一種均勻高效的吸入式噴砂槍的基本結構和設計方法

2023-11-11 00:02:22 1

一種均勻高效的吸入式噴砂槍的基本結構和設計方法
【專利摘要】本專利公開了一種均勻高效的吸入式噴砂槍的基本結構和設計方法。形狀相同、相互平行、均勻分布的多個噴氣孔組成的多孔噴氣嘴結合噴砂混合嘴、噴砂槍體和吸砂口的合理設計形成了一種新型的吸入式噴砂槍結構。按照本專利公開的基本結構和設計方法設計的這種噴砂槍對比現有的單孔噴氣嘴的噴砂槍，在同樣噴氣流量條件下能夠產生同樣的負壓，但噴砂混合嘴口徑和噴砂流量更大，噴砂射流內部的速度分布和密度分布更加均勻，噴砂效率明顯提高。
【專利說明】一種均勻高效的吸入式噴砂槍的基本結構和設計方法
[0001]本專利涉及特殊設計的吸入式噴砂槍。可應用於噴砂、噴丸和物料輸送等【技術領域】。
[0002]吸入式噴砂槍是採用文丘裡噴射器原理，利用噴氣嘴噴出的高速氣體射流產生負壓效應將砂料通過吸砂口吸入到噴砂槍(噴射器)中，再通過噴砂混合嘴形成噴砂做功射流。噴氣嘴和噴砂混合嘴的幾何形狀和相對位置對氣動噴砂過程和效果有直接影響。大量使用的吸入式噴砂槍內外形狀雖有所不同，但都是由噴氣嘴、噴砂混合嘴、封閉槍身以及槍身上安裝的吸砂口等四個基本部分組成。
[0003]現有技術的吸入式噴砂槍採用兩種常規的噴氣嘴形式，一種是常用的中心單孔噴氣嘴形式，另一種是同軸吸入式噴砂槍所採用的環縫噴氣嘴形式(ZL03279845.8)。採用以上兩種噴氣嘴的噴砂槍在實際使用中仍表現有不足之處。主要表現在射流中砂粒速度和砂粒密度不均勻，噴砂混合嘴偏心磨損嚴重，噴砂效率低下等。
[0004]高速氣體射流邊界層產生負壓並對被吸砂料及氣體產生卷吸作用是氣體噴射器和吸入式噴砂槍的主要工作機理，邊界層的大小和結構對噴砂射流性能會產生根本性的影響。已有技術中，噴砂槍的噴氣嘴普遍採用中心單孔噴氣嘴。保障噴砂效率的關鍵在於噴砂槍身內部產生或獲得較高的負壓。所以，吸入式噴砂槍設計要領是:噴氣射流的擴張喇叭狀氣流(通常測得的單孔噴氣射流的初始半擴張角等於小於2度)邊界層必須和噴砂混合嘴內壁接觸，使得噴氣射流在噴砂混合嘴內部的某段區間塞滿內徑空間，從而保持射流的單向性以保證槍身內部獲得較高的真空度。這就意味著噴氣嘴和噴砂混合嘴之間存在空間位置和口徑大小等幾何要素的制約關係。現有技術的噴氣嘴噴砂槍普遍採用單孔噴氣嘴，受制於幾何要素的制約關係，噴砂混合嘴口徑普遍較小。不能放開噴砂混合嘴口徑，也就限制了吸砂(噴砂)流量和噴砂效率。現有技術的噴砂槍存在的另一個問題是，從吸砂口吸入的砂流在進入噴氣混合嘴時處於偏心狀態。而單孔噴氣射流結構簡單，無法將噴氣射流的能量充分傳遞給被引射砂流和氣流。這種噴砂槍噴出的噴砂射流內部的粒砂速度分布和砂粒密度分布存在不均勻性。這種不均勻性一方面影響噴砂表面質量的均勻性，另一方面造成噴砂混合嘴的偏心磨損。偏心磨損加快了氣動參數變化，很容易造成不同時段噴砂質量的波動。所以，現有單孔噴氣射流的噴砂槍存在的問題有:1)受到「吸入式噴砂槍設計要領」的制約，採用單孔噴氣嘴的吸入式噴砂槍的噴砂混合嘴口徑普遍較小，噴砂流量和噴砂效率較低；2)被吸砂流進入噴氣射流存在非對稱性，噴砂射流內部的砂粒速度和密度存在明顯的不均勻現象，影響工件表面噴砂質量均勻性；3)噴砂射流內部砂粒速度和密度的不均勻性加快了噴砂混合嘴的偏心磨損，容易導致不同時段的噴砂質量出現波動。
