从提高喷砂射流有效因子含量再论
解放射吸式喷砂机的效率
刘毅设计室（本文见《热喷涂技术》）
前几天有发表喷嘴更改有影响喷砂速度的探讨文章,本意是喷嘴喷枪的改变会在微观上改变喷砂的效果,也许是这个话题正中目前喷砂行业关于普压和加压式喷砂机两块领域的争论点,有很多客户来电了解情况,希望能改变目前喷普压手动式喷砂机的工作效率问题,希望能有很大的提升,这里,我只好向阅读过之前文章的朋友们说一声,更换喷嘴喷枪是微观上的改变,对原效果会有一个微观的改变,会提高一些工作效率,但不能完全依靠喷枪喷嘴的改变从而提高整个喷砂机的整体工作效率,整个喷砂机工作效能的融合才是最重要的,加压式喷砂机在目前的喷砂效果上效率是高于普压喷砂机的,这里引用刘毅先生的一片专业文章来说明普压式喷砂机的工作原理,希望能对大家有帮助.
摘要
射吸式原理的喷砂机，由于结构简单使用灵活，被广泛应用于许多场合。但效率低下的问题长期没有得到解决。本文从射吸式喷砂机的射流动力学过程机理入手，运用工程计算的方法，重点解算了输砂过程的压力损失，给出了合理提高砂流输送效率的数理方法；根据喷砂能量形成机理，提出了从含砂质量入手提高喷砂效率的设计方法和设计原则。
一．问题的提出
压力式喷砂和射吸式喷砂是当前喷砂技术中普遍应用的两种喷砂原理。两种原理中砂气射流的形成机理和性能特性区别很大。
压力式喷砂的机理是：采用压力储砂罐，气压将砂料压入喷砂管，在喷砂管中砂料与助推气混合后通过喷砂嘴形成自由砂气射流。其优点是砂气射流切削力大，喷砂效率高；缺点是结构笨重，压力罐的存在给使用及安全管理造成麻烦，改型困难。
射吸式喷砂的机理是：利用汶丘里原理，即高速气流产生负压吸附效应，将砂料吸入高速空气射流，再通过砂气喷嘴喷出形成自由砂气射流。其优点是没有压力罐，结构简单使用灵活，改型容易；缺点是切削力小，喷砂效率低。
显然，两种喷砂原理的优缺点恰好相反。也就形成了这两种原理类型的喷砂机各占半边天的市场格局。能否将两者的优点组合在一起，具体的说，就是能否取消压力罐但不降低效率，或者仍采用射吸式原理但却能达到或接近压力式的效率。这种问题的提出看似纯粹理想主义的假设。但是，通过工程计算和专题试验研究，已经证明在同样气源参数条件下将射吸式喷砂原理的喷砂机的喷砂效率提高到接近压力式喷砂机的效率水平是能做到的。甚至，经过专用化改型的射吸式喷砂机还会高于压力式的喷砂机的效率的平均水平。
二．原因的探讨
射吸式喷砂机效率低是喷砂界乃至表面工程界几乎一致的“定论”，以至于许多专业手册在介绍到射吸式喷砂机时总要加上“效率不高”“适用于小工件和局部处理”等表述语。但是其为什么效率低却探讨的很少。这个问题也是本文首先将要讨论的。
如果做一下分析不难看出，当今射吸式喷砂机效率低，其实具体表现在砂气射流含砂量低和砂料速度低这两方面，这恰恰是动量和能量构成的两个因子。喷砂过程从能量角度看是一个能量传递和转换的过程，能量传递的损耗水平和转换的充分水平是一台喷砂机效率水平的内在机理因素。砂气流运动中通道平滑简洁，湍流强度小，传递过程中能量损耗就小；能量由气源的压缩空气转换给作为做功工质的砂料，由高速砂料完成对于工件表面的切削研磨。所以砂气流的含砂量高可以保证有充足的砂料在工件上有效做功。理论上，喷砂嘴之前管道之中形成的砂气流达到饱和砂气比 (砂料在砂管中达到完全悬浮状态时的最大砂气比例) 时，能量传递过程中的无功损耗水平最小，能量转换的充分水平也最高，因而喷砂效率最高。
压力喷砂原理砂气流形成过程简单,砂流通道顺畅，湍流损耗小，只要调整好出砂量就能达到或接近饱和砂气比。所以，只要操作合理，压力式喷砂机都能在理想状态下工作。然而，射吸式喷砂机很不幸。它的整机表现虽小巧，但喷砂机理却复杂的多。这是因为，其一，汶丘里效应需要复杂的结构支持，复杂结构造成了导致能量损失的可能性大大增加；其二，也是最重要的，射吸喷砂原理涉及庞大的结构参数体系，计算极其复杂。只要一个参数不合理就会影响效率，何况是一个参数体系的近百个参数的给出充满了随意性。所以，射吸式喷砂机设计参数普遍性地严重偏离合理状态，使用中又没有调节余地造成喷砂效率水平普遍低下。另一方面，由于压力式喷砂机表现了较出色的喷砂效率，所以射吸式喷砂原理在提高效率方面的实验研究和优化设计工作被放置在一边。因而，射吸式喷砂原理的低效率现象或者说是问题一直延误到如今尚未解决，以至于演变成了见怪不怪一成不变的现状了。
