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·抛丸强化工序的抛射出口速度测量

简介

  使用抛丸工艺强化时,知晓弹丸出口速度矢量的模数和方向对于深刻理解和实际控制强化工艺至关重要。给定叶轮尺寸和转速的出口速度模数是其加速能力的客观评定。由于实际速度难以直接测量和计算,以下介绍的是在知晓切向速度和出口角度的情况下通过测量出口角度并减去出口速度模数和方向的间接测量方法,此测量方法绝不是为完整计算复杂的运动组合。

  相对加速度越大,出口角度越大,抛丸出口速度就越高。

  出口角度取决于叶轮的以下各项特性:
• 叶轮尺寸;
• 叶片形状(直线型或曲线型)、叶片宽度和长度、叶片与径向方向的夹角、叶片材料和表面状况;
• 转速;
• 预加速装置;分丸轮类型和尺寸;
• 抛丸量;
• ……

出口角度也取决于弹丸的某些特性,例如:
• 平均尺寸;
• 粒度分布; 
• 密度;
• 实际形状;
• 表面状况和硬度;
• ……

定义

出口速度
  出口速度是在抛射方向叶片顶端的实际弹丸速度。其是共同形成出口角度的切向速度(Vt)与相对速度(Vr)的矢量合成(矢量相加):Vp = Vt + Vr

切向速度
  该模数由以下公式得出: Vt = ω.R,其中ω(rd/s)代表轮角转速;R 代表叶片顶端的叶轮半径。切向速度通常由设备制造商提供,其仅取决于叶轮尺寸和转速,并不受弹丸属性或叶轮特性的影响。
 
相对速度
  相对速度不容易计算,需由测量的出口角度得出。

虚圆的定义
  出口点位于叶片顶端半径为 R 的圆上。为测量出口点切线的出口角度,所有轨迹为切线的虚圆的 r 半径均需进行测量。
  R 与 r 之间的关系如下:r = R.cosα

r < R 且 R ≠ 0,同时出口角度为 0 < α < π/2

出口角度的计算
  从以下方程式中减去α:α(°) = arcos(r/R)

测量方法

近似法
  此处介绍的方法以出口速度模数和叶片顶端处出口角度的近似值在抛射流的头部和尾部之间的任何点均恒定为基础。即相对速度和切向速度系数间的比率是恒量。请记住,对于产生热点的效果,抛射流的头部和尾部之间的出口速度模数变化小于冲击角度变化,不应将其与出口角度变化混淆。

测量步骤
1. 在准备阶段,需要大致设置定向套,使“热点”位于叶轮轴的前端,抛射流的头部。否则,靶材的冲击角度不可能是直角(90°),即使可以检测“热点”,但由于存在有利的冲击角度,可能无法达到 90°。直角(90°)的运用可以简化几何运算,并优化测量精度。
2. 确认在这些条件下,抛丸器壳体内不会发生颤动。
3. 在抛射流中放置一个直径为 20-25 毫米的连杆,使其平行于轮轴,并位于轮轴到靶距约 1/4 的位置。
4. 通过移动抛射流中的连杆进行水平扫描,使直线穿过阴影,且连杆轴垂直于水平靶区、平行于纵向轮轴。
5. 测量从此线至纵向轮轴的距离,其等于 r。

扫描连杆位置的间距与振幅
• 0.5°的精度、连杆距离 575 毫米轴汽轮机 5 毫米足够最小扫描间距。为缩短程序,扫描间距的快速方法可提高一倍。
• 在第一种方法中,连杆位置扫描振幅可合理地设置在 0.5R 与 R 之间。r = 0.5R 相当于出口方向为 60°。r = R 表示纯粹的切向出口方向,出口角度为 0°、相对速度为零且出口速度等于切向速度。

曲线型叶片结构

  在此特殊情况下,相对速度分量并非径向的,而是取决于叶片形状与叶片顶端切线的夹角。这并未改变方法,但相较于直线型叶片结构,其成果明显得到改善。
  注意:由于此夹角发生变化,使 R 与 r 更加接近。这降低了出口角度的测量精度。

抛丸量的影响

  对于给定的抛丸器配置,抛丸流量越高,效率越低。因此,除为测量抛丸流量对抛丸器效率的影响,否则建议使用较低的流量水平,并逐步提高,以找出提供可接受的效率水平的最佳工质流量。

弹丸条件的影响

  对于给定的抛丸器配置,弹丸条件可能影响结果。因此,建议使用“成熟的”,而非全新的或过度的弹丸载荷进行出口速度测量。同样,对于检测喷丸条件降低到何种水平会产生不可接受的效率损失,这也可能是一个有意义的主题。

结果示例

  以下示例图表显示出作为给定的叶轮尺寸和转数的出口角度的函数,实际出口速度的模数及其相对和切向分量。
- 切向速度是常数线(水平)。其水平仅取决于叶轮尺寸和转速,并不受弹丸属性或抛丸器特性的影响。
- 实际出口速度从 0°开始具有切向速度的模数水平,是纯粹从理论角度而言的;无相对速度,就无法实现抛丸加速与出口。通常,加速能力较差的抛丸器的最小出口角度水平为 15 至 20°。在出口速度实际曲线的另一端,当前抛丸器特性无法提供高于切向速度模数两倍的实际出口速度,这相当于出口角度达到 60°。
- 出口角度为 45°时,相对和切向速度模数相等。这样的抛丸器性能水平已非常高,甚至曲线型叶片结构或精细而轻质的弹丸等当前改良的特性也无法达到该水平。


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