整個(gè)試驗裝置是由各個(gè)系統組成，各個(gè)系統之間相互影響，理想的試驗裝置是需要各個(gè)系統之間達到動(dòng)態(tài)的平衡，即噴射泵單位時(shí)間內向拋丸機輸送的鋼砂量與拋丸機單位時(shí)間內消耗的拋丸量需要達到平衡，同時(shí)還需要觀(guān)察拋丸機在對應的拋丸量下帶鋼表層的氧化皮去除效果。

由于噴射泵內部流體流動(dòng)屬于高雷諾數的強湍流流動(dòng)，當雷諾數很大時(shí)，容易在流場(chǎng)中形成不規則運動(dòng)，而且在理論研究和數值模擬過(guò)程中，并未對流場(chǎng)中的漩渦等情況加以考慮。而且在數值模擬時(shí)為了方便計算、對許多實(shí)際條件加以約束，在噴射泵的制造加工過(guò)程，還存在制造誤差等問(wèn)題，所以很有可能數值仿真得到結果與實(shí)際試驗的結果存在一定的差異。為了驗證上一章節數值仿真得到的部分結構參數對噴射泵工作效率以及鋼砂吸入量的影響結果，所以需要進(jìn)行相關(guān)的試驗研究。

1、試驗裝置與方法：

1.1、鋼丸液力輸運試驗：

1.2、試驗裝置：

由于經(jīng)濟和實(shí)際操作不方便等原因，在鋼砂液力輸運的試驗中，鑄造不同結構參數的噴射泵所需要的費用較大，而且在實(shí)際過(guò)程中，拆卸和安裝噴射泵非常不方便，所以在實(shí)際試驗過(guò)程中只能通過(guò)更換不同尺寸的噴嘴后，觀(guān)察供砂桶中鋼砂與水的混合物的體積變化情況，來(lái)驗證上一章節中數值仿真的結果。

其中為噴射泵提供工作液體的水泵其性能參數如表5.1所示。

表5. 1水泵性能參數

2、試驗方法：

在試驗剛開(kāi)始，*先將存砂桶中清理干凈，并關(guān)緊存砂桶底部的管夾閥，然后往存砂桶中加入定量的鋼砂和水。同時(shí)將供砂桶清理干凈，并關(guān)緊供砂桶底部的三個(gè)管夾閥。較后打開(kāi)水泵為噴射泵提供工作液體。

快速地將存砂桶底部的管夾閥完全打開(kāi)，然后開(kāi)始計時(shí)，當供砂桶中鋼砂與水的混合物達到設定的體積之后，停止計時(shí)，并計算一共使用的時(shí)間。在這個(gè)過(guò)程中，需要向存砂桶中加入鋼砂和水，來(lái)使得噴射泵吸入口的條件基本不發(fā)生變化。

3、拋丸試驗：

3.1.試驗裝置：

如下圖所示，此次拋丸試驗所涉及到的裝置主要有供砂桶、管夾閥、拋丸器、拋丸室、帶鋼移動(dòng)系統、噴射泵、水泵、螺旋輸送機、鋼砂輸送管路、電氣控制系統。

圖5. 3拋丸試驗裝置

在試驗開(kāi)始時(shí)，先關(guān)緊供砂桶底部的管夾閥，然后打開(kāi)水泵和噴射泵，將鋼砂輸送到供砂桶中，在工作一段時(shí)間以后，打開(kāi)拋丸器。當拋丸器達到設定轉速之后，打開(kāi)供砂桶底部的管夾閥，使得鋼砂與水的混合物以一定流速進(jìn)入拋丸器。當流速均勻時(shí)，打開(kāi)帶鋼移動(dòng)小車(chē)，帶鋼以0.2m/s的速度運動(dòng)至拋丸室，觸碰到行程開(kāi)關(guān)后，在拋丸室中停留約10s中后返回到起點(diǎn)。在拋丸室底部堆積的鋼砂、水、氧化皮等混合物受到重力的作用，逐漸流入螺旋輸送機中，打開(kāi)螺旋輸送機之后，使得整個(gè)試驗系統能夠往復循環(huán)，不間斷的工作。

3.2、試驗鋼砂及帶鋼樣板的選擇：

一般鋼板拋丸使用的磨料有三種，分別是鋼絲切丸、鑄鋼丸和鋼砂，具體形貌區別如下圖所示。

根據實(shí)際工況要求，本文選用鋼砂作為拋丸器磨料，其主要加工工藝有下面幾部分，*先是將廢鋼或者廢合金鋼放入到中頻爐熔融，之后離心入水造粒，待鋼粒形成之后進(jìn)行干燥處理，之后再進(jìn)行大小篩分，將大小合格的鋼粒篩選出之后再進(jìn)行淬火，淬火完成后將鋼粒壓碎，再進(jìn)行篩選，篩選后直接包裝出廠(chǎng)的為GH鋼砂，篩選后再進(jìn)行回火處理后包裝出廠(chǎng)的為GP, GL鋼砂。

