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數控噴丸的工作原理。丸料通過噴嘴中的壓縮空氣進行加速。噴嘴中氣流的最大速度可以達到聲速，即在20℃的溫度下達到340m/s。丸料可以通過以下三種中任意一種的方式和壓縮空氣匯合，即虹吸式、重力式或者直接供料式。噴出的丸料速度一般可以達到100m/s。丸料的速度決定了丸料的能量（能量公式1/2mv2），即決定了噴丸強度。要達到噴丸的有效性和可控性的目的，和其它的參數相比，丸粒的速度是我們首先要控制的參數。能夠影響丸粒速度的幾個參數都需要進行控制�？諝饬骱屯枇５乃俣瓤赏ㄟ^流體力學和彈道學進行研究。大學圖書館里的一排排教科書默默見證了這些學科的復雜性�，F在，我們對定量地分析丸粒加速的影響因素有著實際的需求。

噴丸的丸料加速過程可以分為以下三個階段：

1-壓縮空氣流，

2-丸料混入壓縮空氣流，

3-丸料通過壓縮空氣流進行加速。

本文列出了一個一般方程可以用于預測丸料尺寸、形狀和噴嘴中的壓縮空氣壓力對于丸料速度的影響。

1 空氣流

1.1壓縮空氣

如果讓丸料加速，那么首先要有充足的壓縮空氣供應。對于不同直徑的噴嘴所需要的氣體供應量，噴嘴制造商有相關的手冊進行介紹。同時手冊也會介紹如果要使噴嘴中的空氣壓力穩定在一個范圍，空氣壓縮的效率（壓縮比）也應該有相應的要求。不幸的是，空氣壓縮的效率經常使用一個比較模糊的單位，比如“CFM”（立方英尺每分鐘）。工業上比較清晰的單位是“SCFM”（標準立方英尺每分鐘），該單位前面的“標準”加入了一些限定的條件，比如1.0 atm（1.0標準大氣壓，14.7psi）、溫度20℃以及36%的濕度�！癆CFM”是實際立方英尺每分鐘，表示每分鐘通入管道的壓縮空氣的實際流量，該單位并不考慮壓縮比。例如，如果一個壓縮機在1個標準大氣壓下吸入的空氣流量為100CFM，然后壓縮成5個標準大氣壓的壓縮空氣，那么輸入的流量為100SCFM，輸出的流量為20ACFM。

壓力表顯示的數值與大氣環境相關，而不僅僅是絕對的壓力值。這意味著如果沒有任何壓力，那么壓力表的讀數為零。壓縮比用CR表示，那么CR=（1+P），其中P表示的是在大氣環境下的壓力表的讀數。

在大氣環境下的空氣的密度大約為1.2Kgm-3。如果我們對空氣再額外地加壓一個大氣壓（14.7psi），即P=1，那么CR=2，壓縮空氣的密度相應地增加了一倍。如果我們對空氣加壓到7個大氣壓的壓力，那么壓縮空氣的密度需要乘以8。一般情況下，壓縮空氣的密度為CR乘以1.2Kgm-3。這就是噴丸設備中通入供氣管道里的“沉重的空氣”。圖1說明了“沉重的空氣”的制造過程。

圖1. 外部的壓力造成內部“沉重的空氣”，atm=標準大氣壓

1.2管道中的空氣流

從空氣壓縮機中出來的壓縮空氣進入到儲氣罐中并輸送到空氣輸送管道中，最好在輸送之前經過空氣干燥設備（例如冷干機）進行除水干燥。壓縮空氣會沿著管道流動，然后通到丸料供給系統和噴嘴系統中。壓力罐可以使壓縮機出來的波動的壓縮空氣變得平穩并能夠對壓縮空氣進行儲存。需要在空氣供應系統中布置一個或多個壓力控制閥（PCV）。壓縮空氣在管道的開始處的壓力為P1，經過長為L的管道輸送后，在末端的噴嘴處的壓力為P2，如圖2所示。

圖2. 壓縮空氣輸送過程示意圖（非真實比例圖）

壓力控制閥是空氣壓力的最主要的控制機構。如果增加壓力，我們期望軟管中的空氣流速也會增加。我們需要考慮的一個重要的因素就是空氣壓縮機的額定功率到底有多大�？諝鈮嚎s機把空氣充入儲氣罐的速度一定要高于實際使用掉的速度。我們可以拿汽車上的發電機和蓄電池系統進行類比。如果蓄電池的的輸出量一直大于發電機的輸入量，那么我們最終只能得到一個缺電的蓄電池。

