轴向聚焦式喷砂枪技术在表面工程中的应用
【摘要】 作为一种既高效高速又轻巧灵便的新型喷砂技术，轴向聚焦喷砂技术已经开始在涂装、材料保护、表面工程等的预处理中得到重视和应用。本文在简单介绍这一砖利技术原理的同时通过与现有喷砂技术在应用性能上的比较，阐述了轴向聚焦喷砂技术的应用范围和应用前景。
气动喷砂技术，就是以压缩空气为动力，以某种方式与砂料混合并形成喷砂射流的技术。通常，根据喷砂软管内的压力状态，我们可以把所有气动喷砂技术或设备分为两大类。一类喷砂机为吸入式(也称吸送式)喷砂机，喷砂软管内的压力低于大气压；另一类是压入式(也称压送式)喷砂机，喷砂软管内的压力高于大气压。
图1 径向喷砂枪原理图
以上分类中吸入式喷砂机指的是径向吸砂的喷砂机，图1是这种喷砂机主要部件喷砂枪的典型结构。这种径向吸入式喷砂枪的喷砂速度和喷砂效率明显低于压入式喷砂机，但是重量只有几公斤重，其体积重量和方便性又明显优于成百上千公斤重的压入式喷砂机。所以，业内一致的看法是：“压入式喷砂机(具)和吸入式喷砂机(具)各有特点，不能互相取代。”
然而，将吸入式喷砂机的喷砂速度和效率提高到与压入式喷砂机水平相当，一直是喷砂界梦寐以求的梦想，也是长期不懈努力的方向。业已开发成熟和投入使用的轴向聚焦式喷砂机使得在这一方向的技术进展有了一定的突破。
1．常规径向吸入式喷砂技术低速、低效现象分析
在介绍轴向聚焦式喷砂机高速、高效的原理之前，不妨分析一下常规径向喷砂技术低速、低效的内在原因。
吸入式喷砂技术的核心是喷砂枪。分析吸入式喷砂枪，可以有各种方法和角度。本文用气动真空器件的设计结构和使用数据来分析，这样也许比理论的方法更直观和简单，抽象的原理也变得比较形象生动和便于理解了。
大量应用于现代化生产线上和精密量仪上的真空气动系统，它们的核心器件是真空发生器。从结构上看，每一个真空发生器酷似缩小了的吸入式喷砂枪。气动器件厂商问接地为我们分析吸入式喷砂枪和合理设计喷砂枪提供了成熟充足的实物资料和可靠翔实的参考数据。真空发生器也有三个口，它们是供气口P、真空口V和排气口EX，类似吸入式喷砂枪的气源进气口、吸砂口和喷砂口；真空发生器内部的喷气嘴和喷射器也类似径向喷砂枪内部的喷气嘴和喷砂嘴。
真空发生器在结构上也有标准型和管型之分。标准型是径向真空口，管型为轴向真空口。熟悉真空发生器的人都会发现，在标准型真空发生器类别中，仍可按吸气量大小和真空度大小进一步选择产品参数。例如，国际杰出气动元件商PISCO仍将每一口径参数的器件细分为：高真空中(吸气)流量的H型、中真空大(吸气)流量的L型和高真空少(吸气)流量的E型。在这些器件参数中发现，高真空中流量H型的吸入气流量只有中真空大流量L型的60％，高真空少流量E型的吸入气流量还达不到中真空大流量L型的一半。然而重要的是，型号中找不到高真空高(吸气)流量的产品品种，是不需要该品种吗?显然不是。以此类推，结构形式一致的径向吸入式喷砂枪与标准型真空发生器一样也做不到高真空高吸气流量。
只有真空度和吸气流量同时达到*大值才能充分提高喷砂枪的喷砂效率。但标准真空发生器和径向吸入式喷砂枪在实际使用当中不可能使两者同时达到*大，这就制约了径向吸入式喷砂枪喷砂能力的提高。
