CN1077456C - 超音速多功能表面处理设备 - Google Patents
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Abstract
一种超音速多功能表面处理设备，是由压缩空气、粒子和燃料的输送控制装置，点火起动装置和喷枪三部分组成，利用燃料在喷枪燃烧室充分燃烧而使气体产生膨胀，从而使粒子在高温高压焰流带动下加速，以大于500米/秒的超音速从枪口喷射出来，射向被加工金属表面，可进行喷砂、喷丸、喷涂或切割等不同表面处理。该装置使用的燃料成本低，特别适用于大型结构件的表面锈蚀层和防腐层的处理加工；其点火装置和喷枪结构设计精巧，点火效率高，喷枪燃烧充分，是一种颇有推广应用前景的表面处理装置。
Description
本发明涉及一种金属表面处理装置，确切地说，涉及一种超音速多功能表面处理设备。
近十多年来，随着热喷涂技术的不断发展，超音速喷涂以其涂层界面结合强度高，喷涂质量好而独树一帜，颇受人们的青睐，尤其进入九十年代以来，已成为一些发达国家研究的热点。目前，国内外的超音速喷涂主要有超音速等离子喷涂和超音速火焰喷涂两种。但是，前者设备价格昂贵，难以普及；而后者使用氧乙炔作为喷涂燃料，其消耗费用较高，不适宜作为大型工件表面的喷涂。再者，现有的各种表面处理设备，都是单一功能的，所以，欲要对工件喷砂除锈后进行喷涂作业，就必须使用两套或更多的不同表面处理装置，分别进行喷砂及喷涂，既不经济，又占空间。
本发明的目的是提供一种可以克服上述缺陷的超音速多功能表面处理设备，该装置燃料成本低，设备构造简单，设备添置费用较低廉，还具有一机多用、综合性强的多功能特点。
本发明是这样实现的：其包括有：压缩空气、粒子和燃料的输送控制装置，点火起动装置和喷枪，其特征在于：上述控制装置是由四个流量控制阀、若干个三通阀和一个四通阀，以及料筒、燃料筒、压力表、过滤器构成的控制输入喷枪的压缩空气、燃料与粒子的输送压力装置；上述点火起动装置则由顺序连接的燃油箱、流量阀、电磁开关阀和单向阀构成的燃油供给管路、顺序连接的氧气瓶、截止阀、电磁开关阀和回火防止器所构成的氧气供给管路与点火枪所组成；上述喷枪的后手柄底端分别设有进气管和进油管，枪体中间设有进砂管，该进砂管的外侧设有与进气管相连通的进气通道，该进气通道外侧顺序安装有圆环状喷油器、锥孔状壳体的雾化罩、旋流器与燃烧室，其中喷油器的进油孔与上述进油管相连通，旋流器藉其内螺纹固装在进气通道的外壁上，枪体中部设有其两端为不同锥面角的锥孔形而中间为圆孔状的拉菲尔管，枪体前端设有加速管，在燃烧室与拉菲尔管的中间，以及枪体外壁与上述枪体内的各部件之间都设有供空气流通的间隙。
其中控制装置采用压缩空气来压送粒子及燃料，并分别送入喷枪的进砂管和进油管。
其中控制装置中的流量控制阀K4控制压送粒子和进入喷枪的压缩空气的流量和压力，流量控制阀K2则控制压送燃油以及点火起动装置中的燃油供给的压缩空气的流量和压力，流量控制阀K1则用于辅助调节燃油压力和停止工作时的放气，流量控制阀K3则控制进入喷枪燃烧室的燃油压力及流量。
其中点火起动装置的氧气供给管路和燃油供给管路的出口分别对称安设在点火枪中部矩形截面燃烧室的对应两侧面，该点火枪的后部固装有火花塞，前端是细圆管状喷管。
上述点火起动装置中氧气和燃油两个供给管路上的电磁开关阀和火花塞的火花脉冲产生电路是由同一电路上的同一开关控制其同时进行阀门开启和点火操作的。
其中喷枪中的喷油器是沿圆周均匀分布设有若干个进油孔的环形壳体。
其中喷枪中的旋流器的环形体内部及其外圆柱表面都设有螺旋形沟道，其螺旋升角入＝＝30°—36°，沟道深度为1.5—2.5mm，
其中喷枪中的锥形壳体的雾化罩和环形燃烧室外壁上都设有沿圆周均匀分布的多个进气小孔。
其中喷枪的各零件都采用不锈钢制成。
