噴槍結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

邵先月

(浙江瑞豐五福氣動(dòng)工具有限公司，浙江 溫嶺317513）

1 引言

噴槍在建筑噴涂、車輛噴涂、工業(yè)噴涂、納米材料噴涂、藝術(shù)噴涂等領(lǐng)域中發(fā)揮著極其重要的作用。近年來，在市場需求的推動(dòng)下，全球噴槍行業(yè)創(chuàng)新能力不斷提高，噴槍結(jié)構(gòu)不斷優(yōu)化，產(chǎn)品種類不斷增加，無氣噴槍、自動(dòng)噴槍、環(huán)保噴槍等產(chǎn)品市場占比日益提高。

我國噴槍行業(yè)雖然較發(fā)達(dá)國家起步晚，但隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展，噴槍在汽車工業(yè)和涂裝工業(yè)獲得了快速發(fā)展，行業(yè)規(guī)模日益擴(kuò)大，行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)逐漸完善。在發(fā)達(dá)國家產(chǎn)業(yè)轉(zhuǎn)移的趨勢下，越來越多的國外企業(yè)進(jìn)入我國市場，促進(jìn)了我國噴槍行業(yè)技術(shù)水平的快速提高。目前，我國已經(jīng)成為全球噴槍的生產(chǎn)大國，產(chǎn)品出口到歐美等國家。

根據(jù)噴槍的發(fā)展過程，可將噴槍分為以下三種類型[1-3]。

（1）傳統(tǒng)高壓霧化噴槍。傳統(tǒng)高壓噴槍需要較高的噴涂氣壓，通常為4.0 bar，涂料的霧化主要依靠噴槍風(fēng)帽實(shí)現(xiàn)，霧化方式為氣壓霧化。為使涂料霧化充分，就需要噴槍風(fēng)帽有足夠高的壓力，通常風(fēng)帽的壓力大于2.5 bar。由于涂料的霧化壓力高，使得涂料霧化后的液滴速度較大，當(dāng)液滴噴射到被噴涂物的表面時(shí)，會(huì)產(chǎn)生大量的反彈和飛濺，導(dǎo)致上漆率低，目前在工業(yè)生產(chǎn)中已經(jīng)被淘汰。

（2）高流量低氣壓霧化噴槍（HVLP）。高流量低氣壓噴槍，即HVLP （High Volume Lowe Pressure）霧化噴槍，是繼傳統(tǒng)高壓霧化噴槍之后產(chǎn)生的一種用于涂裝行業(yè)的噴槍。相對于傳統(tǒng)高壓噴槍，它在進(jìn)氣壓力、風(fēng)帽壓力和傳遞效率等方面進(jìn)行了優(yōu)化，降低了噴涂氣壓的進(jìn)氣壓力和噴槍風(fēng)帽壓力，涂料的霧化方式改為氣流霧化，因此噴槍產(chǎn)生的液滴反彈和飛濺少，極大提高了上漆率，減小了涂料的浪費(fèi)，對環(huán)境污染和身體的損害較小。

（3）RP低流量中氣壓霧化噴槍。RP（Reduced Pressure）低流量中氣壓霧化噴槍是隨著噴槍技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展產(chǎn)生的一種目前最先進(jìn)的噴槍，這種噴槍把傳統(tǒng)高壓噴槍與HVLP噴槍的優(yōu)點(diǎn)結(jié)合了起來。它的噴涂氣壓的進(jìn)氣壓力約為2.5 bar，噴槍風(fēng)帽壓力約為1.2 bar，涂料的霧化方式為氣流霧化加氣壓霧化，上漆率與HVLP噴槍相同，并且耗氣量較低。

在霧化噴槍發(fā)展的過程中，氣-固噴槍在工業(yè)生產(chǎn)、航天航空等領(lǐng)域也逐步發(fā)展、成熟。如在工業(yè)生產(chǎn)中，氣-固噴槍作為堿性干粉注射進(jìn)煙道的核心設(shè)備，可以防止堿性干粉與煙氣中的CO2反應(yīng)生成堅(jiān)硬的碳酸鈣造成噴槍堵塞，提高了堿粉發(fā)生反應(yīng)的速率和效率；在航空航天領(lǐng)域，超音速火焰噴槍在航空發(fā)動(dòng)機(jī)部件的壓縮機(jī)葉片、軸承套等上的使用已經(jīng)基本實(shí)現(xiàn)標(biāo)準(zhǔn)化，可完全取代以前的爆炸噴涂層，降低了生產(chǎn)成本。