[0005]同軸吸入式噴砂槍採用環縫噴氣嘴形式(ZL03279845.8)。由於環縫噴氣嘴噴出的噴氣射流具有匯聚性和封閉性，當噴砂混合嘴喉徑放大後這種噴砂槍仍能得到較大的負壓，而且吸入砂流形成的噴砂射流內部的砂粒速度和密度較均勻，噴砂射流的流量和噴砂效率也有所提高。但是，環縫噴氣射流是薄膜狀射流，能量不如圓孔嘴噴出的圓截面噴氣射流的能量集中，獲得的砂粒速度有所降低，仍一定程度限制了噴砂效率的提高。
[0006]本專利的目的是:用改進的多孔噴氣嘴替換吸入式噴砂槍現有的單孔噴氣嘴，保留中心單孔噴氣嘴和環縫噴氣嘴的技術優點，同時克服它們的不足，謀求進一步提高吸入式噴砂槍的噴砂均勻性、一致性和噴砂效率。
[0007]本專利將在公開這種均勻高效的吸入式噴砂槍基本結構的基礎上，進一步闡述了該噴砂槍的設計方法。
[0008]本專利的目的是這樣實現的:在現有技術的吸入式噴砂槍的基礎上，將原單孔噴氣嘴改為多孔噴氣嘴。這些噴氣孔的形狀相同，以噴砂混合嘴軸線為核心均勻分布並且每個噴氣孔軸線平行於噴砂混合嘴軸線。與噴氣嘴配合設計的噴砂混合嘴依次由較短的收縮段、較長的柱狀中間段和較長的小角度擴張段組成。噴砂混合嘴的截面形狀也與噴氣嘴的孔分布形狀相一致。這樣設計遵從這樣的設計思想:從多孔噴氣嘴噴出的多個擴張喇叭狀噴氣射流在噴砂混合嘴的柱狀中間段內部匯合併自然混合成為一個噴氣射流。在噴氣射流合成之前，多個獨立的噴氣射流存在較大面積的卷吸表面，而且絕大部分卷吸結構不和噴砂混合嘴內的固體表面發生接觸，而是彼此交叉融合。通過建立合理的幾何關係，可以迫使合成的噴氣射流的外圍邊界層和噴砂混合嘴固體內壁相接觸，使得合成的噴氣射流「塞滿」噴砂混合嘴的柱狀中間段。
[0009]這種多孔噴氣嘴的噴砂槍設計思想仍然符合前面提出的「吸入式噴砂槍的設計要領」。
[0010]與單一噴氣射流噴砂槍相比，本專利涉及的均勻高效的吸入式噴砂槍有如下特點。
[0011]I)在合成為統一的噴氣射流之前，存在更大面積的噴氣射流邊界層，有利於增加被吸引的砂料量和氣流量；
[0012]2)多股噴氣射流邊界層在噴砂混合嘴柱狀中間段的徑向空間內相互接觸和彼此融合，而單孔噴氣嘴噴出的一個噴氣射流邊界層只與噴砂混合嘴內壁的固體表面接觸。兩種噴氣射流結構中，吸入砂料混合成為噴砂射流的過程，前者更主要發生在噴砂混合嘴柱狀中間段的內徑空間當中，而後者則主要發生在噴砂混合嘴的內壁周邊。不難看出，多股噴氣射流結構更有利於能量的充分交換，有利於砂粒速度和密度在混合後的噴砂射流中均勻分布，有利於形成均勻性更好、速度更高的噴砂射流；
[0013]3)由多個獨立噴氣射流混合而成的噴氣射流具有較大的截面積，有利於在同樣耗氣量和產生同樣負壓前提下放大噴砂混合嘴口徑，有利於提高噴砂流量和噴砂效率；
[0014]4)由於吸引砂料大部分發生在徑向空間，噴砂射流中砂粒密度比較均勻，而單孔噴氣嘴噴砂槍吸引砂料主要發生在噴砂嘴內壁。所以在多孔噴氣嘴的作用下，參與碰撞和衝刷噴砂混合嘴環形內壁的砂粒數量將減少，沿噴砂混合嘴周邊的衝刷磨損程度也趨於均勻，偏心磨損現象得以減輕，噴砂混合嘴壽命得到延長；
[0015]5)隨著噴砂混合嘴偏心磨損現象降低，噴砂混合嘴全壽命期間的氣動參數波動性相應減少，有利於提聞不同時間段噴砂質量的一致性。
[0016]均勻高效的吸入式噴砂槍基本結構在遵從「吸入式噴砂槍的設計要領」的同時。為了充分利用噴氣射流的初始動能，噴砂槍內部尺寸和結構必須圍繞噴氣射流緊湊設計。
