双枪高压无气喷涂机的泵体结构设计

马如宏，俞俊海

（盐城工学院 机械优集学院，江苏 盐城 224001）

0 引言

伴随着科技的进步，涂装业正朝着机械化、自动化和连续化的方向发展，先前的手工刷涂和滚涂已不能满足现代工业的要求［1］。高压无气喷涂机具有高效率、操作时漆雾少和高喷涂质量的优点，已在许多领域得到了广泛应用。

在设计高压无气喷涂机时，需要考虑3个关键部分：①电动机，它为柱塞泵提供动力；②柱塞泵，它实现涂料的吸入与排出；③液压泵体，它是连接所有液压元件的主体，可实现液压回流、单向流动和过滤等功能［2－3］。为了最大限度地提高高压无气喷涂机效率及涂料的利用率，本文对高压无气喷涂机液压泵体的结构进行了改进，将液压泵体改成了两个出料口，连接两个喷枪，柱塞泵的一次吸料可以实现两个喷枪的同时工作。

1 双枪高压无气喷涂机的泵体结构设计

1.1 高压无气喷涂机的工作原理

高压无气喷涂机的工作原理要从两个方面进行阐述，一个是高压，另一个是无气。高压，即涂料在到达喷嘴时，被高压泵不断加压（一般是10MPa～30 MPa），然后再让其从喷嘴喷出；无气，即当涂料离开喷嘴的一刹那，涂料的速度一般能达到100m/s，涂料与空气中的粒子产生强烈的碰撞，涂料被破裂成一个个小的粒子，在运动的过程中一直被破碎直到速度为零，最后粘附在被喷涂物的表面，这个过程即雾化，由于该过程并没有和空气混合，因此称为无气。

1.2 泵体的结构设计

目前国内的高压无气喷涂机单枪占绝大多数，本文为双枪高压无气喷涂机设计了一种新的泵体结构，使其既可以当成单枪用，也可以用做双枪，且体积小。泵体的内部管道示意图及装配图见图1。

进料口是一个止回阀，连接的是吸料管，止回阀内装有依靠重力作用的单向阀，高压柱塞泵将涂料通过进料口吸入泵内，一部分通过压力传感器测得压力，再经过过滤器过滤，然后通过输料管送到喷嘴，由喷嘴喷出；其余部分通过回流阀回流到料筒内。

图1 泵体的内部管道示意图及装配图

2 涂料在泵体内的流速和压力分析

Fluent是用于模拟和分析复杂几何区域内的流体流动与传热现象的专用软件［4］。首先在Gambit中对零部件进行网格划分和边界条件的设置，然后再利用Fluent进行仿真与分析。

在进行泵体内部管道建模时，基于结构原理对其内部结构直接进行简化。采用Gambit软件进行建模，利用TGrid程序直接进行网格划分，划分的网格类型为四面体网格，得到528 686个单元。网格划分后的管道有限元模型如图2所示。

入口设置为速度入口，出口设置为压力出口。考虑到流体在流动过程中的能量损失，沿着流动方向，从截面1（入口截面）到截面2（出口截面）的伯努利方程［5］为：

其中：p1，p2分别为截面1、截面2的静压；ρ为涂料的密度；g为重力加速度；Z1和Z2分别为截面1和截面2上一点的单位位能，即单位质量的流体从某一基准面算起具有的位置势能；α1，α2分别为截面1、截面2的动能修正系数；v1，v2分别为涂料入口、出口速度；hf为从截面1到截面2的单位重量流体的能量损失。

假定涂料的入口速度v1＝120m/s，入口压力p1＝25MPa，涂料的密度为1 300kg/m3，运动黏度u＝0.9Pa·s。各部分管道的直径分别为D1＝6 mm、D2＝14mm、D3＝8mm、D4＝12mm。

图2 管道的有限元模型

将Gambit划分好的mesh文件导入到Fluent软件中进行分析，选用3ddp三维、双精度求解器。由假定的条件可求得入口处的雷诺数为：

Re＜2 300时属于层流运动，采用压力求解器，选择黏性模型为Laminar层流模型，不考虑重力的影响，运算后得到的管道内涂料的速度和压力云图如图3、图4所示。

由图3、图4可以看出，涂料在两个出口处速度依然可达每秒上百米。由高压无气喷涂机的原理可知，出口处的速度能够满足涂料的雾化，符合性能要求，说明此结构合理。随着柱塞泵的不断吸料进料，涂料以高速、高压进入到输料管中，然后由喷嘴喷出。

3 结论

本文以高压无气喷涂机为研究对象，提出了一种新型双枪高压无气喷涂机的泵体结构，通过Fluent软件模拟分析涂料在泵体管道内流动的速度和压力。仿真结果表明该结构能够达到涂料从喷嘴喷出并雾化的效果。采用这种结构，大大降低了涂料从回流阀回流到料筒的量，提高了柱塞泵的效率，也提高了喷涂的效率。该结构为双枪高压无气喷涂机的研究提供了一定的参考。

图3 管道内部的速度云图

图4 管道内部的压力云图

［1］冯继文.气动式高压无气喷涂机结构创新设计［D］.杭州：浙江大学，2010：1－10.

［2］Wolfgang Pueke.Developments in plural component spray equipment［J］.Journal of Protective Coatings ＆Linings，2004，8（10）：51－57.

［3］Settles Gary S.A flow visualization study of airless spray painting［C］//Proceedings of the 10th Annual Conference on Liquid Atomization and Spray Systems Ottawa：［s.n.］，1997：145－149.

［4］于勇.FLUENT入门与进阶教程［M］.北京：北京理工大学出版社，2011.

［5］韩占忠，王敬，兰小平.FLUENT流体工程仿真计算实例与应用［M］.北京：北京理工大学出版社，2013.