2 霧化噴槍結(jié)構(gòu)分析與優(yōu)化

2.1 霧化噴槍結(jié)構(gòu)分析

霧化噴槍由槍身、噴嘴套裝、控制部件和其他附件等組成，其中噴嘴套裝包括空氣噴嘴、涂料噴嘴和槍針。噴嘴套裝是整個(gè)噴槍中最重要的部分，決定了噴槍的噴涂效果。空氣噴嘴主要由主霧化孔、輔助霧化孔和扇面控制孔組成，如圖1所示。主霧化孔也叫中心霧化孔，它位于風(fēng)帽的中心位置，輔助霧化孔在主霧化孔的兩邊，扇面控制孔位于風(fēng)帽兩邊的喇叭嘴上。主霧化孔引導(dǎo)壓縮空氣在噴嘴前端形成負(fù)壓區(qū)，吸出液體并使其霧化，然后通過主霧化孔的氣流把霧化之后的液滴噴射到被噴涂物的表面；輔助霧化孔的作用是通氣流而使液滴不留在噴嘴上，對噴嘴的清潔起決定性作用；扇面控制孔控制噴槍噴涂圖樣的形狀，通過改變噴幅調(diào)節(jié)旋鈕的位置，促使風(fēng)帽扇面控制孔的氣壓和流量改變，最終實(shí)現(xiàn)圖樣形狀的調(diào)節(jié)。涂料噴嘴的主要作用有兩個(gè)，一是輸送涂料，二是噴射涂料，兩者的實(shí)現(xiàn)都需要涂料泵的配合。槍針有開關(guān)和調(diào)節(jié)作用，槍針與涂料噴嘴組合，形成了一個(gè)閥口，通過與涂料噴嘴相對位置的改變來控制閥口的開啟和關(guān)閉；通過和涂料流量調(diào)節(jié)旋鈕的配合，在轉(zhuǎn)動(dòng)涂料流量調(diào)節(jié)旋鈕時(shí)，噴槍的彈簧組件的壓緊程度改變，槍針的機(jī)械壓力改變，槍針和涂料噴嘴的相對位置也就改變了，控制閥口的開度，從而實(shí)現(xiàn)涂料流量的調(diào)節(jié)。槍身為噴槍的基體，所有的部件都安裝在槍身上，通過內(nèi)部通道進(jìn)行空氣以及液體的傳送[4]。

圖1 噴槍噴嘴結(jié)構(gòu)

分析噴槍的結(jié)構(gòu)發(fā)現(xiàn)影響噴涂效果的主要因素有以下幾個(gè)方面：主霧化孔形狀、主霧化孔的圓角角度、扇面控制孔的形狀、扇面孔指控方位的角度。分別對主霧化孔的形狀為圓形、橢圓形、正方形和三角形，扇面控制孔的形狀為圓形、橢圓形、正方形和三角形，主霧化孔的圓角角度為0°、10°、20°和30°以及扇面孔指控的角度為35°、45°、55°和65°的情況進(jìn)行仿真，得到最佳噴涂效果時(shí)主霧化孔和扇面控制孔的各類參數(shù)。

2.2 霧化噴槍結(jié)構(gòu)優(yōu)化

首先討論主霧化孔的形狀對噴槍噴涂圖樣的影響。當(dāng)主霧化孔為圓形、橢圓形和正方形時(shí)，噴槍噴涂圖樣均能得到良好的霧化效果，噴涂圖樣在縱截面和橫截面上均能形成良好的對稱；當(dāng)主霧化孔在距離噴嘴0～60 mm的空間上，噴涂圖樣粒子的速度處于不穩(wěn)定階段，之后粒子的速度趨于穩(wěn)定，它們在縱截面和橫截面的最大速度均分布在距離噴嘴約為18 mm的位置處。

主霧化孔的圓角角度是分析噴槍噴涂效果的參數(shù)之一，它不影響噴涂圖樣的霧化，隨著主霧化孔圓角的開度的增加，在縱截面上形成圖案的對稱性會(huì)逐漸的消失，而橫截面上形成的圖樣都幾乎完全對稱；縱截面的最大速度的值會(huì)隨著主霧化孔圓角的開度的增大而增加，但是橫截面的最大速度值不受其影響。