然而，为什么标准型真空发生器以及径向吸入式喷砂枪的两个重要参数――真空度和吸气流量会彼此矛盾?结合图1，再进一步分析。图1是气动性能和结构参数接近于理想状态的径向吸入式喷砂枪的工作剖面图。此时，喷气射流外边界恰好指向喷砂嘴导向斜面和直管段的相交棱线，如果加大喷气嘴与喷砂嘴之问的距离(嘴间距)，虽然行砂通道会加宽，但喷气射流外边界部分气流会因接触导向斜面而产牛激烈湍流干扰汶丘里效应，导致负压损失；如果缩小嘴间距，虽然喷气射流形状与结构形状进一步吻合，有利于保持负压，但吸气和行砂通道被进一步压缩形成空间分散高阻力性质的“套管路径”，从而导致吸气量和吸砂量减少。由此可知，真空度和吸气流量存在结构性的矛盾。即便在如图1所示的*佳状态，也只是负压值和出砂量“相互让步”得到的极不稳定的相对平衡状态。加之砂料沿套管通道从外部呈非对称分布进入主气流，喷气射流的能量密度和砂料密度一路发散(不再汇聚)，能量持续衰减，还要完成产生负压和加速砂流的任务，结果是负压有限、加速无力。这就进一步阐述了径向喷砂枪效率低下的机理性原因。
2．轴向吸入喷砂技术是提高喷砂效率的方向
在查找真空发生器时还发现，轴向真空口的管型真空发生器与标准型器件很不一样。首先，它们的吸气量随口径呈线性变化，而真空度基本保持恒定。另外，耗气量相同时，吸气量明显高于标准型。
通常高真空是砂料加速和产生吸砂动力的先决条件，而作为砂料输送的惟一载体，吸气流量大小直接关系砂料流量的大小。与管型真空发生器结构类似的，轴向吸砂口的喷砂枪，由于真空度和吸入气流量不矛盾，完全有可能通过结构优化将真空度和吸入气流量这两个重要参数同时提高到较高水平，从而达到提高吸入式喷砂枪喷砂能力的目的。
在轴向吸入式喷砂枪的研发实践中，发现由于轴向直线管路完全成为吸砂通道，吸砂量明显增加。环状喷气嘴不干扰吸砂通道，所以不存在与吸砂量的矛盾。如何提高喷气速度乃至提高真空度对于轴向吸入式喷砂枪至关重要。通常，轴向真空口的管型真空发生器比标准型发生器的真空度低30％，要想提高轴向喷砂枪的效率，改进喷气嘴是技术关键。
3．轴向聚焦式喷砂机解决方案
轴向聚焦式喷砂枪在真空度、吸气流量、喷砂量等指标均有所突破。LYP-3.0B型和LYP-1.6B型轴向聚焦式喷砂机经过大量试用户和购买用户一段时期的使用认为，该型喷砂机基本达到压入式喷砂机的喷砂水平。
轴向聚焦式喷砂枪解决了两个主要气动学问题。
(1)喷气嘴采用超音速拉瓦尔喷嘴没计 其收缩段曲线为维托辛斯基曲线，喉部采用圆弧过渡，扩张段为特征线型，射流得剑了较高的速度及良好的分布特性。喷砂枪结构原理如图2所示。
图2
(2)利用超音速喷气射流欠膨胀特性，将环状拉瓦尔喷出的喷气射流在喷砂嘴中心轴线上欠膨胀聚焦成核，在文丘里型喷砂嘴后部再膨胀喷出。
这一聚焦机理在喷砂嘴加速磨损试验中得到证实，喷砂嘴出口段有大片膨胀磨损区，其他部分磨损很小，特别是喉径部位没有磨损，这是因为超音速欠膨胀空气射流和砂料在轴线上聚焦成核，而使喷砂嘴喉径部位形成空当。
轴向吸入式喷砂不存在原理的内部矛盾，所以它和压入式一样符合能量转换和守恒定律。由于所建立的粗糙的数学模型无法模拟和反映轴向喷砂枪内部多参数气动力学的进行过程。大量结构优化工作是通过试验校正完成的。
优化结构从以下几方面进行：
(1)采用超音速射流理论和方程设计拉瓦尔收放喷气嘴，以产生*大负压为目标调整回转体气嘴母线各种曲线参数。
(2)调试环状狭缝宽度。它主要关系耗气量。
(3)调试环缝气嘴锥面角度。它主要关系到砂流的持续加速过程。
(4)调试轴向砂流通道的口径。它主要关系砂流量。
