产生高速颗粒流的方法和装置制造方法及图纸

通过在每一级采用不同介质的多级加速法低成本地产生高速磨料粒流的方法和装置，上述的磨料粒先用一股或多股气流低成本地加速到亚音速（相对于声音在空气中的速度），然后用水流进一步加速到更高的速度。另外，为了增强磨料粒的加速，建立了涡流运动，并将磨料粒引入具有涡流运动的流体中，从而更有力地将磨料粒喷射到工件上。（*该技术在2018年保护过期，可自由使用*）

【技术实现步骤摘要】

本专利技术涉及产生适用于各种修整、包括(但不限于)表面清理、切割和喷涂的高速颗粒流的方法和装置。运送表面清理(例如清除船身、贮罐、管道等的涂层、锈蚀和轧制铁鳞等)用的高速颗粒流的传统做法是将颗粒夹带在高速气流(例如空气流)中并通过加速喷嘴将它们喷到待清理的工件上。这种装置通常是压缩空气驱动的，并含有一台空气压缩机、一个贮存磨料粒的容器、一个控制磨料粒流量的计量器、一根运送空气-磨料粒流的软管、和一个喷出空气-磨料粒流的收敛-发散或收敛-直筒式的喷嘴。运送切割材料例如切割合金、陶瓷、玻璃和层压板等的“冷切割”(与气炬、等离子和激光切割等在高温下进行的“热切割”不同)用的高速颗料粒流的传统做法是将颗粒夹带在高速液流(例如水流)中并通过会聚型喷嘴将它们喷到待切割的工件上。这种装置通常由高压水驱动，并含有一台高压水泵、一个贮存磨料粒的容器、一个控制磨料粒流量的计量器、一根输送磨料粒的软管、一根输送高压水的软管、和一个会聚型的喷嘴，在该喷嘴内形成高速流体流以夹带和加速喷向待切割工件上的磨料粒流。喷出的磨料粒流无论是用于清理表面还是用于切割工件、其工作原理本质上是一样的，熟悉本技术的人们称之为“微加工”。其他的效应也有，但严格说来是次要的效应。微加工的基本原理是简单的。具有动量(I)(它是其质量(m)与其速度(V)的乘积)的磨料粒撞击被加工表面。撞击时产生的随时间变化的动量(m×dv/dt)产生一种力(F)。作用在尖锐颗粒的小撞迹上的这种力产生了远超过材料临界性能的局部压力、应力和剪切力，从而使局部材料破坏和去除，也就是微加工效应。由上讨论可知，由于市场出售的大多数磨料粒的比重的范围较窄，故要明显提高其打磨或切割的性能必须增大其速度。其次，不仅速度很重要，而且，在清理表面时，磨料粒还必须以均匀扩散的方式与表面相接触，也就是说，高度聚集的磨料粒流仅能处理一个撞击点的面积，因此要费很多工时和大量的磨料来处理给定的表面。第三，从理想的情况来说，磨料粒应撞击待清理表面而不彼此碰撞。还有，对于切割应用来说，要求有聚集的磨料粒流，以便不断深入地侵入待加工的材料内，而在某些用途中要将工件切断。颗料粒流表面清理和磨料切割技术的专业技术人员想要获得完善的表面清理或切割用的装置或方法，面临着许多挑战。首先，清除单位涂层面积所需的磨料粒量很大，这又意味着不仅使用成本较高，而且清理和处理磨料的成本也较高。其次，在所述的常规干喷砂工艺中应用磨料粒会产生数量惊人的灰尘，这些灰尘既来自磨料粒本身，又来自磨料粒撞击工件时被粉碎的工件材料，这些灰尘既损害人体健康又污染环境，因此很令人讨厌，它对附近的机械和设备的安全和操作也有影响。为了改善这种情况，某些装置添加了低压水以便刚好在磨料粒从装置的喷嘴喷出之前将其打湿。但是，加水又会降低磨料粒的喷出速度，从而降低预定目的(即清除涂层或切割工件)的工作效率。这是不希望有的次要影响。添加水还有一个不希望的附带影响，即它会造成磨料粒聚集的结块而严重地降低工作效率。在工业上共同的看法是不可能对干的空气/磨料粒流加水而不降低磨料粒的速度。这种看法已被许多试验所确证。但是，对于许多要抑制灰尘产生的用途来说，对空气/磨粒流加水是重要的，并且，事实上也是遵守应用环境、人体健康、职业的/操作的安全法则的唯一补救办法。第三，现有的磨料粒流切割装置(用磨料粒切割低成本材料如钢、混凝土、木材等)要消耗比其他现有方法(如气炬法、等离子法、激光法或金刚石刀片法等)高得多的动力。因此，磨料切割法不如其他方法之处不是切割效率问题而是成本问题。用空气流或水流驱动的磨料切割装置需要较高的功率消耗，这对于多数用途(除了热敏感材料特指的冷切割和/或外形切割等特殊情况外)来说，其成本是难以接受的。因此，本专业的技术人员面临的问题就是要设计出可以以最高的速度、最低(可能)的功耗消耗并在不会在空气中产生超过标准的灰尘的情况下对待清理的表面喷出均匀分布的磨料粒扩散流(或对待切割的工件喷出磨料粒的聚集流)的装置和方法。