我們可以把空氣流速比作電流。要計算出電流，我們需要知道一個電線兩端的勢差。同樣地，要計算出空氣流速，我們需要知道空氣輸送管道兩端的壓力差。例如，（P1- P2）是空氣輸送管道兩端的壓力差，由該壓力差引起的空氣流速為Q。（P1- P2）是有用的工藝控制參數。（P1- P2）的變化可以是突發的，也可以是漸變的。如果（P1- P2）= P1，那么軟管可能破裂了，如果（P1- P2）= 0，那么丸料可能在噴嘴處堵塞了。在實際使用中，（P1- P2）發生逐漸變化的原因是由于噴嘴逐漸磨損。如果噴嘴的直徑增加，那么（P1- P2）會逐漸增加（假設P1一直維持在一個恒定的值，P1恒定在工業上是很容易實現的）。

值得注意的是，壓降（P1- P2）意味著“能量損失”。在空氣輸送管道中以一個恒定的速度推動空氣做的功為W，W=P.V，其中V表示空氣的體積�！坝杏玫哪芰俊敝饕�是在管道尾端的噴嘴處起作用，用P2.V表示。因此“能量損失”可以用（P1-P2）.V表示。

從上述可知，我們可以減少（P1- P2）來節能。首先與能量損失有關的參數是軟管的長度L，能量損失與L成正比，因此應該避免使用過長的軟管。另外一個與能量損失有關的重要參數是軟管的內徑D。對于給定的空氣流速，壓降和D4成反比（僅是一個大約的關系）。把軟管的直徑增加一倍，那么壓降可以下降十六倍，然而如果把軟管的長度縮短一倍，壓降也只能將一倍。

1.3噴嘴中的空氣流

我們第二個需求就是在噴嘴中對空氣流進行加速。有一個流體加速的機理是大家比較熟悉的。如果在花園澆花，我們會發現軟管中水流的速度比較慢。但是當水流到達噴嘴處時，如果噴嘴的橫截面積是軟管的1/4倍，那么水流的速度將在噴嘴處增加4倍。該原理同樣適用氣流加速，直至氣流的速度達到臨界值（聲速）。圖3解釋了上述原理。

圖3. 壓縮空氣從管道到達噴嘴的過程中速度發生的變化

如圖3所示，假設管道中有一個圓柱體的空氣，體積為A1.L1，此時的速度為v1。當該圓柱體的空氣到達噴嘴里面時，其體積沒有發生變化（假設空氣的密度沒有發生變化），但是其尺寸發生了變化，截面積為A2、長度為L2以及速度為v2。既然A1.L1=A2.L2，那么v2= v1.A1/A2。如果v1.A1=Q，那么我們可以得到下式：

v2=Q/A2                                （1）

如果Q為10升/秒，噴嘴的橫截面積為40mm2，那么由公式（1）可以得出v2為250m/s。該值為空氣在噴嘴中的一個橫截面的平均速度，實際上在該橫截面的不同位置，空氣的速度是不同的。

公式（1）僅在v2達到極限值之前適用，在實際過程中，噴嘴的空氣壓力通常非常高以至于會產生“阻塞流”。圖4用了一個簡單的圖示說明了隨著噴嘴中空氣壓力的增加空氣速度發生的變化（假設噴嘴外部周圍的大氣壓力為1atm）。和噴丸系統中其它區域不同，噴嘴中壓力會產生一定的壓力差，造成在噴嘴的最狹窄位置產生“音障”的現象。當壓力差達到1.9atm時，“音障”的現象就會出現。因為在所有的實際噴丸的過程中，噴嘴中的壓力差都會超過2atm（29.4psi），無論噴嘴中空氣壓力和噴嘴直徑有多大或多小，那么在噴嘴中的空氣速度都將會達到一個固定的極限值。當然，前提是壓縮空氣的供應要充足。

圖4. 壓縮空氣速度與壓力的變化關系

如果噴嘴中的壓縮空氣最終達到了一個極限恒定值，我們就要問了，“如果空氣壓力的增加最終不影響空氣的速度的話，那么會影響什么呢？”。答案是當壓力進一步增加時，空氣將進一步得到壓縮，所以空氣有著更高的密度，但速度還是一樣的。噴嘴壓力的增加只能使空氣的“質量流量”增加。換句話說，“當噴嘴中空氣壓力增加時，噴出來的是更重的空氣，但空氣的速度是一樣的”。

噴嘴中壓縮空氣的速度極限值取決于噴嘴的設計方式并可以從噴嘴制造商提供的“噴嘴性能表”中找到相關的數值。一般情況下，無論噴嘴中的壓力和直徑的大小，噴嘴中空氣的速度為207±1m/s（678±2fps）。噴嘴中壓縮空氣的速度可以用氣體流量除以壓縮比得到ACFM，然后在除以噴嘴的橫截面積。

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