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

氣動(dòng)噴砂技術(shù)，就是以壓縮空氣為動(dòng)力，以某種方式與砂料混合並形成噴砂射流的技術(shù)。通常，根據(jù)噴砂軟管內(nèi)的壓力狀態(tài)，我們可以把所有氣動(dòng)噴砂技術(shù)或設(shè)備分為兩大類。一類噴砂機(jī)為吸入式(也稱吸送式)噴砂機(jī)，噴砂軟管內(nèi)的壓力低於大氣壓；另一類是壓入式(也稱壓送式)噴砂機(jī)，噴砂軟管內(nèi)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(jī)指的是徑向吸砂的噴砂機(jī)，圖1是這種噴砂機(jī)主要部件噴砂槍的典型結(jié)構(gòu)。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(jī)，但是重量隻有幾公斤重，其體積重量和方便性又明顯優(yōu)於成百上千公斤重的壓入式噴砂機(jī)。所以，業(yè)內(nèi)一致的看法是：“壓入式噴砂機(jī)(具)和吸入式噴砂機(jī)(具)各有特點(diǎn)，不能互相取代。”

然而，將吸入式噴砂機(jī)的噴砂速度和效率提高到與壓入式噴砂機(jī)水平相當(dāng)，一直是噴砂界夢(mèng)寐以求的夢(mèng)想，也是長期不懈努力的方向。業(yè)已開發(fā)成熟和投入使用的軸向聚焦式噴砂機(jī)使得在這一方向的技術(shù)進(jìn)展有了一定的突破。

1．常規(guī)徑向吸入式噴砂技術(shù)低速、低效現(xiàn)象分析

在介紹軸向聚焦式噴砂機(jī)高速、高效的原理之前，不妨分析一下常規(guī)徑向噴砂技術(shù)低速、低效的內(nèi)在原因。

吸入式噴砂技術(shù)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(dòng)真空器件的設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)和使用數(shù)據(jù)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(dòng)和便於理解了。

大量應(yīng)用於現(xiàn)代化生產(chǎn)線上和精密量儀上的真空氣動(dòng)係統(tǒng)，它們的核心器件是真空發(fā)生器。從結(jié)構(gòu)上看，每一個(gè)真空發(fā)生器酷似縮小了的吸入式噴砂槍。氣動(dòng)器件廠商問接地為我們分析吸入式噴砂槍和合理設(shè)計(jì)噴砂槍提供了成熟充足的實(shí)物資料和可靠翔實(shí)的參考數(shù)據(jù)。真空發(fā)生器也有三個(gè)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(jìn)氣口、吸砂口和噴砂口；真空發(fā)生器內(nèi)部的噴氣嘴和噴射器也類似徑向噴砂槍內(nèi)部的噴氣嘴和噴砂嘴。

真空發(fā)生器在結(jié)構(gòu)上也有標(biāo)準(zhǔn)型和管型之分。標(biāo)準(zhǔn)型是徑向真空口，管型為軸向真空口。熟悉真空發(fā)生器的人都會(huì)發(fā)現(xiàn)，在標(biāo)準(zhǔn)型真空發(fā)生器類彆中，仍可按吸氣量大小和真空度大小進(jìn)一步選擇產(chǎn)品參數(shù)。例如，國際傑出氣動(dòng)元件商PISCO仍將每一口徑參數(shù)的器件細(xì)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(shù)中發(fā)現(xiàn)，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(dá)不到中真空大流量L型的一半。然而重要的是，型號(hào)中找不到高真空高(吸氣)流量的產(chǎn)品品種，是不需要該品種嗎?顯然不是。以此類推，結(jié)構(gòu)形式一致的徑向吸入式噴砂槍與標(biāo)準(zhǔn)型真空發(fā)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(shí)達(dá)到*大值才能充分提高噴砂槍的噴砂效率。但標(biāo)準(zhǔn)真空發(fā)生器和徑向吸入式噴砂槍在實(shí)際使用當(dāng)中不可能使兩者同時(shí)達(dá)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(biāo)準(zhǔn)型真空發(fā)生器以及徑向吸入式噴砂槍的兩個(gè)重要參數(shù)――真空度和吸氣流量會(huì)彼此矛盾?結(jié)合圖1，再進(jìn)一步分析。圖1是氣動(dòng)性能和結(jié)構(gòu)參數(shù)接近於理想狀態(tài)的徑向吸入式噴砂槍的工作剖麵圖。此時(shí)，噴氣射流外邊界恰好指向噴砂嘴導(dǎo)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(huì)加寬，但噴氣射流外邊界部分氣流會(huì)因接觸導(dǎo)向斜麵而產(chǎn)牛激烈湍流乾擾汶丘裡效應(yīng)，導(dǎo)致負(fù)壓損失；如果縮小嘴間距，雖然噴氣射流形狀與結(jié)構(gòu)形狀進(jìn)一步吻合，有利於保持負(fù)壓，但吸氣和行砂通道被進(jìn)一步壓縮形成空間分散高阻力性質(zhì)的“套管路徑”，從而導(dǎo)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(jié)構(gòu)性的矛盾。即便在如圖1所示的*佳狀態(tài)，也隻是負(fù)壓值和出砂量“相互讓步”得到的極不穩(wěn)定的相對(duì)平衡狀態(tài)。加之砂料沿套管通道從外部呈非對(duì)稱分布進(jìn)入主氣流，噴氣射流的能量密度和砂料密度一路發(fā)散(不再彙聚)，能量持續(xù)衰減，還要完成產(chǎn)生負(fù)壓和加速砂流的任務(wù)，結(jié)果是負(fù)壓有限、加速無力。這就進(jìn)一步闡述了徑向噴砂槍效率低下的機(jī)理性原因。