不同種類(lèi)的鋼砂硬度也有一定的差異，GP鋼砂硬度(HRC)一般為4250, GL鋼砂硬度(HRC)一般為5660, GH鋼砂硬度(HRC)一般為6065。彈丸選擇主要考慮以下幾點(diǎn):

(1)由于鋼砂屬于易耗品，在選擇時(shí)要選用價(jià)格較低且壽命較長(cháng)。

(2)由于葉片屬于易損件，而對葉片影響較大的是鋼砂，故選擇時(shí)要考慮其對葉片的磨耗。

(3)根據帶鋼表面處理要求，如帶鋼表面硬度及粗糙度要求，可以根據下面的參考式(5-1)和式(5-2 )來(lái)選取鋼砂。

鋼砂當量直徑計算公式 鋼砂速度計算公式

(4)當彈丸硬度較高，則比較脆，容易破碎，不僅加快消耗量，還容易造成帶鋼表面劃痕;當彈丸硬度較低，則容易變形，消耗能量，降低拋丸效果。故選擇時(shí)要考慮彈丸的硬度。

圖5. 4磨料分類(lèi)

根據以上綜述，選擇當量直徑約為0.5mm左右的GL鋼砂，其SA〔標準型號為G50，由上海某公司提供，具體形貌如圖5.5所示。

圖5. 5 G50鋼砂

圖5.6為G L50鋼砂電鏡掃描圖，由圖可以看出此鋼砂為多棱砂。

圖5. 6 GL50鋼砂電鏡掃描圖

帶鋼選用45鋼，厚度為5mm，如圖5.7所示，密度約為7800kg加3，泊松比約為0.269，彈性模量約為21000E/MPa

圖5. 7試驗用帶鋼鋼板圖

4、試驗結果與分析：

4.1、鋼丸液力輸運試驗結果與分析：

由于試驗條件的限制，不能夠通過(guò)直接測量的方法測出噴射泵各進(jìn)口和出口的壓力，所以試驗中不能對噴射泵的工作效率直接驗證。根據上一節的研究方法，通過(guò)統計在固定工況下噴射泵將供砂桶裝滿(mǎn)所需要的時(shí)間，從而間接地計算出鋼砂單位時(shí)間的吸入量。

但是可以通多驗證噴射泵在不同結構參數下鋼砂的實(shí)際吸入量，并與上一章模擬仿真的結果加以對比。

在試驗過(guò)程中由于，加工不同尺寸的噴射泵價(jià)格昂貴，且更換噴射泵十分麻煩，所以噴射泵主體的各結構參數采用上一章中模擬得到的較優(yōu)參數，即喉管收縮角度為250、喉管長(cháng)度為70mm。試驗中主要通過(guò)更換噴射泵噴嘴，驗證噴嘴到喉管入口的距離和面積比這兩個(gè)參數對噴射泵鋼砂吸入量的影響，己知供砂桶的體積約為2.8m3。

表5. 2試驗結果

通過(guò)實(shí)際試驗得到的結果與上一章仿真計算得到的結果對比，發(fā)現雖然在實(shí)際單位時(shí)間內，鋼砂吸入量的實(shí)驗值小于模擬值，但是其得到的變化趨勢圖與模擬仿真的結果趨勢圖具有好的相似性，證明模擬仿真的結果參數對實(shí)際噴射泵的鑄造即一定的指導意義。

實(shí)際試驗的結果與模擬仿真得到的結果存在差異的原因可能有以下幾點(diǎn):(1)在模擬仿真過(guò)程中忽略了鋼砂與鋼砂之間的碰撞，實(shí)際試驗中，由于鋼砂的體積分數加大，實(shí)際過(guò)程中鋼砂與鋼砂之間產(chǎn)生碰撞消耗能量;(2)噴射泵實(shí)際加工過(guò)程中，肯定存在加工誤差，而且噴射泵是采用鑄造工藝，內部表面的粗糙度較大;(3)實(shí)際試驗中管道布置會(huì )導致工作流體的動(dòng)能損失;(4)選用的湍流模型可能在流場(chǎng)的局部區域不適用等。

4.2、拋丸試驗結果分析：

為了驗證拋丸器、拋丸室和濕式拋丸工藝的合理性，需要對拋丸后的帶鋼表面質(zhì)量和成分進(jìn)行分析驗證。整個(gè)試驗裝置的工作參數如下，鋼砂以50}80m/s的速度擊打帶鋼表面，帶鋼在拋丸時(shí)中的移動(dòng)速度約為0.2m/s，拋丸器單位時(shí)間的拋丸量約為8.5kg/s鋼砂的當量直徑約為0.5mm，鋼砂入射角為600。帶鋼經(jīng)過(guò)拋丸后的拋打效果如圖5.8所示。

圖5. 8帶鋼表面拋打效果圖

為了進(jìn)一步觀(guān)察被拋打后鋼砂形貌變化、帶鋼的表面形貌以元素成分變化，本文中對帶鋼、鋼砂進(jìn)行了電鏡掃描，使用的是日立電子顯微鏡，型號為S-3400N， 未經(jīng)拋打的鋼板和經(jīng)過(guò)濕式拋丸的帶鋼表面在顯微掃描電鏡下的表面形貌對比如圖5.10, 5.12所示。