扇面控制孔的形狀也是影響噴涂效果的重要因素，當(dāng)扇面控制孔為圓形和橢圓形時(shí)，它們對噴槍噴涂圖樣的霧化作用大，當(dāng)扇面控制孔為正方形或者三角形時(shí)，它們對噴槍噴涂圖樣的霧化作用??；扇面控制孔為圓形或者橢圓形時(shí)，它們對噴槍噴涂的圖樣形狀的影響較大，扇面控制孔為正方形或者三角形時(shí)，它們對噴槍噴涂的圖樣形狀的影響較??；縱截面距離噴嘴出現(xiàn)最大速度的位置遠(yuǎn)于橫截面最大速度出現(xiàn)的位置，并且橫截面的最大速度中，扇面控制孔為圓形或者橢圓形時(shí)的最大速度要高于扇面控制孔為三角形或者正方形時(shí)的最大速度。

分析扇面孔指控方位的角度后發(fā)現(xiàn)，35°和45°的扇面孔指控方位角度優(yōu)于55°和65°時(shí)的效果，扇面控制孔會(huì)使噴槍噴涂圖樣的霧化更加充分；角度在45°時(shí)的噴槍噴涂圖樣對稱性最好，關(guān)于橫截面和縱截面都幾乎完全對稱；而扇面孔指控的角度為55°時(shí)對噴涂圖樣形狀的影響最大。

2.3 超音速霧化噴槍結(jié)構(gòu)分析

超音速霧化噴槍增加了拉伐爾噴管，使氣流達(dá)到超音速條件，提高液體的霧化效果。

超音速霧化噴槍的主要結(jié)構(gòu)如圖2所示，包括上噴槍體、下噴槍體、空氣帽和拉伐爾噴管（見圖3），上噴槍體和下噴槍體之間通過螺紋連接形成噴槍的主體。拉伐爾噴管作為核心部件，是氣流達(dá)到超音速的必要條件。亞音速的氣流隨著收縮管截面積的減小其速度逐漸增大，在喉管處達(dá)到音速，再經(jīng)過擴(kuò)張管繼續(xù)加速，使氣體的流動(dòng)速度達(dá)到超音速。上噴槍體的內(nèi)部由一段圓柱孔和一段喇叭口組成，在圓柱孔的徑向設(shè)置有進(jìn)液口，上噴槍體靠近喇叭口一端通過螺紋連接的中心位置設(shè)置有空氣帽，空氣帽中間有小孔。下噴槍體的主要作用是引入具有一定壓力的氣體，沿軸線方向有一個(gè)通孔，進(jìn)氣口設(shè)置在下噴槍體的徑向位置，進(jìn)氣口上有一個(gè)單向閥用于調(diào)節(jié)進(jìn)氣口的開啟壓力，沿軸向的孔內(nèi)設(shè)置有空氣調(diào)節(jié)閥，用于控制進(jìn)入噴槍內(nèi)部的氣體流量。當(dāng)氣體壓力大于閥的開啟壓力時(shí)，閥芯打開，高壓氣體進(jìn)入拉伐爾噴管。當(dāng)噴管前后壓力比達(dá)到一定比例時(shí)，氣體的流動(dòng)速度增大至超音速；液體進(jìn)入噴管的流動(dòng)方向和氣體的流動(dòng)方向垂直，進(jìn)液口上連接有調(diào)節(jié)閥，可以調(diào)節(jié)進(jìn)入噴槍的液體流量。由于液注和氣流方向相互垂直，從而引起較大的速度差。在高速氣流的沖擊作用下，液體被初次破碎，一部分液體達(dá)到了霧化效果。隨后，氣體和液滴在上噴槍體的擴(kuò)張段內(nèi)充分混合，使得液體完全霧化[5]。

