一種均勻高效的吸入式噴砂槍的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法。形狀相同、相互平行、均勻分布的多個(gè)噴氣孔組成的多孔噴氣嘴結(jié)合噴砂混合嘴、噴砂槍體和吸砂口的合理設(shè)計(jì)形成了一種新型的吸入式噴砂槍結(jié)構(gòu)。按照本專利公開的基本結(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法設(shè)計(jì)的這種噴砂槍對(duì)比現(xiàn)有的單孔噴氣嘴的噴砂槍，在同樣噴氣流量條件下能夠產(chǎn)生同樣的負(fù)壓，但噴砂混合嘴口徑和噴砂流量更大，噴砂射流內(nèi)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(jié)構(gòu)和設(shè)計(jì)方法
[0001]本專利涉及特殊設(shè)計(jì)的吸入式噴砂槍?？蓱?yīng)用于噴砂、噴丸和物料輸送等【技術(shù)領(lǐng)域】。
[0002]吸入式噴砂槍是采用文丘里噴射器原理，利用噴氣嘴噴出的高速氣體射流產(chǎn)生負(fù)壓效應(yīng)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(duì)位置對(duì)氣動(dòng)噴砂過程和效果有直接影響。大量使用的吸入式噴砂槍內(nèi)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(gè)基本部分組成。
[0003]現(xiàn)有技術(shù)的吸入式噴砂槍采用兩種常規(guī)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采用的環(huán)縫噴氣嘴形式(ZL03279845.8)。采用以上兩種噴氣嘴的噴砂槍在實(shí)際使用中仍表現(xiàn)有不足之處。主要表現(xiàn)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(yán)重，噴砂效率低下等。
[0004]高速氣體射流邊界層產(chǎn)生負(fù)壓并對(duì)被吸砂料及氣體產(chǎn)生卷吸作用是氣體噴射器和吸入式噴砂槍的主要工作機(jī)理，邊界層的大小和結(jié)構(gòu)對(duì)噴砂射流性能會(huì)產(chǎn)生根本性的影響。已有技術(shù)中，噴砂槍的噴氣嘴普遍采用中心單孔噴氣嘴。保障噴砂效率的關(guān)鍵在于噴砂槍身內(nèi)部產(chǎn)生或獲得較高的負(fù)壓。所以，吸入式噴砂槍設(shè)計(jì)要領(lǐng)是:噴氣射流的擴(kuò)張喇叭狀氣流(通常測(cè)得的單孔噴氣射流的初始半擴(kuò)張角等于小于2度)邊界層必須和噴砂混合嘴內(nèi)壁接觸，使得噴氣射流在噴砂混合嘴內(nèi)部的某段區(qū)間塞滿內(nèi)徑空間，從而保持射流的單向性以保證槍身內(nèi)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(guān)系?，F(xiàn)有技術(shù)的噴氣嘴噴砂槍普遍采用單孔噴氣嘴，受制于幾何要素的制約關(guān)系，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(xiàn)有技術(shù)的噴砂槍存在的另一個(gè)問題是，從吸砂口吸入的砂流在進(jìn)入噴氣混合嘴時(shí)處于偏心狀態(tài)。而單孔噴氣射流結(jié)構(gòu)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(nèi)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(zhì)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(dòng)參數(shù)變化，很容易造成不同時(shí)段噴砂質(zhì)量的波動(dòng)。所以，現(xiàn)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(shè)計(jì)要領(lǐng)”的制約，采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(jìn)入噴氣射流存在非對(duì)稱性，噴砂射流內(nèi)部的砂粒速度和密度存在明顯的不均勻現(xiàn)象，影響工件表面噴砂質(zhì)量均勻性；3)噴砂射流內(nèi)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(dǎo)致不同時(shí)段的噴砂質(zhì)量出現(xiàn)波動(dòng)。
[0005]同軸吸入式噴砂槍采用環(huán)縫噴氣嘴形式(ZL03279845.8)。由于環(huán)縫噴氣嘴噴出的噴氣射流具有匯聚性和封閉性，當(dāng)噴砂混合嘴喉徑放大后這種噴砂槍仍能得到較大的負(fù)壓，而且吸入砂流形成的噴砂射流內(nèi)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(huán)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(jìn)的多孔噴氣嘴替換吸入式噴砂槍現(xiàn)有的單孔噴氣嘴，保留中心單孔噴氣嘴和環(huán)縫噴氣嘴的技術(shù)優(yōu)點(diǎn)，同時(shí)克服它們的不足，謀求進(jìn)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(jié)構(gòu)的基礎(chǔ)上，進(jìn)一步闡述了該噴砂槍的設(shè)計(jì)方法。