(5)调试喷砂嘴导向斜面的角度。它要求与空气射流径向扩散和轴向聚焦过程巾的射流边界空间形状与喷砂嘴几何尺寸吻合。
(6)调试喷砂嘴口径。吸入气流，吸入砂流和高压喷射气流在聚焦核中汇聚，能量密度和物质密度很高的聚焦核位于喷砂嘴中部，创造负压和加速砂流在此处集中完成。
(7)调试喷砂嘴与环缝喷气嘴的轴向距离。同样要求与空气射流形状吻合。
(8)调试喷气嘴拉瓦尔喉颈环口径。它要使喷气射流轴向聚焦前不要扩散过度，又要保证砂流通道宽敞通畅。
(9)选择和调试吸砂管口径，它提供的管内截面积与吸气气流的风速有关，所形成的风流风速，对砂料形成的斯托克斯(阻力)拽力，必须大于作用在砂粒上的其他作用力的总和，使砂粒悬浮飞行。
4．轴向聚焦是喷砂枪的应用实践
轴向聚焦式喷砂技术在研制和技术推广过程中，得到了中国热喷涂技术专业委员会及会员单位的大力支持，试验校正和结构优化都是在这里进行的。
*重要的真空度指标，在优化过程中从原始的35kPa，逐渐提高到40kPa、50kPa、60kPa。尤其注重超音速射流聚焦作用之后真空度迅速提高到65kPa、70kPa、75kPa、80kPa，甚至一度达到95kPa。相当于性能优异的大型真空发生器，重要的负压值甚至优于(仅53kPa)进口真空器件。与上述结论相一致的是：每次负压值的提高，都导致出砂量乃至实际喷砂能力的大幅度提高。当今，业已定型的LYP-1.6B型和LYP-3。OB型轴向聚焦式喷砂枪负压都达到了80kPa，考虑加工误差，出厂产品不低于75kPa。
出砂量随真空度的提高也成比例的增加。LYP-3.0B型喷砂枪的耗气量为3.Om³／min，出砂量已达到600kg／h。甚至高于压入式喷砂机500kg／h的平均出砂量。
随着关键参数的不断提高、结构日趋合理，轴向聚焦式喷砂机的*终喷砂效率也大幅提高。LYP-3.0B型和LYP-1.6B型轴向聚焦式喷砂机重量虽然只有几公斤重，但其喷砂效率已基本可与压入式喷砂机媲美。实例如图3所示。
图4 用户使用LYP-1.6B型喷砂机以8.5㎡h处理结构件
用户更关心的喷砂效率是，LYP-1.6型轴向聚焦式喷砂枪冷板喷砂至Sa2.5级达到85平方米/每小时耗气量仅16立方米/每分钟喷砂嘴采用碳化硼可保持较长时间不磨损不变形。3.0型轴向聚焦式喷砂枪的耗气量达到30立方米/每分钟喷砂效率较1.6型又大幅提高。
4.吸砂器设计，否定了原漏舱式设计 轴向聚焦式喷砂枪完成定型之后，发现在高强负压之下，吸砂管中的砂流仍然存在不均匀的问题。发现原设计的舱式可调节砂料线存在问题。当空压机压力恒定时，调试好的出砂量运行平稳。
5．结语
轴向聚焦式喷砂枪之所以有高效率的表现，首先源于合理结构形式(该结构形式消除了真空度和吸气流量的矛盾)；其次是充分发挥了超音速喷气射流的速度特性和分布特性，使得喷砂射流有了很好的动能来源；更重要的是在超音速射流欠膨胀阶段迫使其“环聚成核”，这种聚焦核体积小，能量密度和物质密度极大，十分有利于形成负压和加速砂流，同时对减少喷砂嘴磨损也有益处。
在科技发展日新月异的今天，没有什么技术是一成不变的。喷砂技术虽然相对古老，但是以节能降耗和方便操作为目的的技术革新与**不仅是有益的，而且还是有潜力的。轴向喷砂技术在发展和探索中走过一些弯路，但也取得了可喜的成果。轴向喷砂技术的推广和发展也许是改变喷砂技术粗笨、低效工艺状况的途径之一，至少是改变吸入式喷砂技术效率低下的有效途径。