本发明是一种利用其特殊设计的点火起动装置，压缩空气、粒子或粉未和燃料输送的控制装置以及喷枪所构成的超音速内燃式多功能表面处理设备，其工作原理仍是利用燃料在喷枪内燃烧室燃烧而使气体产生膨胀，从而使粒子在高温高压焰流的带动下加速，以大于500米/秒的超音速从枪口喷射出来，射向被加工金属表面，进行喷砂、喷丸、喷粉或切割等不同表面处理加工。其主要特点有四点：1、燃料成本较低，可使用煤油、酒精、丙烯、甲烷、丙烷、乙炔等多种液体或气体燃料，特别适用于大型结构件(如桥梁、舰船、锅炉等)的表面锈蚀层的清理和防腐层的喷涂。2、多功能，综合作业性能好。只要在料筒内放置不同的粒子材料(如砂粒、丸粒、粉未等)就可进行超音速喷砂、超音速喷丸和超音速喷涂等操作。可以使用一台本发明装置(至多配置不同的料筒而已)就可实现结构件表面的喷砂(喷丸)一喷涂的一体化连续作业，给企业降低设备购置成本和方便施工作业带来便利。3、利用喷枪的特殊结构，使燃油与空气完全混合，燃烧充分，喷射射流的速度为1500—1800米/秒，马赫数为1.8以上，粒子出口速度可达500米/秒，其喷砂效率要比普通喷砂机高2—5倍，喷涂的涂层结合强度＞100MPa。同时还使枪管中的燃烧室与拉菲尔管、加速管得到冷却，保证本发明装置可以长时间操作。4、点火起动装置利用两个电磁阀同时开启，使燃油和氧气同时瞬间进入点火枪燃烧室，并迅速混合成可燃气，再被同步动作的火花塞脉冲电火花引燃爆炸。这种点火方式可靠性好，点火效率高，较好地克服了其他点火方式的种种不便。总之，本发明是一种颇具推广应用前景的表面处理装置。
下面结合附图，详细介绍本发明的结构、特征及工作原理。
图1是本发明的结构组成示意图。
图2是本发明中的喷枪结构组成示意图。
图3是本发明中的喷枪局部结构放大示意图。
参见图1，本发明主要由压缩空气、粒子和燃料的输送控制装置A、点火起动装置B和喷枪C三部分组成，其中控制装置A是由四个流量控制阀K1、K2、K3、K4，若干个三通阀T1、T2、T4、T5，一个四通阀T4，以及燃料筒B2、料筒B1、压力表M1、M2、过滤器G1等构成。点火装置B则由顺序连接的燃油箱B3、流量控制阀K5，电磁开关阀K7和单向阀K9组成的燃油供给管路、顺序连接的氧气瓶B4、截止阀K6、电磁开关阀K8和回火防止阀J组成的氧气供给管路与点火枪W所组成。
本发明的控制装置A的工作原理是这样的：当压缩空气进入本发明主控箱后分成两路；第一路经流量控制阀K4在通过四通阀T3时又分成两部分，一部分直接进入喷枪底部的进气管9，为喷枪燃烧室提供与燃料混合的可燃气体，以及冷却喷枪C的高温零件提供压缩空气(参见图2)。另一部分则用于压送粒子：这部分压缩空气再流经三通T4，其中一部分压缩空气直接进入料筒B1，将粒子压向筒底，在该料筒B1的底部设置有粒子开启开关D，当手动该开关D处于“开启”状态时，从筒内下来的粒子将被从三通T4另一部分的压缩空气压送到喷枪，进入进砂管6。这里的流量控制阀K4的作用是调节进入喷枪的空气的压力，使喷枪易于起动，并能适应不同粒子进行表面处理时所需的工作速度。第二路压缩空气则经过流量控制阀K2与三通T1去压送燃料，即通过三通T5的部分空气进入燃料筒B2压送燃料，其余的空气则被引到点火起动装置B进行点火作业。流量控制阀K2的作用主要是调节压送燃料的压力阀，K2的出口处三通T1又与流量控制阀K1相联通，该阀K1主要起辅助调节燃料压力的作用，此外，可以在操作结束时向外放气而起安全保护作用。当燃料筒B2内的燃料被压送出来，再经过滤器G1和流量控制阀K3、三通T2进入喷枪的进油管10(参见图2)。这里的流量控制阀K3的作用是调节进入喷枪的燃料的压力，以使燃料可以在喷枪中燃烧得更加充分，并使起动点火容易，并用压力表M1显示喷枪燃料进口的压力。