2．軸向吸入噴砂技術(shù)是提高噴砂效率的方向

在查找真空發(fā)生器時(shí)還發(fā)現(xiàn)，軸向真空口的管型真空發(fā)生器與標(biāo)準(zhǔn)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(shí)，吸氣量明顯高於標(biāo)準(zhǔn)型。

通常高真空是砂料加速和產(chǎn)生吸砂動(dòng)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(guān)係砂料流量的大小。與管型真空發(fā)生器結(jié)構(gòu)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(jié)構(gòu)優(yōu)化將真空度和吸入氣流量這兩個(gè)重要參數(shù)同時(shí)提高到較高水平，從而達(dá)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(fā)實(shí)踐中，發(fā)現(xiàn)由於軸向直線管路完全成為吸砂通道，吸砂量明顯增加。環(huán)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(duì)於軸向吸入式噴砂槍至關(guān)重要。通常，軸向真空口的管型真空發(fā)生器比標(biāo)準(zhǔn)型發(fā)生器的真空度低30％，要想提高軸向噴砂槍的效率，改進(jìn)噴氣嘴是技術(shù)關(guān)鍵。

3．軸向聚焦式噴砂機(jī)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(biāo)均有所突破。LYP-3.0B型和LYP-1.6B型軸向聚焦式噴砂機(jī)經(jīng)過大量試用戶和購買用戶一段時(shí)期的使用認(rèn)為，該型噴砂機(jī)基本達(dá)到壓入式噴砂機(jī)的噴砂水平。

軸向聚焦式噴砂槍解決了兩個(gè)主要?dú)鈩?dòng)學(xué)問題。

(1)噴氣嘴采用超音速拉瓦爾噴嘴冇計(jì)  其收縮段曲線為維托辛斯基曲線，喉部采用圓弧過渡，擴(kuò)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(jié)構(gòu)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(huán)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(jī)理在噴砂嘴加速磨損試驗(yàn)中得到證實(shí)，噴砂嘴出口段有大片膨脹磨損區(qū)，其他部分磨損很小，特彆是喉徑部位冇有磨損，這是因?yàn)槌羲偾放蛎浛諝馍淞骱蜕傲显谳S線上聚焦成核，而使噴砂嘴喉徑部位形成空當(dāng)。

軸向吸入式噴砂不存在原理的內(nèi)部矛盾，所以它和壓入式一樣符合能量轉(zhuǎn)換和守恒定律。由於所建立的粗糙的數(shù)學(xué)模型無法模擬和反映軸向噴砂槍內(nèi)部多參數(shù)氣動(dòng)力學(xué)的進(jìn)行過程。大量結(jié)構(gòu)優(yōu)化工作是通過試驗(yàn)校正完成的。

優(yōu)化結(jié)構(gòu)從以下幾方麵進(jìn)行：

(1)采用超音速射流理論和方程設(shè)計(jì)拉瓦爾收放噴氣嘴，以產(chǎn)生*大負(fù)壓為目標(biāo)調(diào)整回轉(zhuǎn)體氣嘴母線各種曲線參數(shù)。