[0008]本專利的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的:在現(xiàn)有技術(shù)的吸入式噴砂槍的基礎(chǔ)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并且每個(gè)噴氣孔軸線平行于噴砂混合嘴軸線。與噴氣嘴配合設(shè)計(jì)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(kuò)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(shè)計(jì)遵從這樣的設(shè)計(jì)思想:從多孔噴氣嘴噴出的多個(gè)擴(kuò)張喇叭狀噴氣射流在噴砂混合嘴的柱狀中間段內(nèi)部匯合并自然混合成為一個(gè)噴氣射流。在噴氣射流合成之前，多個(gè)獨(dú)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(jié)構(gòu)不和噴砂混合嘴內(nèi)的固體表面發(fā)生接觸，而是彼此交叉融合。通過建立合理的幾何關(guān)系，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(nèi)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(shè)計(jì)思想仍然符合前面提出的“吸入式噴砂槍的設(shè)計(jì)要領(lǐng)”。
[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(diǎn)。
[0011]I)在合成為統(tǒng)一的噴氣射流之前，存在更大面積的噴氣射流邊界層，有利于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(nèi)相互接觸和彼此融合，而單孔噴氣嘴噴出的一個(gè)噴氣射流邊界層只與噴砂混合嘴內(nèi)壁的固體表面接觸。兩種噴氣射流結(jié)構(gòu)中，吸入砂料混合成為噴砂射流的過程，前者更主要發(fā)生在噴砂混合嘴柱狀中間段的內(nèi)徑空間當(dāng)中，而后者則主要發(fā)生在噴砂混合嘴的內(nèi)壁周邊。不難看出，多股噴氣射流結(jié)構(gòu)更有利于能量的充分交換，有利于砂粒速度和密度在混合后的噴砂射流中均勻分布，有利于形成均勻性更好、速度更高的噴砂射流；
[0013]3)由多個(gè)獨(dú)立噴氣射流混合而成的噴氣射流具有較大的截面積，有利于在同樣耗氣量和產(chǎn)生同樣負(fù)壓前提下放大噴砂混合嘴口徑，有利于提高噴砂流量和噴砂效率；
[0014]4)由于吸引砂料大部分發(fā)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(fā)生在噴砂嘴內(nèi)壁。所以在多孔噴氣嘴的作用下，參與碰撞和沖刷噴砂混合嘴環(huán)形內(nèi)壁的砂粒數(shù)量將減少，沿噴砂混合嘴周邊的沖刷磨損程度也趨于均勻，偏心磨損現(xiàn)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(xiàn)象降低，噴砂混合嘴全壽命期間的氣動(dòng)參數(shù)波動(dòng)性相應(yīng)減少，有利于提聞不同時(shí)間段噴砂質(zhì)量的一致性。
[0016]均勻高效的吸入式噴砂槍基本結(jié)構(gòu)在遵從“吸入式噴砂槍的設(shè)計(jì)要領(lǐng)”的同時(shí)。為了充分利用噴氣射流的初始動(dòng)能，噴砂槍內(nèi)部尺寸和結(jié)構(gòu)必須圍繞噴氣射流緊湊設(shè)計(jì)。
[0017]具體設(shè)計(jì)方法闡述如下:
[0018]I)噴氣嘴噴出的擴(kuò)張喇叭狀噴氣射流彼此匯合相交的發(fā)生位置應(yīng)在噴砂混合嘴的柱狀中間段。根據(jù)高壓噴氣射流初始擴(kuò)張半角小于等于2度進(jìn)行結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)；
[0019]2)為保證噴砂砂粒具有較高的速度的同時(shí)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(yīng)略大于噴砂混合嘴的柱狀中間段的口徑，但要小于該口徑的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(kuò)張角加工的前提下，盡量緊湊。原則上不應(yīng)大于噴氣嘴喉徑的3倍；
[0021]4)為保證產(chǎn)生較高的負(fù)壓，從外圍圓孔噴氣嘴噴出的擴(kuò)張喇叭狀噴氣射流的外側(cè)邊界層必須和噴砂混合嘴的柱狀中間段內(nèi)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(nèi)表面的間距應(yīng)不大于噴氣孔喉徑的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(kuò)張段組成。根據(jù)“吸入式噴砂槍設(shè)計(jì)要領(lǐng)”，噴砂混合嘴入口采用較短的、收縮半角大于30度的收縮段設(shè)計(jì)，收縮段軸向長度通常不大于小端口徑(柱狀中間段直徑)尺寸；
[0023]6)噴砂混合嘴采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(nèi)部空間。所以，采用較長的柱狀中間段設(shè)計(jì)，但長度和口徑之比不應(yīng)大于6 ;
[0024]7)噴砂混合嘴采用較長的小角度擴(kuò)張的出口段，目的是配合混和噴砂射流的進(jìn)一步擴(kuò)張和加速，有效減少磨擦損失。擴(kuò)張段的擴(kuò)張半角與噴氣合成射流擴(kuò)張角有關(guān)，一般不大于3度。擴(kuò)張段長度和柱狀中間段口徑之比也不大于6。
