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数控喷丸的工作原理。丸料通过喷嘴中的压缩空气进行加速。喷嘴中气流的最大速度可以达到声速，即在20℃的温度下达到340m/s。丸料可以通过以下三种中任意一种的方式和压缩空气汇合，即虹吸式、重力式或者直接供料式。喷出的丸料速度一般可以达到100m/s。丸料的速度决定了丸料的能量（能量公式1/2mv2），即决定了喷丸强度。要达到喷丸的有效性和可控性的目的，和其它的参数相比，丸粒的速度是我们首先要控制的参数。能够影响丸粒速度的几个参数都需要进行控制。空气流和丸粒的速度可通过流体力学和弹道学进行研究。大学图书馆里的一排排教科书默默见证了这些学科的复杂性。现在，我们对定量地分析丸粒加速的影响因素有着实际的需求。

喷丸的丸料加速过程可以分为以下三个阶段：

1-压缩空气流，

2-丸料混入压缩空气流，

3-丸料通过压缩空气流进行加速。

本文列出了一个一般方程可以用于预测丸料尺寸、形状和喷嘴中的压缩空气压力对于丸料速度的影响。

1 空气流

1.1压缩空气

如果让丸料加速，那么首先要有充足的压缩空气供应。对于不同直径的喷嘴所需要的气体供应量，喷嘴制造商有相关的手册进行介绍。同时手册也会介绍如果要使喷嘴中的空气压力稳定在一个范围，空气压缩的效率（压缩比）也应该有相应的要求。不幸的是，空气压缩的效率经常使用一个比较模糊的单位，比如“CFM”（立方英尺每分钟）。工业上比较清晰的单位是“SCFM”（标准立方英尺每分钟），该单位前面的“标准”加入了一些限定的条件，比如1.0 atm（1.0标准大气压，14.7psi）、温度20℃以及36%的湿度。“ACFM”是实际立方英尺每分钟，表示每分钟通入管道的压缩空气的实际流量，该单位并不考虑压缩比。例如，如果一个压缩机在1个标准大气压下吸入的空气流量为100CFM，然后压缩成5个标准大气压的压缩空气，那么输入的流量为100SCFM，输出的流量为20ACFM。

压力表显示的数值与大气环境相关，而不仅仅是绝对的压力值。这意味着如果没有任何压力，那么压力表的读数为零。压缩比用CR表示，那么CR=（1+P），其中P表示的是在大气环境下的压力表的读数。

在大气环境下的空气的密度大约为1.2Kgm-3。如果我们对空气再额外地加压一个大气压（14.7psi），即P=1，那么CR=2，压缩空气的密度相应地增加了一倍。如果我们对空气加压到7个大气压的压力，那么压缩空气的密度需要乘以8。一般情况下，压缩空气的密度为CR乘以1.2Kgm-3。这就是喷丸设备中通入供气管道里的“沉重的空气”。图1说明了“沉重的空气”的制造过程。

图1. 外部的压力造成内部“沉重的空气”，atm=标准大气压

1.2管道中的空气流

从空气压缩机中出来的压缩空气进入到储气罐中并输送到空气输送管道中，最好在输送之前经过空气干燥设备（例如冷干机）进行除水干燥。压缩空气会沿着管道流动，然后通到丸料供给系统和喷嘴系统中。压力罐可以使压缩机出来的波动的压缩空气变得平稳并能够对压缩空气进行储存。需要在空气供应系统中布置一个或多个压力控制阀（PCV）。压缩空气在管道的开始处的压力为P1，经过长为L的管道输送后，在末端的喷嘴处的压力为P2，如图2所示。

图2. 压缩空气输送过程示意图（非真实比例图）

压力控制阀是空气压力的最主要的控制机构。如果增加压力，我们期望软管中的空气流速也会增加。我们需要考虑的一个重要的因素就是空气压缩机的额定功率到底有多大。空气压缩机把空气充入储气罐的速度一定要高于实际使用掉的速度。我们可以拿汽车上的发电机和蓄电池系统进行类比。如果蓄电池的的输出量一直大于发电机的输入量，那么我们最终只能得到一个缺电的蓄电池。