那么，这种现状能不能打破呢？回答是肯定的。根据射流动力学的理论，通过严格系统的科学实验得到的较为客观的试验数据，再运用工程计算方法，得到了可喜的成果。现将整理出的一部分发表。抛砂引玉，希望有识之士批评讨论，并能引起相关专业对喷砂技术改进的重视。
然而，打破这种现状又有什么意义呢？效率相当而又没有二类压力容器的射吸式喷砂机的广泛使用，其意义首先是成倍的降低制造的成本，明显减轻劳动的强度和日常维护管理的难度；更重要的是：设备制造复杂性大大简化，利于产品改型，为喷砂机品种扩张，实现专用化，系列化，无尘化，拓展喷砂技术的应用领域创造了条件。
提高喷砂效率要从两方面着手，一方面是提高气动动力性能；二方面是从了解砂气两相流的流动状态入手，探讨提高喷砂射流中含砂量或有效因子量的方法。前者已在另一文稿中作了论述；第二方面是本文的重点。
喷砂射流中有效因子含量稀少是当今射吸式喷砂机的效率低下的重要原因之一，喷砂的有效因子（被充分加速的砂粒）稀少造成大量的气体能量白白泄放。事实上只要搭成三通混流结构，得到汶丘里现象获得砂气射流是极其容易的。但是要使射吸喷砂获得高效率，就要了解射吸喷砂的机理过程，通过复杂的数理计算进行优化设计。
三．砂气两相流的基本参数和流动状态
1）什么是有效因子
有效因子是喷砂过程中被充分加速的具有一定质量的飞行砂粒，这种带有动量或动能的粒子轰击工件表面。正是这样的有效因子砂粒群的做功实现了工件表面的切削研磨。
喷砂过程中砂气运行过程中通过能量交换将许多普通的砂粒转变为有效因子，制造的有效因子多当然喷砂效率就高。我们的目的就是探讨和研究如何改进设计充分利用气源提供的能量制造尽可能多的有效因子为我所用。
增加有效因子应在两个方面努力，一是提高砂气两相射流的含砂量或者是砂气混合比，因为含砂量是含有效因子量的基础；二是改善砂料输送的流动状态，减少能量的不合理损耗。
2）什么是砂气混合比
本文所采用的砂气混合比是指砂气两相流中通过输砂管断面的砂料质量流量q 与空气质量流量q 的比值。即：
我们希望通过努力，使砂气混合比在悬浮输送或动压输送状态下能达到可能达到的最高值。这种理想砂气混合比就是前面提过的“饱和砂气比”。
3）沉降速度和悬浮速度
砂粒的沉降速度就是砂料颗粒在静态气相环境下自由落体达到匀速沉降时的速度。；如果气体以等于砂粒的沉降速度向上运动则砂粒处于静止悬浮状态，此时气体的速度就是砂粒的悬浮速度。显然，悬浮速度与沉降速度数值相等，方向相反。
砂料的悬浮速度一般由试验测定，砂料的悬浮速度通常在6.5～7.0m/s之间。当悬浮速度的气体沿任意方向流动时，砂料必然处于悬浮流动状态。
4）砂气两相流的几种流动状态
砂料在管道中的流动状态随管道状态和气流参数的不同而显著变化。通常，当管道内气流速度很高而砂料很少时，砂料颗粒在管道中接近均匀分布，并在气流中呈完全悬浮状态被输送，见图1
（a）。随着气流速度逐渐减少或砂量有所增加，作用于砂料的气流推力也就减小，使颗粒速度也相应减慢。加上颗粒间可能发生碰撞，部分大颗粒趋向下沉接近管底，这时管底砂料分布变密，但砂料仍然被正常地被输送，见图1
（b）。当气流速度再减小时，可以看到颗粒呈层状沉积在管底，这时气流及一部分颗粒在它上部空间通过。而在沉积层的表面，颗粒在气流的作用下也会先前滑移，见图1
（c）。当气流速度开始低于悬浮速度或者砂料更多时，大部分较大的颗粒会失去悬浮能力，不仅出现颗粒停滞在管底，在局部地段甚至砂料堆积形成“沙丘”。气流通过“沙丘”上部的狭窄通道时速度加快，可以在一瞬间又将“沙丘”吹走。颗粒的这种时而停滞时而吹走的现象是交替进行的，见图1
（d）。如果局部存在的“沙丘”突然大到充满整个管道截面，就会导致砂料在管道中不再前进，见图1
（e）。以上所说的砂料流动状态中，前三种属于悬浮流态、悬浮输送，颗粒是依靠高速流动的气流动压被输送的，将这类流态也称为动压输送。后两种属于集团流。其中最后一种又称栓流，栓流是依靠气流的静压输送的。第4种状态动、静压的作用均存在。动压输送是与射吸喷砂的机理相适应的，静压输送尚未被喷砂技术所采用。
