喷枪结构分析与优化

2020-07-03邵先月

凿岩机械气动工具 2020年2期

邵先月

(浙江瑞丰五福气动工具有限公司，浙江温岭317513）

1 引言

喷枪在建筑喷涂、车辆喷涂、工业喷涂、纳米材料喷涂、艺术喷涂等领域中发挥着极其重要的作用。近年来，在市场需求的推动下，全球喷枪行业创新能力不断提高，喷枪结构不断优化，产品种类不断增加，无气喷枪、自动喷枪、环保喷枪等产品市场占比日益提高。

我国喷枪行业虽然较发达国家起步晚，但随着经济的发展，喷枪在汽车工业和涂装工业获得了快速发展，行业规模日益扩大，行业标准逐渐完善。在发达国家产业转移的趋势下，越来越多的国外企业进入我国市场，促进了我国喷枪行业技术水平的快速提高。目前，我国已经成为全球喷枪的生产大国，产品出口到欧美等国家。

根据喷枪的发展过程，可将喷枪分为以下三种类型[1-3]。

（1）传统高压雾化喷枪。传统高压喷枪需要较高的喷涂气压，通常为4.0 bar，涂料的雾化主要依靠喷枪风帽实现，雾化方式为气压雾化。为使涂料雾化充分，就需要喷枪风帽有足够高的压力，通常风帽的压力大于2.5 bar。由于涂料的雾化压力高，使得涂料雾化后的液滴速度较大，当液滴喷射到被喷涂物的表面时，会产生大量的反弹和飞溅，导致上漆率低，目前在工业生产中已经被淘汰。

（2）高流量低气压雾化喷枪（HVLP）。高流量低气压喷枪，即HVLP （High Volume Lowe Pressure）雾化喷枪，是继传统高压雾化喷枪之后产生的一种用于涂装行业的喷枪。相对于传统高压喷枪，它在进气压力、风帽压力和传递效率等方面进行了优化，降低了喷涂气压的进气压力和喷枪风帽压力，涂料的雾化方式改为气流雾化，因此喷枪产生的液滴反弹和飞溅少，极大提高了上漆率，减小了涂料的浪费，对环境污染和身体的损害较小。

（3）RP低流量中气压雾化喷枪。RP（Reduced Pressure）低流量中气压雾化喷枪是随着喷枪技术的进一步发展产生的一种目前最先进的喷枪，这种喷枪把传统高压喷枪与HVLP喷枪的优点结合了起来。它的喷涂气压的进气压力约为2.5 bar，喷枪风帽压力约为1.2 bar，涂料的雾化方式为气流雾化加气压雾化，上漆率与HVLP喷枪相同，并且耗气量较低。

在雾化喷枪发展的过程中，气-固喷枪在工业生产、航天航空等领域也逐步发展、成熟。如在工业生产中，气-固喷枪作为碱性干粉注射进烟道的核心设备，可以防止碱性干粉与烟气中的CO2反应生成坚硬的碳酸钙造成喷枪堵塞，提高了碱粉发生反应的速率和效率；在航空航天领域，超音速火焰喷枪在航空发动机部件的压缩机叶片、轴承套等上的使用已经基本实现标准化，可完全取代以前的爆炸喷涂层，降低了生产成本。

2 雾化喷枪结构分析与优化

2.1 雾化喷枪结构分析

雾化喷枪由枪身、喷嘴套装、控制部件和其他附件等组成，其中喷嘴套装包括空气喷嘴、涂料喷嘴和枪针。喷嘴套装是整个喷枪中最重要的部分，决定了喷枪的喷涂效果。空气喷嘴主要由主雾化孔、辅助雾化孔和扇面控制孔组成，如图1所示。主雾化孔也叫中心雾化孔，它位于风帽的中心位置，辅助雾化孔在主雾化孔的两边，扇面控制孔位于风帽两边的喇叭嘴上。主雾化孔引导压缩空气在喷嘴前端形成负压区，吸出液体并使其雾化，然后通过主雾化孔的气流把雾化之后的液滴喷射到被喷涂物的表面；辅助雾化孔的作用是通气流而使液滴不留在喷嘴上，对喷嘴的清洁起决定性作用；扇面控制孔控制喷枪喷涂图样的形状，通过改变喷幅调节旋钮的位置，促使风帽扇面控制孔的气压和流量改变，最终实现图样形状的调节。涂料喷嘴的主要作用有两个，一是输送涂料，二是喷射涂料，两者的实现都需要涂料泵的配合。枪针有开关和调节作用，枪针与涂料喷嘴组合，形成了一个阀口，通过与涂料喷嘴相对位置的改变来控制阀口的开启和关闭；通过和涂料流量调节旋钮的配合，在转动涂料流量调节旋钮时，喷枪的弹簧组件的压紧程度改变，枪针的机械压力改变，枪针和涂料喷嘴的相对位置也就改变了，控制阀口的开度，从而实现涂料流量的调节。枪身为喷枪的基体，所有的部件都安装在枪身上，通过内部通道进行空气以及液体的传送[4]。

图1 喷枪喷嘴结构

分析喷枪的结构发现影响喷涂效果的主要因素有以下几个方面：主雾化孔形状、主雾化孔的圆角角度、扇面控制孔的形状、扇面孔指控方位的角度。分别对主雾化孔的形状为圆形、椭圆形、正方形和三角形，扇面控制孔的形状为圆形、椭圆形、正方形和三角形，主雾化孔的圆角角度为0°、10°、20°和30°以及扇面孔指控的角度为35°、45°、55°和65°的情况进行仿真，得到最佳喷涂效果时主雾化孔和扇面控制孔的各类参数。