我们可以把空气流速比作电流。要计算出电流，我们需要知道一个电线两端的势差。同样地，要计算出空气流速，我们需要知道空气输送管道两端的压力差。例如，（P1- P2）是空气输送管道两端的压力差，由该压力差引起的空气流速为Q。（P1- P2）是有用的工艺控制参数。（P1- P2）的变化可以是突发的，也可以是渐变的。如果（P1- P2）= P1，那么软管可能破裂了，如果（P1- P2）= 0，那么丸料可能在喷嘴处堵塞了。在实际使用中，（P1- P2）发生逐渐变化的原因是由于喷嘴逐渐磨损。如果喷嘴的直径增加，那么（P1- P2）会逐渐增加（假设P1一直维持在一个恒定的值，P1恒定在工业上是很容易实现的）。

值得注意的是，压降（P1- P2）意味着“能量损失”。在空气输送管道中以一个恒定的速度推动空气做的功为W，W=P.V，其中V表示空气的体积。“有用的能量”主要是在管道尾端的喷嘴处起作用，用P2.V表示。因此“能量损失”可以用（P1-P2）.V表示。

从上述可知，我们可以减少（P1- P2）来节能。首先与能量损失有关的参数是软管的长度L，能量损失与L成正比，因此应该避免使用过长的软管。另外一个与能量损失有关的重要参数是软管的内径D。对于给定的空气流速，压降和D4成反比（仅是一个大约的关系）。把软管的直径增加一倍，那么压降可以下降十六倍，然而如果把软管的长度缩短一倍，压降也只能将一倍。

1.3喷嘴中的空气流

我们第二个需求就是在喷嘴中对空气流进行加速。有一个流体加速的机理是大家比较熟悉的。如果在花园浇花，我们会发现软管中水流的速度比较慢。但是当水流到达喷嘴处时，如果喷嘴的横截面积是软管的1/4倍，那么水流的速度将在喷嘴处增加4倍。该原理同样适用气流加速，直至气流的速度达到临界值（声速）。图3解释了上述原理。

图3. 压缩空气从管道到达喷嘴的过程中速度发生的变化

如图3所示，假设管道中有一个圆柱体的空气，体积为A1.L1，此时的速度为v1。当该圆柱体的空气到达喷嘴里面时，其体积没有发生变化（假设空气的密度没有发生变化），但是其尺寸发生了变化，截面积为A2、长度为L2以及速度为v2。既然A1.L1=A2.L2，那么v2= v1.A1/A2。如果v1.A1=Q，那么我们可以得到下式：

v2=Q/A2                                （1）

如果Q为10升/秒，喷嘴的横截面积为40mm2，那么由公式（1）可以得出v2为250m/s。该值为空气在喷嘴中的一个横截面的平均速度，实际上在该横截面的不同位置，空气的速度是不同的。

公式（1）仅在v2达到极限值之前适用，在实际过程中，喷嘴的空气压力通常非常高以至于会产生“阻塞流”。图4用了一个简单的图示说明了随着喷嘴中空气压力的增加空气速度发生的变化（假设喷嘴外部周围的大气压力为1atm）。和喷丸系统中其它区域不同，喷嘴中压力会产生一定的压力差，造成在喷嘴的最狭窄位置产生“音障”的现象。当压力差达到1.9atm时，“音障”的现象就会出现。因为在所有的实际喷丸的过程中，喷嘴中的压力差都会超过2atm（29.4psi），无论喷嘴中空气压力和喷嘴直径有多大或多小，那么在喷嘴中的空气速度都将会达到一个固定的极限值。当然，前提是压缩空气的供应要充足。

图4. 压缩空气速度与压力的变化关系

如果喷嘴中的压缩空气最终达到了一个极限恒定值，我们就要问了，“如果空气压力的增加最终不影响空气的速度的话，那么会影响什么呢？”。答案是当压力进一步增加时，空气将进一步得到压缩，所以空气有着更高的密度，但速度还是一样的。喷嘴压力的增加只能使空气的“质量流量”增加。换句话说，“当喷嘴中空气压力增加时，喷出来的是更重的空气，但空气的速度是一样的”。

喷嘴中压缩空气的速度极限值取决于喷嘴的设计方式并可以从喷嘴制造商提供的“喷嘴性能表”中找到相关的数值。一般情况下，无论喷嘴中的压力和直径的大小，喷嘴中空气的速度为207±1m/s（678±2fps）。喷嘴中压缩空气的速度可以用气体流量除以压缩比得到ACFM，然后在除以喷嘴的横截面积。

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