上述的提高磨料粒速度的较简单的解决办法还是有问题的。这种方法通常是用空气流夹带磨料粒，但空气是在短距离内加速颗粒的低效率介质，因为它的密度低，而且操作者可用的输送/加速喷嘴的实际长度有限制。这就是说，超过一定速度后，颗粒就不能继续被空气加速，而是以滑流状移动得比空气更缓慢。当由空气流带动时，颗粒速度会进一步降低，因为通常必须加水到空气/颗粒流中“打湿”颗粒以减少空气中的灰尘。加入的水混入颗粒/空气流时将进一步降低颗粒/空气流的速度-常常是降低很多。因此，需要研制出可以在最大(可能的)磨料粒速度、最低(可能的)功率消耗并且空气中不会产生超过标准量的灰尘的情况下对待清理的表面喷出均匀分布的磨料粒的扩散流或对待切割表面喷出聚集型磨料粒流的方法或装置来满足现有技术的迫切要求。本专利技术的一个目的是提供一种可通过用一股或多股气流加速磨料粒、然后用一股或多股液体流使该磨料粒加速到更高速度来产生高速流过一个腔室的磨料粒流的方法。本专利技术的第二个目的是提供一种通过用一股或多股气体流使磨料粒加速到亚音速然后用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度并使磨料粒产生径向运动而获得高速流过一个腔室的磨料粒流的方法。本专利技术的第三个目的是提供一种通过将磨料粒引入具有径向运动的流体流中、然后使该磨料粒与高速流体流相接触来增加高速流体流中磨料粒的浓度使之具有比周围流体更高密度的方法。本专利技术的第四个目的是提供一种用于产生夹带在主流体中的磨料粒流体喷射流的装置。按照本专利技术的第一方面，提出一种在一个腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤用一股或多股气流将上述磨料粒加速到亚音速，然后，通过在上述腔室内使上述磨料粒/气体流与一股或多股超高压水流呈一倾斜角度相接触的办法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速至更高的速度。在上述方面的一个最佳实施例中，所述方法还包含另一步骤通过在下游喷入一股或多股流体流使上述磨料粒产生径向运动。在上述方面的另一个最佳实施例中，所述方法还含有另一个步骤通过使上述腔室的内径变窄的方法使上述磨料粒产生径向运动。在本专利技术的上述方面的又一个实施例中，上述方法还包含另一个步骤通过使上述腔室的内径变窄的方法增强上述磨料粒的上述径向运动。在本专利技术的上述方面的又一个实施例中，上述方法还包含另一个步骤通过采用半径变化的腔室来增强上述磨料粒流的上述径向运动。在本专利技术的上述方面的又一个最佳实施例中，上述的方法还含有另一个步骤增大超高速流体流中的磨料粒浓度使其密度高于其周围流体的密度，该步骤进一步分为如下步骤将上述磨料粒引入具有径向流动的流体流中，然后使上述磨料粒与高速流体流相接触。按照本专利技术的另一个方面，提出一种在一个腔室内产生一种高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤用一股或多股气体流使上述磨料粒加速到亚音速；然后，通过在上述腔室内使上述磨料粒流与一股或多股超高压水流呈一个倾斜角度相接触的办法用一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度；然后在下游喷入一股或多股流体流使上述的磨料粒产生径向运动。在本专利技术的上述方面的一个特别有利的实施例中，上述的方法还含有另一个步骤通过使上述腔室的内径变窄的方法增强上述磨料粒流的上述径向流动。在本专利技术的上述方面的另本文档来自技高网...

【技术保护点】
一种在腔室内产生高速流动的磨料粒流的方法，包含如下步骤： （ｉ）用一股或多股气流将上述磨料粒加速到亚音速；然后 （ｉｉ）在上述腔室内通过使上述磨料粒流沿一个倾角与一股或多股超高压水流相接触的方法由一股或多股液体流使上述磨料粒加速到更高的速度。

【技术特征摘要】
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【专利技术属性】
技术研发人员：YH迈克尔保，彼得L马东纳，罗斯T库根，
申请(专利权)人：水力喷射技术公司，
类型：发明
国别省市：US[美国]