射吸式喷砂原理中砂气输送管道是指从进砂口到汶丘里喷砂枪引射出砂口的一段管道空间。不难看出，汶丘里喷砂枪对砂流输送的要求首先是流动顺畅，其次是含砂量饱满。所以首先要求砂气的流动状态必须是动压输送，如果不是动压输送势必增加汶丘里主气流引砂时的阻力和能量消耗，从而改变喷气射流的几何形态，增大极角，使得射流结构偏离正常状态；所谓射吸喷砂时的“饱和砂气比”正是处于上述第3种输送状态时的砂气比例，大于此状态时会出现集团流或堵塞砂路现象，集团流时，在有砂的瞬间砂流量虽然大，但有效因子却很少。
四．砂气两相流的压力损失
1）砂气两相流的动力来源
砂气两相流属于气力输送，是一种利用空气流动作为输送载体在管道中输送颗粒料的方法。
根据空气射流速度场的讨论得知射吸式喷砂原理中砂料的流动动力来自喷气射流从喷气嘴出口端面到砂气嘴喉径的一段自由射程所产生的增加流量的渴望，这种渴望在物理上表现为对于周围空间的定向负压力。这种压力就是砂气两相流输送的动力来源。对它的分配利用和损耗是本文的重点。
砂气两相流中，气流和砂流所消耗的各种能量，都是由气流的动压和静压能量来补偿的，从砂气两相流的流动状态的讨论中已知，喷枪引砂过程是静压到动压的转换过程。过程中压力损失的讨论有助于了解引砂机理。本文讨论只限于悬浮气力输送过程。
2）砂气流的加速压损ΔP
这项压损产生于加速段，它消耗于空气和砂料的起动与加速。当砂料由进入供砂器时，砂料的初速度为零，经过加速后气流和砂料分别达到最大速度v 和v 。假设使二者加速终了需要的压力差为ΔP ，根据功能原理，单位时间内，气流供给（损失）的功（Δ）应等于空气流量和砂料产量所增加的动能，即引入混合比m后， ΔP
3）摩擦压损ΔP
两相流的摩擦压损ΔP 为纯气流摩擦压损Δ 与砂粒群的附加压损Δ 之和，即 取
称为沿程阻力的附加系数，则 式中 a=( )称为压损比。
对于水平管
对于垂直管
4） 砂粒群的悬浮提升压损ΔP
重力压力损失ΔP 是悬浮压损ΔP 与提升压损ΔP 之和
式中重力阻力系数：
θ是输砂管与水平的夹角
5）局部压损
两相流的局部压损ΔP 为纯气流的局部压损ΔP 与砂粒群的附加局部压损ΔP 之和。
取 k = 则
ΔP ＝
讨论：
（1）供砂器的局部压损ΔP 在供砂器处砂气速度均不稳定，但二者差别不大，故可近似取K ＝1，则
ΔP =( )ξ
式中ξ――纯气流供料器的局部阻力系
（2）弯头的局部压损ΔP ，它取决于砂料性质、气流速度、弯头在空间在空间的方位以及弯曲角和曲率半径。一般按下式确定：
ΔP
式中ξ――纯气流时弯头的局部阻力系数
κ――弯头局部阻力的附加系数，其值见表1
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表1
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弯头空间方位
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k
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垂直向下转向水平90
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1.0
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垂直向上转向水平90
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1.6
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水平转向水平90
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1.5
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水平转向垂直向上90
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2.2
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6）砂气两相流的总压损Δ