(2)調(diào)試環(huán)狀狹縫寬度。它主要關(guān)係耗氣量。

(3)調(diào)試環(huán)縫氣嘴錐麵角度。它主要關(guān)係到砂流的持續(xù)加速過程。

(4)調(diào)試軸向砂流通道的口徑。它主要關(guān)係砂流量。

(5)調(diào)試噴砂嘴導(dǎo)向斜麵的角度。它要求與空氣射流徑向擴(kuò)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(diào)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(zhì)密度很高的聚焦核位於噴砂嘴中部，創(chuàng)造負(fù)壓和加速砂流在此處集中完成。

(7)調(diào)試噴砂嘴與環(huán)縫噴氣嘴的軸向距離。同樣要求與空氣射流形狀吻合。

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

(9)選擇和調(diào)試吸砂管口徑，它提供的管內(nèi)截麵積與吸氣氣流的風(fēng)速有關(guān)，所形成的風(fēng)流風(fēng)速，對(duì)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(yīng)用實(shí)踐

軸向聚焦式噴砂技術(shù)在研製和技術(shù)推廣過程中，得到了中國熱噴塗技術(shù)專業(yè)委員會(huì)及會(huì)員單位的大力支持，試驗(yàn)校正和結(jié)構(gòu)優(yōu)化都是在這裡進(jìn)行的。

*重要的真空度指標(biāo)，在優(yōu)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(dá)到95kPa。相當(dāng)於性能優(yōu)異的大型真空發(fā)生器，重要的負(fù)壓值甚至優(yōu)於(僅53kPa)進(jìn)口真空器件。與上述結(jié)論相一致的是：每次負(fù)壓值的提高，都導(dǎo)致出砂量乃至實(shí)際噴砂能力的大幅度提高。當(dāng)今，業(yè)已定型的LYP-1.6B型和LYP-3。OB型軸向聚焦式噴砂槍負(fù)壓都達(dá)到了80kPa，考慮加工誤差，出廠產(chǎn)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(dá)到600kg／h。甚至高於壓入式噴砂機(jī)500kg／h的平均出砂量。

隨著關(guān)鍵參數(shù)的不斷提高、結(jié)構(gòu)日趨合理，軸向聚焦式噴砂機(jī)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(jī)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(jī)媲美。實(shí)例如圖3所示。

圖4 用戶使用LYP-1.6B型噴砂機(jī)以8.5㎡h處理結(jié)構(gòu)件

用戶更關(guān)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(jí)達(dá)到85平方米/每小時(shí)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(shí)間不磨損不變形。3.0型軸向聚焦式噴砂槍的耗氣量達(dá)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(shè)計(jì)，否定了原漏艙式設(shè)計(jì) 軸向聚焦式噴砂槍完成定型之後，發(fā)現(xiàn)在高強(qiáng)負(fù)壓之下，吸砂管中的砂流仍然存在不均勻的問題。發(fā)現(xiàn)原設(shè)計(jì)的艙式可調(diào)節(jié)砂料線存在問題。當(dāng)空壓機(jī)壓力恒定時(shí)，調(diào)試好的出砂量運(yùn)行平穩(wěn)。

5．結(jié)語

軸向聚焦式噴砂槍之所以有高效率的表現(xiàn)，首先源於合理結(jié)構(gòu)形式(該結(jié)構(gòu)形式消除了真空度和吸氣流量的矛盾)；其次是充分發(fā)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(dòng)能來源；更重要的是在超音速射流欠膨脹階段迫使其“環(huán)聚成核”，這種聚焦核體積小，能量密度和物質(zhì)密度極大，十分有利於形成負(fù)壓和加速砂流，同時(shí)對(duì)減少噴砂嘴磨損也有益處。

在科技發(fā)展日新月異的今天，冇有什麼技術(shù)是一成不變的。噴砂技術(shù)雖然相對(duì)古老，但是以節(jié)能降耗和方便操作為目的的技術(shù)革新與**不僅是有益的，而且還是有潛力的。軸向噴砂技術(shù)在發(fā)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(shù)的推廣和發(fā)展也許是改變噴砂技術(shù)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(shù)效率低下的有效途徑。