de打击力明显要高。

    可yi在表1中另wai9geshu据进行类sidefen析。只需把相guan公shi输入daoExcel表格中进行运算即可,wu需再进行绘图fen析。表1中shu据de相guanfen析结果如表2所shi。

 

图8. wanliu量为4.5kg/min和空气压力为40psishi喷wan束liushi加de力(打击力)


    “制动”是空气liude速du和加入wanliuhoude混合束liude速dudechayixiao果。例如,在空气de压力为20psishi,在没有混入wan料祅a榭鱿缕渌賒u为56.8ms-1。dang加入wanliu量为2.2kg/mindewan料hou,其速du减小至42.4ms-1。速du祅a癶ouchayi(56.8-42.4)就是制动值14.4 ms-1。dui于任何打击力和空气速du,制动xiaoying随着wanliu量de增加而增加。在不同de空气压力和相同dewanliu量de条件下,制动xiaoying是非常一致de。例如,在wanliu量均为4.5kg/minde条件下,dang空气压力fen别为20、40和60psishi,其制动值fen别为24.4、24.4和25.7 ms-1


表2 dui于估测de速du和制动xiaoyingdeshu据fen析


能量和打击力de估算

   用于估算能量和打击力de公shi可yi很容易地输入daoExcel表格中。表3中liedeshu字和行de字母与Excel表是一致de。在Dlie中de3dao7行输入原始shu据hou,就能得dao一系lie估算de结果,图3中红色deshu字。表4中给出了不同喷wan束liude能量和打击力de结果。


表3 采用Excel表格估算喷wan束liude功lv和打击力

 


表4 估算shi加在ping面shangde喷wan束liude功lv和力发(打击力)

 


tao论

    可yi认为喷wan束liude功lv和打击力是喷wan参shu(喷wan强du、fugailv和残余ying力chang)de有用补充。它们可yi为喷wande过程控制提供不同defang法。

    xian前通用电气公sideRobert A. Thompson已经dui喷wan束liude打击力进行了研究。他在1989年发明de专利(美国专利号4,848,123)讲述de是把力传ganqi放zhi在喷枪houde位zhiyi用lai检测喷枪de反作用力。这样把wan料cong喷枪推出去de力就可yi进行检测了。这不同于喷wan束liu击打零件de力,该击打力会随着距离de变化而变化。ben文推荐de打击力测shi装zhi可yi直接监测喷wan束liu,可yifang便地襭ing瞥雠鐆an室,ling活衴uan冉虾谩Ⅻ/span>

    可yi通过检测空气liude击打力lai检测cong喷枪喷出de压suo空气dewen定情况。压suo空气击打力de变化是喷wan压suo空气是否正常de直接反ying。所yi这种fangshi很有可能可yi用lai检测空气压力阀等装zhi是否有xiao,而这些装zhi是装在喷枪zhi前de供给系统shangde。

dui于一ge特定de喷wan束liu,测shi其打击力可yi用于:(a)在shiji喷wan过硉ao辛慵欠窕岱⑸湫危唬╞)zhi前de喷wan参shu是否仍能达daogui定de喷wan强du。由于喷wan束liude打击力造成de喷wan变形在zhi前de第四期和第六期de文zhang中也已经进行了相guande介绍,在此不再赘述。

    ben篇文zhang中deguan于功lv和打击力de公shi秊i腔诨鵥endewu理定律。打击力可yi通过非常简单de装zhi进行测shi。打击力de公shi可yi定量地表征加入wan料houdui空气liu速dude减huan作用。这謟hi鈙hi可yi推断出在中和点(tian点)de位zhi处空气和wan料速du达成一致。ben篇文zhang中de力学公shi可yi进行相yingde修gai,yi适ying不同de速du设定值。

    shi約hi呐鐆an过硉ao校缱旌土慵e距离ying该等于或近si等于其中和距离。在这ge距离shang,wan料可yi获得最大de速du,因此也可yi获得最大de喷wan强du。中和距离可yi通过shi验萬anā?梢yuan捎脃i下两种fang法进行shi验:(a)在不同de喷wan距离下进行饱和曲xianshi验;(b)dui抛光houdegang制shi片进行不同距离de喷wan,喷wanfugailvshuiping要低。喷wanhou检测aokangdeping均謆en叮琣okang謆endui酱螅鐆an强du越大。shi片推荐ruangang材料,因为该材料拍zhaoxiao果比较簄iu琭ang便于aokang謆en禿e测shi。

    大de打击力也可yi使用ben篇文zhangde公shi进行测shi。非常大de打击力可yi使薄板金属发生塑衴uan湫巍@纾瑂huisheliu已经用于0.3mm厚de已退火铝合金薄板de成形工艺。在shuisheliu中加入gangwan可襶uan鷝u够大de打击力使得不锈gang板发生塑衴uan湫危?Iseki etal, Key Engineering Materials, p. 575, vol. 344, 2007)。如果liu体载体为shui,na么dai入ben文中de公shihou就可yi发现liu体载体de密dudui于提高打击力dezhong要性了。