[0017]具體設計方法闡述如下:
[0018]I)噴氣嘴噴出的擴張喇叭狀噴氣射流彼此匯合相交的發生位置應在噴砂混合嘴的柱狀中間段。根據高壓噴氣射流初始擴張半角小於等於2度進行結構尺寸設計；
[0019]2)為保證噴砂砂粒具有較高的速度的同時要留出卷吸砂流的空間。噴氣嘴與噴砂混合嘴之間的軸向距離應略大於噴砂混合嘴的柱狀中間段的口徑，但要小於該口徑的2倍;
[0020]3)多孔噴氣嘴的相鄰孔之間距離在不影響噴氣孔的收縮角和擴張角加工的前提下，儘量緊湊。原則上不應大於噴氣嘴喉徑的3倍；
[0021]4)為保證產生較高的負壓，從外圍圓孔噴氣嘴噴出的擴張喇叭狀噴氣射流的外側邊界層必須和噴砂混合嘴的柱狀中間段內表面相接觸。為此，多孔噴氣嘴的外圍噴孔和噴砂混合嘴柱狀中間段內表面的間距應不大於噴氣孔喉徑的3倍；
[0022]5)噴砂混合嘴由短的大角度收縮入口段，較長的柱狀中間段段和較長的小角度擴張段組成。根據「吸入式噴砂槍設計要領」，噴砂混合嘴入口採用較短的、收縮半角大於30度的收縮段設計，收縮段軸向長度通常不大於小埠徑(柱狀中間段直徑)尺寸；
[0023]6)噴砂混合嘴採用較長的柱狀中間段，以保證混和噴砂射流塞滿噴砂混合管的內部空間。所以，採用較長的柱狀中間段設計，但長度和口徑之比不應大於6 ;
[0024]7)噴砂混合嘴採用較長的小角度擴張的出口段，目的是配合混和噴砂射流的進一步擴張和加速，有效減少磨擦損失。擴張段的擴張半角與噴氣合成射流擴張角有關，一般不大於3度。擴張段長度和柱狀中間段口徑之比也不大於6。
[0025]將常規噴砂槍的單孔噴氣嘴分解成多個較小孔徑的噴氣嘴，在等效口徑和耗氣量基本相同時，設計的噴砂混合嘴的柱狀中間段的內徑面積勢必明顯增大，而獲得的負壓不低於常規噴砂槍。這樣的結果有利於提高噴砂流量和砂粒速度以及射流內部參數的均勻一致性。
[0026]本專利涉及的均勻高效吸入式噴砂槍從以下幾方面改進了噴砂機理和噴砂效果:
[0027]I)噴氣射流仍保留了圓截面噴氣射流能量集中的優點。
[0028]2)多股噴氣射流增加了與被引射氣流的接觸界面，邊界層等效截面面積約為單孔噴氣射流的士倍，(η是噴氣孔數量)
[0029]3)噴砂混合嘴大角度收縮入口段有利於減少砂料和噴砂混合嘴的碰撞磨損。
[0030]4)多股噴氣射流自然匯合併充滿噴砂混合嘴的柱狀中間段內部空間，在增大噴砂管口徑的同時，仍能保持較高負壓。而在使用單孔噴氣嘴的噴砂槍中，如果要擴大噴砂混合嘴口徑，試圖提高噴砂流量則會影響負壓，而要提高負壓就必須減小噴砂混合嘴口徑。使用多孔噴氣嘴則成功調和了這對矛盾。
[0031]5)多股噴氣射流在噴砂混合嘴內部空間的自然匯合，有利於氣固兩相流能量的充分交換和傳遞，提高了噴砂射流內部砂粒速度和密度分布的均勻性。這不僅提高了噴砂效率，也有效緩解了噴砂混合嘴的偏心磨損。不僅延長了噴砂混合嘴的使用壽命，也提高了噴砂質量在空間和時間上的穩定性和一致性。
[0032]6)自然匯合的多股噴氣射流在噴砂混合嘴小角度擴張段內進一步加速，有利於提高砂粒速度，內部氣動能量損耗也相應減小。
[0033]本專利的具體結構由以下的實施例及其附圖進一步說明。
[0034]附圖1是採用本專利基本結構的吸入式噴砂槍的實施例。它採用了圓周均勻分布的七孔噴氣嘴及其它配套設計。