从三通T5分流过来的压缩空气进入点火起动装置B进行点火作业，其过程是这样的：该气体将燃油箱133中的液体燃料压出后(若为气体燃料，可直接从压力燃料瓶中放出)，经流量控制阀K5、电磁开关阀K7和单向阀K9进入点火枪W的燃烧室N。其中流量控制阀K5用于手动控制燃料的输出流量，以便调节燃料与氧气的配比；电磁开关阀K5则用于控制燃料的脉冲供给，由点动开关控制其阀芯动作。平时为常闭式，当手按压点动开关时，该电磁开关阀加电，其阀芯在电磁铁的吸力作用下迅速开启，打开燃料通道，并在脉冲点动时间结束后，其阀芯在弹簧作用下退回原位，关闭阀门，恢复常态。单向阀K9的结构是由一弹簧将钢珠压紧在锥形阀体上，其主要作用是防止回火。
氧气供给管路上的氧气瓶B4打开后，氧气经换向截止阀K6、电磁开关阀K8及回火防止器J进入点火枪的燃烧室N。上述截止阀K6是起开关作用的普通开关阀，电磁开关阀K8则与上述燃油供给管路上的电磁开关阀K7的结构完全相同，用于控制氧气的脉冲供给，且由同一个脉冲点火电路使这两个电磁开关阀K7、K8与火花塞M的脉冲点火同步动作，以保证燃油进入燃烧室N的同时，可以与氧气充分混合形成可燃气，在此瞬间同时又实施点火操作，产生脉冲爆燃。为防止点火爆炸时，燃料焰流进入氧气通道，故在氧气通道的末端设置有回火防止器J，其结构与气焊枪中的氧气回火防止器相同。
本发明的点火枪后部的螺纹孔内旋入有火花塞M，其中部空间为燃烧室N，前端为φ25毫米的喷管P，该喷管P外径与长度应与喷枪C的点火孔尺寸相吻合。该点火枪使用不锈钢制成。
当手控点动电磁开关阀瞬间开启时，两个通道上的燃料和氧气将在瞬间同时喷进点火枪的燃烧室N，并迅速混合成可燃气，随即又被同步作用的火花塞产生的电脉冲火花引爆，爆炸产生的高压高温焰流以超音速从喷嘴喷出，可对喷枪实施点火操作。
参见图2，本发明的喷枪C则由枪体14、前手柄12、后手柄11和枪管15组成。其中后手柄11的底端设有进气管9和进油管10，枪体14中间设有进砂管6，该进砂管6的外侧设有与进气管9相连通的进气通道5，该进气通道5的外侧顺序安设有圆环状喷油器1、锥状壳体的雾化罩2、旋流器3及燃烧室4，其中喷油器1沿圆周均匀布设有若干个进油小孔，该进油孔与上述进油管10相连通，旋流器3的环形体中间及外圆柱表面设有多条螺旋形沟道，其螺旋升角入＝＝30°—36°，沟道深度为1.5—2.5mm，锥形雾化罩2通过过盈配合，固定在喷油器1的外壁上，另一端的通孔则与旋流器螺旋状沟道相连通，其锥形罩壁和燃烧室4的外壁上都设有沿圆周均匀布设的多个进气小孔，旋流器藉其内螺纹固装在进气通道5的外壁上。枪体14的中部设有拉菲尔管7；前端枪管15内设有加速管8；在燃烧室4与拉菲尔管的中间，以及枪体14内壁与上述枪体14内的各零部件之间都设有供压缩空气流通的间隙。
本发明的喷枪工作原理是这样的：当压力为8～15kg/cm2的压缩空气从后手柄11的进气管9进入进砂管6外侧和燃烧室4内壁之间的环形截面的进气通道5，到达前端后沿径向间隙分成两路，一路继续向前进入拉菲尔管7和加速管8与枪管15外壳体之间的通道，最后从枪管15的外圆周环形孔中喷出，从而起到冷却拉菲尔管7和加速管8的作用。另一路压缩空气则沿着环形燃烧室4与枪体14外壳之间的圆环形回气通道13回流，在回流过程中，约有20％的空气从燃烧室外壁圆周均匀分布的φ1.5×8的径向小孔进入燃烧室补氧而辅助燃烧，其余的压缩空气则从雾化罩2的锥状壳体上的φ4×6的小孔进入喷油器1与雾化罩2之间的环形空间里，与雾化后的燃料混合后的可燃气体经旋流器3螺旋形沟道形成螺旋形气流后才进入燃烧室4，这样，可使燃料雾滴与空气中的氧充分混合，从而使燃烧更加充分。
液体或气体燃料则经后手柄11中的进油管10进入喷油器1，该喷油器1是沿圆周均匀布设有三个φ0.5毫米小孔的环状壳体，从喷油嘴喷出的液体燃料将以高速冲击雾化罩2的锥面内壁，向四处飞溅而形成雾滴，该燃料雾滴再与雾化罩小孔里进来的压缩空气混合后，经旋流器3的螺旋通道进入燃烧室4。如是气体燃料，其流动状况与上述液体燃烧流动状况相似，只是此时的雾化罩的作用是将空气与燃料相隔离，即可称为隔离罩。
砂子或粉未则从枪体尾部的进砂管6进入，并从其前端喷出后，进入压缩角为60°—70°，喉管尺寸为8—10毫米的拉菲尔管，最后经过内径为φ15毫米的加速管，以超音速(大于500米/秒)的速度喷向工件。