2.2 雾化喷枪结构优化

首先讨论主雾化孔的形状对喷枪喷涂图样的影响。当主雾化孔为圆形、椭圆形和正方形时，喷枪喷涂图样均能得到良好的雾化效果，喷涂图样在纵截面和横截面上均能形成良好的对称；当主雾化孔在距离喷嘴0～60 mm的空间上，喷涂图样粒子的速度处于不稳定阶段，之后粒子的速度趋于稳定，它们在纵截面和横截面的最大速度均分布在距离喷嘴约为18 mm的位置处。

主雾化孔的圆角角度是分析喷枪喷涂效果的参数之一，它不影响喷涂图样的雾化，随着主雾化孔圆角的开度的增加，在纵截面上形成图案的对称性会逐渐的消失，而横截面上形成的图样都几乎完全对称；纵截面的最大速度的值会随着主雾化孔圆角的开度的增大而增加，但是横截面的最大速度值不受其影响。

扇面控制孔的形状也是影响喷涂效果的重要因素，当扇面控制孔为圆形和椭圆形时，它们对喷枪喷涂图样的雾化作用大，当扇面控制孔为正方形或者三角形时，它们对喷枪喷涂图样的雾化作用小；扇面控制孔为圆形或者椭圆形时，它们对喷枪喷涂的图样形状的影响较大，扇面控制孔为正方形或者三角形时，它们对喷枪喷涂的图样形状的影响较小；纵截面距离喷嘴出现最大速度的位置远于横截面最大速度出现的位置，并且横截面的最大速度中，扇面控制孔为圆形或者椭圆形时的最大速度要高于扇面控制孔为三角形或者正方形时的最大速度。

分析扇面孔指控方位的角度后发现，35°和45°的扇面孔指控方位角度优于55°和65°时的效果，扇面控制孔会使喷枪喷涂图样的雾化更加充分；角度在45°时的喷枪喷涂图样对称性最好，关于横截面和纵截面都几乎完全对称；而扇面孔指控的角度为55°时对喷涂图样形状的影响最大。

2.3 超音速雾化喷枪结构分析

超音速雾化喷枪增加了拉伐尔喷管，使气流达到超音速条件，提高液体的雾化效果。

超音速雾化喷枪的主要结构如图2所示，包括上喷枪体、下喷枪体、空气帽和拉伐尔喷管（见图3），上喷枪体和下喷枪体之间通过螺纹连接形成喷枪的主体。拉伐尔喷管作为核心部件，是气流达到超音速的必要条件。亚音速的气流随着收缩管截面积的减小其速度逐渐增大，在喉管处达到音速，再经过扩张管继续加速，使气体的流动速度达到超音速。上喷枪体的内部由一段圆柱孔和一段喇叭口组成，在圆柱孔的径向设置有进液口，上喷枪体靠近喇叭口一端通过螺纹连接的中心位置设置有空气帽，空气帽中间有小孔。下喷枪体的主要作用是引入具有一定压力的气体，沿轴线方向有一个通孔，进气口设置在下喷枪体的径向位置，进气口上有一个单向阀用于调节进气口的开启压力，沿轴向的孔内设置有空气调节阀，用于控制进入喷枪内部的气体流量。当气体压力大于阀的开启压力时，阀芯打开，高压气体进入拉伐尔喷管。当喷管前后压力比达到一定比例时，气体的流动速度增大至超音速；液体进入喷管的流动方向和气体的流动方向垂直，进液口上连接有调节阀，可以调节进入喷枪的液体流量。由于液注和气流方向相互垂直，从而引起较大的速度差。在高速气流的冲击作用下，液体被初次破碎，一部分液体达到了雾化效果。随后，气体和液滴在上喷枪体的扩张段内充分混合，使得液体完全雾化[5]。

图2 超音速雾化喷枪结构图

图3 拉伐尔喷管结构示意图

3 超音速火焰喷枪的设计与分析

3.1 超音速火焰喷枪结构设计

超音速火焰喷涂是利用气体（或液体）燃料在燃烧室内（或在特殊的喷嘴中）燃烧膨胀产生高温焰流并从喷嘴喷出，在瑞利流和范诺流效应下，在等截面喷嘴出口（或Laval喷嘴内部）焰流达到壅塞状态，获得超音速火焰射流。焰流速度可达1500 m/s以上，因其采用氧气助燃，通常被称作HVOF。将粉末轴向送进火焰，可以将喷涂粒子加热至熔化或半熔化状态，并加速到300～600 m/s甚至更高的速度，从而获得结合强度高、致密性好的高质量涂层。HVOF具有很高的粒子撞击速度，涂层结合强度、硬度、致密性、耐磨性较高，为形成高质量的涂层提供了可靠的手段。由于HVOF制备的涂层具有优异的性能，近年来应用日益广泛[6]。

现有的超音速火焰喷枪结构之间的差异主要有以下几点：

（1）冷却方式不同，主要有空气冷却和水冷却；

（2）送粉方式不同，分为轴向送粉和径向送粉；

（3）燃料种类不同，气体燃料主要包括丙烯、丙烷、氢气或乙炔，液体燃料主要包括煤油、酒精、汽油等；

（4）燃烧室压力不同，主要由喷枪结构和燃料与空气流量比决定，燃烧室压力大小视喷涂系统而定，大多数喷枪采用的圆筒型燃烧室，其压力为0.4～0.5 MPa；

（5）Laval喷嘴及等截面长喷管结构不同[7-9]。