雙槍高壓無氣噴涂機的泵體結構設計

馬如宏，俞俊海

（鹽城工學院 機械優集學院，江蘇 鹽城 224001）

0 引言

伴隨著科技的進步，涂裝業正朝著機械化、自動化和連續化的方向發展，先前的手工刷涂和滾涂已不能滿足現代工業的要求［1］。高壓無氣噴涂機具有高效率、操作時漆霧少和高噴涂質量的優點，已在許多領域得到了廣泛應用。

在設計高壓無氣噴涂機時，需要考慮3個關鍵部分：①電動機，它為柱塞泵提供動力；②柱塞泵，它實現涂料的吸入與排出；③液壓泵體，它是連接所有液壓元件的主體，可實現液壓回流、單向流動和過濾等功能［2－3］。為了最大限度地提高高壓無氣噴涂機效率及涂料的利用率，本文對高壓無氣噴涂機液壓泵體的結構進行了改進，將液壓泵體改成了兩個出料口，連接兩個噴槍，柱塞泵的一次吸料可以實現兩個噴槍的同時工作。

1 雙槍高壓無氣噴涂機的泵體結構設計

1.1 高壓無氣噴涂機的工作原理

高壓無氣噴涂機的工作原理要從兩個方面進行闡述，一個是高壓，另一個是無氣。高壓，即涂料在到達噴嘴時，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，即當涂料離開噴嘴的一剎那，涂料的速度一般能達到100m/s，涂料與空氣中的粒子產生強烈的碰撞，涂料被破裂成一個個小的粒子，在運動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 泵體的結構設計

目前國內的高壓無氣噴涂機單槍占絕大多數，本文為雙槍高壓無氣噴涂機設計了一種新的泵體結構，使其既可以當成單槍用，也可以用做雙槍，且體積小。泵體的內部管道示意圖及裝配圖見圖1。

進料口是一個止回閥，連接的是吸料管，止回閥內裝有依靠重力作用的單向閥，高壓柱塞泵將涂料通過進料口吸入泵內，一部分通過壓力傳感器測得壓力，再經過過濾器過濾，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。

圖1 泵體的內部管道示意圖及裝配圖

2 涂料在泵體內的流速和壓力分析

Fluent是用于模擬和分析復雜幾何區域內的流體流動與傳熱現象的專用軟件［4］。首先在Gambit中對零部件進行網格劃分和邊界條件的設置，然后再利用Fluent進行仿真與分析。

在進行泵體內部管道建模時，基于結構原理對其內部結構直接進行簡化。采用Gambit軟件進行建模，利用TGrid程序直接進行網格劃分，劃分的網格類型為四面體網格，得到528 686個單元。網格劃分后的管道有限元模型如圖2所示。

入口設置為速度入口，出口設置為壓力出口。考慮到流體在流動過程中的能量損失，沿著流動方向，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上一點的單位位能，即單位質量的流體從某一基準面算起具有的位置勢能；α1，α2分別為截面1、截面2的動能修正系數；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，運動黏度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文件導入到Fluent軟件中進行分析，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為：

Re＜2 300時屬于層流運動，采用壓力求解器，選擇黏性模型為Laminar層流模型，不考慮重力的影響，運算后得到的管道內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，涂料在兩個出口處速度依然可達每秒上百米。由高壓無氣噴涂機的原理可知，出口處的速度能夠滿足涂料的霧化，符合性能要求，說明此結構合理。隨著柱塞泵的不斷吸料進料，涂料以高速、高壓進入到輸料管中，然后由噴嘴噴出。

3 結論

本文以高壓無氣噴涂機為研究對象，提出了一種新型雙槍高壓無氣噴涂機的泵體結構，通過Fluent軟件模擬分析涂料在泵體管道內流動的速度和壓力。仿真結果表明該結構能夠達到涂料從噴嘴噴出并霧化的效果。采用這種結構，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。該結構為雙槍高壓無氣噴涂機的研究提供了一定的參考。

圖3 管道內部的速度云圖

圖4 管道內部的壓力云圖

［1］馮繼文.氣動式高壓無氣噴涂機結構創新設計［D］.杭州：浙江大學，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入門與進階教程［M］.北京：北京理工大學出版社，2011.

［5］韓占忠，王敬，蘭小平.FLUENT流體工程仿真計算實例與應用［M］.北京：北京理工大學出版社，2013.