总压力损失是气压源用来克服系统全部阻力所应提供的压力。所以准确计算各项压损是极为必要的。但应注意到，上述两相流的各项压损计算公式中，基本上都含有砂气速度比（υ∕υ）这一重要参数，这是两相流所具有的内在规律。可见，精确地分析研究两相流的砂气速度比，是具有重要作用的。
五．供砂器的关键作用不能忽视
输砂装置是由供砂器、输砂管及管件组成。
供砂器（接砂器）是使砂料与空气混合并送入输砂管一种设备，是输砂装置的‘咽喉’。供砂器的结构是否合理，对输砂装置的输砂量、工作稳定性和能耗的高低有很大的影响。所以，如何根据装置的不同工作条件，正确地设计和选用合理的供砂气，是提高输砂装置技术和经济效益的重要环节。供砂器设计不合理会导致砂气流的流动状态出现稀相砂流、间歇集团砂流甚至栓塞滞止砂流等异常流动状态的出现，从而严重影响喷砂效率。
对供砂器结构的要求是：
1）砂料和空气在供砂器中，应能充分混合，即要使空气从砂料的下方引入，并使砂料均匀地散落在气流中，这样才能有效地发挥气流的悬浮作用，防止掉砂。
2）供砂器的结构要使空气能通畅地进入，不致产生过分的扰动和涡流，以减少空气流动的能量损失。
3）要使进入气流的砂料尽可能与气流的流动方向一致，避免逆向进料，在某些情况下，要使砂料减速，或利用其冲力使其转向，这样可以降低气流推动砂料的能量损失。
供砂器按照进砂口在储砂罐中的位置设计分，有壁面进砂、砂料内部进砂、下进砂、上进砂等；补气设计与进砂设计配套变化比较多，有可调式和固定式两种方式，有自然和气压补气，按与进气口的位置关系分，有：套管补气、对口补气、同轴补气、垂直补气、斜角补气、罐外补气，罐内补气等。这些补气方式还可以任意组合，所以种类方式繁多不一而足，在此不可能分项介绍。选择那一种补气方式和进砂方式本身没有互相排斥的意义，设计中有很大的自由度。但评价设计的好坏标准是一样的，就是吸入的砂料越多，压损又越小，其性能越好。或者，能形成‘饱和砂气流’或接近这一状态的砂气流。 六．根据流态分析和压损分析提出设计原则
1）认识不同性质的压力损失
用了很大篇幅陈述了压损的发生过程，计算方法和压损的种类。因为，它是射吸式喷砂原理中制造有效因子的重要过程。利用汶丘里原理牺牲了主气流的一部分能量所产生的有限的引砂能量（以负压力形式）其利用的有效性将直接影响喷砂效率。
从分析可以看出，压损项目很多，但可分成两类，即有效压损和无效压损。吸收能量用于砂料加速，和提升高度所产生的压损是积极的有效的，它们吸收的压力能量所占比重越大说明能量利用率越高；其它项目的压损，如摩擦压损，局部压损等是对能量的消耗，所以是设计中力图抑制和避免的。
例如。输砂管路采用垂直上行弯头会陡增2.2的局部阻力的附加系数。该系数的增加反应到物理过程中是分配到更多的压力损耗配额。
由式（ ）可知，局阻系数ξ 对压损的影响比混合比m 更直接。
同时，m与ξ 成反比。减小局部阻力是对供砂器的主要要求。理想情况下是全部压力被加速压损和提升压损所吸收，则表现在砂流速度大密度高。
然而，担负将静止砂料激活起动角色的供砂器仍是一个需探究的领域。
2）供砂器的选用
供砂器的选用原则，笼统地说，要选择阻力系数低的，砂料吸入能力强的结构设计。但应根据实际要求而定。如固定供砂器和移动供砂器采用的形式当有区别。
还可以采用主动降低砂料流动阻力的办法降低局阻系数。如松料刀设计和流化设计等。这些当另外专文讨论。
七．结论
喷砂时，气流平均速度一定的条件下，单位时间喷出的有效因子的数量就是关键的因素。射吸式喷砂是牵涉气固两相流输送，非等浓度流体高速混合的复杂的气动学过程。其复杂程度远非压力式喷砂可比。试想，在这样的要求极其精确的实现物质混合与能量交换的设备系统中，如果哪怕仅仅一个设计要素的给定出现随意性或出现失误，就会造成巨大的能量浪费。通过砂料输送过程的压损计算，指导结构优化设计合理规避无效能量损耗，实现能量在两种载体间的充分交换是挖掘射吸式喷砂机喷砂能力潜力的必由之路。
我们对于射吸式喷砂这个充满个性的机理过程的认识还只触及皮毛。相信，随着对于它的认识的不断加深，会有更多的有意义的发现为我们所利用。
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