圖5. 10帶鋼原表面形貌圖

圖5. 11帶鋼原表面能譜圖

圖5. 12帶鋼擊打后表面形貌圖

圖5. 13帶鋼擊打后表面能譜圖

根據上述的形貌圖以及成分圖可以看出，帶鋼在未拋打前與拋打之后表面形貌差異較大，可以明顯地看到在被拋打后的帶鋼表面有各種各樣的凹坑。根據帶鋼表面的能譜圖5.11和圖5.13可以看出，帶鋼在拋丸后表面的氧元素大幅降低，證明濕式拋丸對氧化皮的去除效果較好，但是氧元素含量并沒(méi)有完全降低至零，所以經(jīng)過(guò)濕式拋丸拋打后的帶鋼表面需要及時(shí)進(jìn)行防銹處理，以防止二次氧化。

5、本章小結：

1.采用自主設計研發(fā)的濕式拋丸試驗裝置，通過(guò)更換噴射泵中的噴嘴來(lái)驗證上一章:節得到的噴嘴到喉管距離對鋼砂吸入量的影響。
2.通過(guò)拋丸試驗，驗證了濕式拋丸工藝及裝置的可行性，利用電子顯微鏡對拋丸后的帶鋼表面進(jìn)行觀(guān)察，驗證了濕式拋丸對帶鋼表面氧化皮有很好的去除效果。

帶鋼表面處理是帶鋼生產(chǎn)過(guò)程中的重要工序，目前國內普遍采用酸洗工藝或干式拋丸來(lái)清除帶鋼表面氧化層。然而，酸洗對環(huán)境和員工身心健康存在較大的威脅。為了降低環(huán)境污染，有效清理帶鋼表面氧化層，本文開(kāi)展了基于帶鋼表面處理的新型濕式拋丸工藝及設備的研究，得出如下結論和成果:

1、開(kāi)展了濕式拋丸的工藝研究，確定了項目研究的預期目標與技術(shù)方案，提出了實(shí)驗平臺的工藝要求及設備組成。

2、完成了濕式拋丸試驗裝置的設備開(kāi)發(fā)。設計開(kāi)發(fā)了拋丸系統、鋼砂輸運系統、帶鋼移動(dòng)系統、電氣控制系統。在拋丸系統中，研究了與拋丸器的相關(guān)結構和運動(dòng)參數，確定了合適的運動(dòng)參數，并設計了供砂桶和拋丸室;在鋼砂I系統中設計了兩種方案，以便于后期的對比和選用;在帶鋼移動(dòng)系統中，根據現場(chǎng)實(shí)際需求，設計了帶鋼牽引裝置、支架、導軌和移動(dòng)小車(chē)的工作方案和具體結構;在電氣控制系統中，根據各裝置的控制要求，選擇合適型號的電氣元件，并完成相關(guān)電氣控制方案設計;較后將各個(gè)系統進(jìn)行總裝和調試。

3、在鋼砂輸運系統中，本文設計了兩種鋼砂提升方案，并對比了兩種方案的優(yōu)缺點(diǎn)，針對斗式提升機輸運鋼砂存在的一系列問(wèn)題，確定了采用噴射泵液力方式來(lái)輸運鋼砂。通過(guò)對噴射泵工作原理的研究，論證此方法的可行性，推導了噴射泵的性能方程。完成了液力輸運方案設計、輸運系統中各個(gè)部件安裝布置。

4、針對采用噴射泵液力輸運鋼砂的工藝要求，研究了液固二相流相關(guān)理論，通過(guò)有限元ANSYS-Fluent對噴射泵內部流場(chǎng)進(jìn)行仿真，得出在一定工況條件下噴射泵內部各結構參數(噴嘴出口到喉管入口距離、面積比、喉管長(cháng)度、喉管收縮角度)對鋼砂吸入量的影響和噴射泵工作效率的影響。發(fā)現了噴嘴出口到喉管入口的距離、面積比、喉管長(cháng)度對噴射泵工作效率影響較大。利用噴射泵性能方程得到噴射泵在本文工況下較優(yōu)解構參數分別為:噴嘴出口到喉管入口距離為巧mm、較優(yōu)面積比為

4、較優(yōu)喉管長(cháng)度為70mm、較優(yōu)喉管收縮角度為300

5、通過(guò)鋼砂液力輸運試驗，驗證了仿真結果的可靠性，并分析了試驗結果與仿真結果之間的存在差異的原因，驗證了仿真結果與試驗結果趨勢變化的一致性。通過(guò)拋丸試驗，驗證了拋丸器在噴射泵較優(yōu)結構參數下輸運的鋼砂量的情況下，帶鋼鋼板氧化皮去除效果。通過(guò)電子顯微鏡，發(fā)現氧化皮的去除效果較好，驗證了此工藝參數的可行性。