本发明的喷枪所有零部件都采用不锈钢制成。
本发明已经试制出样机，并进行试验实施，其中电磁开关阀K7、K8的直流工作电压为12V，启闭时间Δt＜0.1秒，工作压力P＝8～15Mpa。其中单向阀的开启压力P＞0.5Mpa。试验时的氧气压力为6～8Kg/cm2，压缩空气的调节应视喷砂、喷丸及喷涂的工作条件而定。经试验实施，本发明能够很好地进行上述喷砂、喷丸、喷涂以及切割等多功能表面处理加工，对于清理各种大型结构件的各种严重自然污染(如油漆、油脂、水泥、生物积垢等)的表面具有很好的效果。
Claims (9)
1、一种超音速多功能表面处理设备，其包括有：压缩空气、粒子和燃料的输送控制装置，点火起动装置和喷枪，其特征在于：上述控制装置是由四个流量控制阀、若干个三通阀和一个四通阀，以及料筒、燃料筒、压力表、过滤器构成的控制输入喷枪的压缩空气、燃料与粒子的输送压力装置；上述点火起动装置则由顺序连接的燃油箱、流量阀、电磁开关阀和单向阀构成的燃油供给管路、顺序连接的氧气瓶、截止阀、电磁开关阀和回火防止器所构成的氧气供给管路与点火枪所组成；上述喷枪的后手柄底端分别设有进气管和进油管，枪体中间设有进砂管，该进砂管的外侧设有与进气管相连通的进气通道，该进气通道外侧顺序安装有圆环状喷油器、锥孔状壳体的雾化罩、旋流器与燃烧室，其中喷油器的进油孔与上述进油管相连通，旋流器藉其内螺纹固装在进气通道的外壁上，枪体中部设有其两端为不同锥面角的锥孔形而中间为圆孔状的拉菲尔管，枪体前端设有加速管，在燃烧室与拉菲尔管的中间，以及枪体外壁与上述枪体内的各部件之间都设有供空气流通的间隙。
2、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中控制装置采用压缩空气来压送粒子及燃料，并分别送入喷枪的进砂管和进油管。
3、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中控制装置中的流量控制阀K4控制压送粒子和进入喷枪的压缩空气的流量和压力，流量控制阀K2则控制压送燃油以及点火起动装置中的燃油供给的压缩空气的流量和压力，流量控制阀K1则用于辅助调节燃油压力和停止工作时的放气，流量控制阀K3则控制进入喷枪燃烧室的燃油压力及流量。
4、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中点火起动装置的氧气供给管路和燃油供给管路的出口分别对称安设在点火枪中部矩形截面燃烧室的对应两侧面，该点火枪的后部固装有火花塞，前端是细圆管状喷管。
5、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：上述点火起动装置中氧气和燃油两个供给管路上的电磁开关阀和火花塞的火花脉冲产生电路是由同一电路上的同一开关控制其同时进行阀门开启和点火操作的。
6、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中喷枪中的喷油器是沿圆周均匀分布设有若干个进油孔的环形壳体。
7、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中喷枪中的旋流器的环形体内部及其外圆柱表面都设有螺旋形沟道，其螺旋升角入＝30°—36°，沟道深度为1.5—2.5mm。
8、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中喷枪中的锥形壳体的雾化罩和环形燃烧室外壁上都设有沿圆周均匀分布的多个进气小孔。
9、如权利要求1所述的超音速多功能表面处理设备，其特征在于：其中喷枪的各零件都采用不锈钢制成。
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