[0035]均勻高效的吸入式噴砂槍由多孔噴氣嘴(I)，噴砂混合嘴(2)，槍身(3)和吸砂口
(4)組成。此實例中，高壓氣體經過7孔噴氣嘴(I)後，在噴砂槍槍身(3)內部產生7個獨立的噴氣射流。前方的噴砂混合嘴由收縮段(5)、柱狀中間段(6)和擴張段(7)構成。彼此獨立的具有自然小擴張角的噴氣射流在噴砂混合嘴的柱狀中間段(6)內部自然匯合成為合成的噴氣射流。外圍的空氣和砂流從噴砂槍身(3)的吸砂口(4)吸入到7股獨立噴氣射流邊界層之間，並被引入到合成的噴氣射流中間，形成噴砂射流。砂流和高速氣流在柱狀中間段(6)匯合形成的噴砂射流內部進行充分的能量交換，在擴張段(7)進一步加速。最終獲得砂粒速度和密度分布更加均勻的速度較高的噴砂射流。
【權利要求】
1.一種均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是吸入式噴砂槍由特別設計的多孔噴氣嘴、噴砂混合嘴、槍身和安裝在槍身上的吸砂口等組成。
2.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是特別設計的多孔噴氣嘴是形狀相同、圍繞噴砂混合嘴軸線均勻分布並平行於該軸線的多個噴氣孔組成的多孔噴氣嘴。
3.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是多孔噴氣嘴的相鄰噴氣孔間距不大於噴氣孔喉徑的3倍。
4.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是噴砂混合嘴由較短的大角度收縮入口段，較長的柱狀中間段和較長的小角度擴張段組成。
5.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是噴砂混合嘴的截面形狀和噴氣孔排列形狀相一致。
6.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是多孔噴氣嘴的外圍噴氣孔的孔中心和噴砂混合嘴柱狀中間段內表面之間的距離不大於噴氣嘴喉徑的3倍，以保證外圍圓孔噴氣嘴噴出的擴張喇叭狀噴氣射流邊界層外側和噴砂混合嘴柱狀中間段內表面相接觸，從而保證合成的噴氣射流充滿噴砂混合嘴柱狀中間段的內徑空間。
7.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是多孔噴氣嘴和噴砂混合嘴之間的軸向間距大於噴砂混合嘴柱狀中間段口徑的I倍，但小於2倍。
8.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是噴砂混合嘴入口段收縮半角大於30度，收縮段軸向長度小於柱狀中間段的口徑尺寸。
9.噴砂混合嘴的柱狀中間段長度和口徑之比應小於等於6，以保證多股噴氣射流在柱狀中間段自然匯合成為一股合成射流，並充滿內徑空間。
10.根據權利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特徵是噴砂混合嘴的擴張段長度與柱狀中間段口徑之比小於等於6，擴張半角不大於3度。
【文檔編號】B24C5/04GK104070460SQ201410288796
【公開日】2014年10月1日 申請日期:2014年6月24日 優先權日:2014年6月24日
【發明者】劉毅 申請人:劉毅