雙槍高壓無氣噴涂機(jī)的泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

馬如宏，俞俊海

（鹽城工學(xué)院 機(jī)械優(yōu)集學(xué)院，江蘇 鹽城 224001）

0 引言

伴隨著科技的進(jìn)步，涂裝業(yè)正朝著機(jī)械化、自動(dòng)化和連續(xù)化的方向發(fā)展，先前的手工刷涂和滾涂已不能滿足現(xiàn)代工業(yè)的要求［1］。高壓無氣噴涂機(jī)具有高效率、操作時(shí)漆霧少和高噴涂質(zhì)量的優(yōu)點(diǎn)，已在許多領(lǐng)域得到了廣泛應(yīng)用。

在設(shè)計(jì)高壓無氣噴涂機(jī)時(shí)，需要考慮3個(gè)關(guān)鍵部分：①電動(dòng)機(jī)，它為柱塞泵提供動(dòng)力；②柱塞泵，它實(shí)現(xiàn)涂料的吸入與排出；③液壓泵體，它是連接所有液壓元件的主體，可實(shí)現(xiàn)液壓回流、單向流動(dòng)和過濾等功能［2－3］。為了最大限度地提高高壓無氣噴涂機(jī)效率及涂料的利用率，本文對(duì)高壓無氣噴涂機(jī)液壓泵體的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，將液壓泵體改成了兩個(gè)出料口，連接兩個(gè)噴槍，柱塞泵的一次吸料可以實(shí)現(xiàn)兩個(gè)噴槍的同時(shí)工作。

1 雙槍高壓無氣噴涂機(jī)的泵體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 高壓無氣噴涂機(jī)的工作原理

高壓無氣噴涂機(jī)的工作原理要從兩個(gè)方面進(jìn)行闡述，一個(gè)是高壓，另一個(gè)是無氣。高壓，即涂料在到達(dá)噴嘴時(shí)，被高壓泵不斷加壓（一般是10MPa～30 MPa），然后再讓其從噴嘴噴出；無氣，即當(dāng)涂料離開噴嘴的一剎那，涂料的速度一般能達(dá)到100m/s，涂料與空氣中的粒子產(chǎn)生強(qiáng)烈的碰撞，涂料被破裂成一個(gè)個(gè)小的粒子，在運(yùn)動(dòng)的過程中一直被破碎直到速度為零，最后粘附在被噴涂物的表面，這個(gè)過程即霧化，由于該過程并沒有和空氣混合，因此稱為無氣。

1.2 泵體的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

目前國(guó)內(nèi)的高壓無氣噴涂機(jī)單槍占絕大多數(shù)，本文為雙槍高壓無氣噴涂機(jī)設(shè)計(jì)了一種新的泵體結(jié)構(gòu)，使其既可以當(dāng)成單槍用，也可以用做雙槍，且體積小。泵體的內(nèi)部管道示意圖及裝配圖見圖1。

進(jìn)料口是一個(gè)止回閥，連接的是吸料管，止回閥內(nèi)裝有依靠重力作用的單向閥，高壓柱塞泵將涂料通過進(jìn)料口吸入泵內(nèi)，一部分通過壓力傳感器測(cè)得壓力，再經(jīng)過過濾器過濾，然后通過輸料管送到噴嘴，由噴嘴噴出；其余部分通過回流閥回流到料筒內(nèi)。

圖1 泵體的內(nèi)部管道示意圖及裝配圖

2 涂料在泵體內(nèi)的流速和壓力分析

Fluent是用于模擬和分析復(fù)雜幾何區(qū)域內(nèi)的流體流動(dòng)與傳熱現(xiàn)象的專用軟件［4］。首先在Gambit中對(duì)零部件進(jìn)行網(wǎng)格劃分和邊界條件的設(shè)置，然后再利用Fluent進(jìn)行仿真與分析。

在進(jìn)行泵體內(nèi)部管道建模時(shí)，基于結(jié)構(gòu)原理對(duì)其內(nèi)部結(jié)構(gòu)直接進(jìn)行簡(jiǎn)化。采用Gambit軟件進(jìn)行建模，利用TGrid程序直接進(jìn)行網(wǎng)格劃分，劃分的網(wǎng)格類型為四面體網(wǎng)格，得到528 686個(gè)單元。網(wǎng)格劃分后的管道有限元模型如圖2所示。

入口設(shè)置為速度入口，出口設(shè)置為壓力出口。考慮到流體在流動(dòng)過程中的能量損失，沿著流動(dòng)方向，從截面1（入口截面）到截面2（出口截面）的伯努利方程［5］為：

其中：p1，p2分別為截面1、截面2的靜壓；ρ為涂料的密度；g為重力加速度；Z1和Z2分別為截面1和截面2上一點(diǎn)的單位位能，即單位質(zhì)量的流體從某一基準(zhǔn)面算起具有的位置勢(shì)能；α1，α2分別為截面1、截面2的動(dòng)能修正系數(shù)；v1，v2分別為涂料入口、出口速度；hf為從截面1到截面2的單位重量流體的能量損失。

假定涂料的入口速度v1＝120m/s，入口壓力p1＝25MPa，涂料的密度為1 300kg/m3，運(yùn)動(dòng)黏度u＝0.9Pa·s。各部分管道的直徑分別為D1＝6 mm、D2＝14mm、D3＝8mm、D4＝12mm。

圖2 管道的有限元模型

將Gambit劃分好的mesh文件導(dǎo)入到Fluent軟件中進(jìn)行分析，選用3ddp三維、雙精度求解器。由假定的條件可求得入口處的雷諾數(shù)為：

Re＜2 300時(shí)屬于層流運(yùn)動(dòng)，采用壓力求解器，選擇黏性模型為L(zhǎng)aminar層流模型，不考慮重力的影響，運(yùn)算后得到的管道內(nèi)涂料的速度和壓力云圖如圖3、圖4所示。

由圖3、圖4可以看出，涂料在兩個(gè)出口處速度依然可達(dá)每秒上百米。由高壓無氣噴涂機(jī)的原理可知，出口處的速度能夠滿足涂料的霧化，符合性能要求，說明此結(jié)構(gòu)合理。隨著柱塞泵的不斷吸料進(jìn)料，涂料以高速、高壓進(jìn)入到輸料管中，然后由噴嘴噴出。

3 結(jié)論

本文以高壓無氣噴涂機(jī)為研究對(duì)象，提出了一種新型雙槍高壓無氣噴涂機(jī)的泵體結(jié)構(gòu)，通過Fluent軟件模擬分析涂料在泵體管道內(nèi)流動(dòng)的速度和壓力。仿真結(jié)果表明該結(jié)構(gòu)能夠達(dá)到涂料從噴嘴噴出并霧化的效果。采用這種結(jié)構(gòu)，大大降低了涂料從回流閥回流到料筒的量，提高了柱塞泵的效率，也提高了噴涂的效率。該結(jié)構(gòu)為雙槍高壓無氣噴涂機(jī)的研究提供了一定的參考。

圖3 管道內(nèi)部的速度云圖

圖4 管道內(nèi)部的壓力云圖

［1］馮繼文.氣動(dòng)式高壓無氣噴涂機(jī)結(jié)構(gòu)創(chuàng)新設(shè)計(jì)［D］.杭州：浙江大學(xué)，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入門與進(jìn)階教程［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2011.

［5］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計(jì)算實(shí)例與應(yīng)用［M］.北京：北京理工大學(xué)出版社，2013.