圖2 超音速霧化噴槍結(jié)構(gòu)圖

圖3 拉伐爾噴管結(jié)構(gòu)示意圖

3 超音速火焰噴槍的設(shè)計(jì)與分析

3.1 超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

超音速火焰噴涂是利用氣體（或液體）燃料在燃燒室內(nèi)（或在特殊的噴嘴中）燃燒膨脹產(chǎn)生高溫焰流并從噴嘴噴出，在瑞利流和范諾流效應(yīng)下，在等截面噴嘴出口（或Laval噴嘴內(nèi)部）焰流達(dá)到壅塞狀態(tài)，獲得超音速火焰射流。焰流速度可達(dá)1500 m/s以上，因其采用氧氣助燃，通常被稱作HVOF。將粉末軸向送進(jìn)火焰，可以將噴涂粒子加熱至熔化或半熔化狀態(tài)，并加速到300～600 m/s甚至更高的速度，從而獲得結(jié)合強(qiáng)度高、致密性好的高質(zhì)量涂層。HVOF具有很高的粒子撞擊速度，涂層結(jié)合強(qiáng)度、硬度、致密性、耐磨性較高，為形成高質(zhì)量的涂層提供了可靠的手段。由于HVOF制備的涂層具有優(yōu)異的性能，近年來應(yīng)用日益廣泛[6]。

現(xiàn)有的超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)之間的差異主要有以下幾點(diǎn)：

（1）冷卻方式不同，主要有空氣冷卻和水冷卻；

（2）送粉方式不同，分為軸向送粉和徑向送粉；

（3）燃料種類不同，氣體燃料主要包括丙烯、丙烷、氫氣或乙炔，液體燃料主要包括煤油、酒精、汽油等；

（4）燃燒室壓力不同，主要由噴槍結(jié)構(gòu)和燃料與空氣流量比決定，燃燒室壓力大小視噴涂系統(tǒng)而定，大多數(shù)噴槍采用的圓筒型燃燒室，其壓力為0.4～0.5 MPa；

（5）Laval噴嘴及等截面長噴管結(jié)構(gòu)不同[7-9]。

3.2 超音速火焰噴槍結(jié)構(gòu)分析

目前國際熱噴涂領(lǐng)域主要流行的超音速火焰噴槍主要有以下幾種。

（1）JP－5000型噴槍。該噴槍使用安全的液體燃料，采用吸入式送粉，具有較高的熱效率。它將氧氣和液體燃料送進(jìn)噴槍后部的燃燒室，并用火花塞點(diǎn)燃，粉末沿徑向雙孔加入到內(nèi)噴嘴喉管后的過渡膨脹負(fù)壓區(qū)，不需要高壓送粉系統(tǒng)。

（2）Jet－Kote型噴槍。它的燃燒室和噴管均采用水冷卻方式，送粉方式為軸向送粉，氧氣和燃?xì)庠谌紵遥ㄊ直鷥?nèi)）頭部燃燒，高溫氣體通過一定角度的環(huán)形內(nèi)孔到達(dá)噴管，高溫氣體加熱粉末并從噴管高速噴出。

（3）Diamond－Jet噴槍。該噴槍結(jié)構(gòu)新穎，沒有燃燒室和高壓氣體壓縮槍筒，采用喉管燃燒和中心送粉方式，便于操作，但該噴槍的缺點(diǎn)是不利于粒子的加速。此外，由于空氣流動(dòng)層使火焰溫度降低，而火焰射流壓力又較低，熱量向粉末轉(zhuǎn)移困難，因此該噴槍對粉末粒度要求高，使用成本昂貴。

（4）θ－Gun噴槍。該噴槍是從噴嘴外部火焰噴出部送粉，粉末與噴嘴不產(chǎn)生摩擦，對粉末粒度要求不高，送粉量和噴涂火焰能量相匹配，大幅度降低涂層成本。火焰周圍噴出的壓縮空氣呈筒狀，形成空氣隧道，由于噴涂粉末與噴嘴不產(chǎn)生摩擦，可實(shí)現(xiàn)長時(shí)間安全運(yùn)行[9,10]。

4 總結(jié)

通過對噴槍結(jié)構(gòu)分析發(fā)現(xiàn)，霧化孔形狀、主霧化孔的圓角角度、扇面控制孔的形狀、扇面孔指控方位的角度對噴涂圖案的霧化、圖案對稱性以及噴涂圖樣粒子的速度都有一定的影響，結(jié)合實(shí)際操作需求，調(diào)節(jié)噴槍的使用參數(shù)，能使噴槍達(dá)到最好的噴涂效果。