[0025]將常規(guī)噴砂槍的單孔噴氣嘴分解成多個(gè)較小孔徑的噴氣嘴，在等效口徑和耗氣量基本相同時(shí)，設(shè)計(jì)的噴砂混合嘴的柱狀中間段的內(nèi)徑面積勢(shì)必明顯增大，而獲得的負(fù)壓不低于常規(guī)噴砂槍。這樣的結(jié)果有利于提高噴砂流量和砂粒速度以及射流內(nèi)部參數(shù)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(jìn)了噴砂機(jī)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(yōu)點(diǎn)。
[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(shù)量)
[0029]3)噴砂混合嘴大角度收縮入口段有利于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并充滿噴砂混合嘴的柱狀中間段內(nèi)部空間，在增大噴砂管口徑的同時(shí)，仍能保持較高負(fù)壓。而在使用單孔噴氣嘴的噴砂槍中，如果要擴(kuò)大噴砂混合嘴口徑，試圖提高噴砂流量則會(huì)影響負(fù)壓，而要提高負(fù)壓就必須減小噴砂混合嘴口徑。使用多孔噴氣嘴則成功調(diào)和了這對(duì)矛盾。
[0031]5)多股噴氣射流在噴砂混合嘴內(nèi)部空間的自然匯合，有利于氣固兩相流能量的充分交換和傳遞，提高了噴砂射流內(nèi)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(zhì)量在空間和時(shí)間上的穩(wěn)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(kuò)張段內(nèi)進(jìn)一步加速，有利于提高砂粒速度，內(nèi)部氣動(dòng)能量損耗也相應(yīng)減小。
[0033]本專利的具體結(jié)構(gòu)由以下的實(shí)施例及其附圖進(jìn)一步說明。
[0034]附圖1是采用本專利基本結(jié)構(gòu)的吸入式噴砂槍的實(shí)施例。它采用了圓周均勻分布的七孔噴氣嘴及其它配套設(shè)計(jì)。
[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(shí)例中，高壓氣體經(jīng)過7孔噴氣嘴(I)后，在噴砂槍槍身(3)內(nèi)部產(chǎn)生7個(gè)獨(dú)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(kuò)張段(7)構(gòu)成。彼此獨(dú)立的具有自然小擴(kuò)張角的噴氣射流在噴砂混合嘴的柱狀中間段(6)內(nèi)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(dú)立噴氣射流邊界層之間，并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(nèi)部進(jìn)行充分的能量交換，在擴(kuò)張段(7)進(jìn)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(quán)利要求】
1.一種均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是吸入式噴砂槍由特別設(shè)計(jì)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(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是特別設(shè)計(jì)的多孔噴氣嘴是形狀相同、圍繞噴砂混合嘴軸線均勻分布并平行于該軸線的多個(gè)噴氣孔組成的多孔噴氣嘴。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是多孔噴氣嘴的相鄰噴氣孔間距不大于噴氣孔喉徑的3倍。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征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(kuò)張段組成。
5.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征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(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征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(nèi)表面之間的距離不大于噴氣嘴喉徑的3倍，以保證外圍圓孔噴氣嘴噴出的擴(kuò)張喇叭狀噴氣射流邊界層外側(cè)和噴砂混合嘴柱狀中間段內(nèi)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(nèi)徑空間。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是多孔噴氣嘴和噴砂混合嘴之間的軸向間距大于噴砂混合嘴柱狀中間段口徑的I倍，但小于2倍。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是噴砂混合嘴入口段收縮半角大于30度，收縮段軸向長度小于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(yīng)小于等于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，并充滿內(nèi)徑空間。
10.根據(jù)權(quán)利要求1所述的均勻高效的吸入式噴砂槍，其特征是噴砂混合嘴的擴(kuò)張段長度與柱狀中間段口徑之比小于等于6，擴(kuò)張半角不大于3度。
【文檔編號(hào)】B24C5/04GK104070460SQ201410288796
【公開日】2014年10月1日 申請(qǐng)日期:2014年6月24日 優(yōu)先權(quán)日:2014年6月24日
【發(fā)明者】劉毅 申請(qǐng)人:劉毅