DE19709510A1 - Neue Düsenanordnung zum Strahlen mit rieselfähigen Medien - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zum Reinigen von Oberflächen gemäß dem Patentanspruch 1 und eine Vorrichtung zur Durchführung dieses Verfahrens.

Die bisher bekannten Verfahren zum Reinigen von Metall- und Bauwerksoberflächen benötigen einen großen spezifischen Luftstrom aufgrund ungünstiger Strömungsbedingungen, insbesondere vor und im Düsenbereich der Strahleinrichtung. Mit diesen strömungstechnisch wenig optimierten Verhältnissen geht auch ein erheblicher spezifischer, also auf den m² bezogener Strahlmittelverbrauch einher. Folge ungünstiger Strömungsverhältnisse und erheblichen Strahlmittelverbrauches ist erhöhter Verschleiß, insbesondere der Düsen.

Die Erfindung bildet das bekannte Verfahren und die dazu notwendige Vorrichtung dahingehend weiter, daß bei zumindest gleichbleibender Reinigungsleistung weniger Energie, weniger Druckluft und insbesondere weniger Strahlmittel benötigt wird und der Bediener dieser Anlage durch leichtere Handhabung und weniger Lärm und Staub entlastet wird.

Gemäß der Erfindung wird diese Aufgabe durch die Merkmale des Anspruchs 1 gelöst. Die Hintereinanderschaltung dreier Düsen zu einem Strömungskanal ermöglicht zum einen eine optimale Beschleunigung des Luft-Granulatgemisches durch mehrstufige und/oder kontinuierliche Verengung des Strömungsquerschnittes wobei die Verengungswinkel von Schlauchtülle - die gleichzeitig die erste Düse darstellt - und der nachfolgenden Strahl- oder Injektordüse unterschiedlich sein können. Die Beschaffenheit der einzelnen Düsen kann so ebenfalls den gegebenen Beanspruchungen angepaßt werden.

Zum anderen kann durch die Kombination dreier Düsen, wobei die erste zur Beschleunigung des Luftstromes vom Schlauch zur nachgeschalteten Strahldüse hin und die dritte zur Einbringung eines aufgrund der Sogwirkung zusätzlichen Luft- und/oder Wasserstromes dient, die Strömungsverhältnisse im gesamten Durchflußbereich des Handstückes den Gegebenheiten entsprechend optimiert werden.

Die erste Düse ist so ausgebildet, daß kein Absatz zwischen Schlauch und Düseneinlaß besteht. Durch einen kleinen Verengungswinkel der ersten Düse wird die Luft oder das Luft-Strahl­ mittelgemisch zusätzlich beschleunigt und anschließend ansatzlos in die Strahldüse übergeleitet. Die Düsen können hinsichtlich ihrer Verengung in Durchflußrichtung degressiv oder progressiv ausgebildet sein.

Die erste Düse, die gleichzeitig auch Schlauchtülle ist hat die Beschleunigung des Luft-Strahl­ mittelgemisches von ca. ¹/₃₀ der maximalen Strahlgeschwindigkeit im Schlauch auf ca. ⅛ bis ½ der Strahlgeschwindigkeit zur Aufgabe. Durch Züge mit einem Drall von 1 bis 10° wird der Luftstrom und das mitgeführte Strahlmittel bereits am Eingang des Düsensystems in leichte Rotation versetzt. Durch die Anordnung am Düsenanfang bei relativ großer Oberfläche ist der Verschleiß aufgrund der noch geringen Geschwindigkeit der Teilchen und der geringen Energie sowie aufgrund einer größeren Anzahl von Zügen bzw. einer größeren Oberfläche selbst bei gehärtetem Stahl gering. Ein Verjüngungsverhältnis von 1 zu 10 bis 1 zu 60 also ein Kegelwinkel von ca. 10 bis 6° trägt dafür Rechnung, daß die Düsen nur minimal verschleißen und einen hervorragenden Wirkungsgrad haben. Begründet ist dies durch die lineare Ausrichtung des Granulates durch die Strömung des Trägermediums und durch den flachen Auftreff- und somit Abprallwinkel, der sehr wenig Radialbewegung in das Granulatkorn einbringt. Die Dispensordüse hat die möglichst gleichmäßige Verteilung des Strahlgranulates über einen definierten Bereich zur Aufgabe.

Bei bisherigen Anlagen wird das Strahlmittel dem Gesamtluftstrom zugeführt. Meist geschieht dies mit Hilfe einer Injektordüse. Der Luftstrom reißt dann das Strahlmittel mit und verteilt es über je nach Hersteller verschiedenartige Düsen über den Strahlbereich.

Grundgedanke für eine verbesserte Lösung ist die Zuführung des Strahlmittels zu lediglich einem Teil des Druckluftstromes, der vom Kompressor erzeugt wird. Zur zusätzlichen Vermischung und Einstellung des gewünschten Gesamtstromvolumens und somit auch der Auftreffgeschwindigkeit des Strahlmittels wird im Düsen-, insbesondere Dispensorbereich Luft von außen durch entsprechende Öffnungen hinzugezogen. Dieses Verfahren hat den Vorteil, daß das Strahlmedium durch einen relativ kleinen, jedoch hoch beschleunigten Luftstrom auf hohe Geschwindigkeit gebracht wird.

Damit jedoch nicht nur Punktwirkung der Strahldüse erreicht wird, ist ein erheblich größerer Luftstrom notwendig, der wie zuvor beschrieben durch das Hinzuziehen von Umgebungsluft erzeugt wird. Durch Einleitung der Fremdluft in zum Teil radialer oder schräg axialer Richtung werden Strömungsverhältnisse in der Dispensordüse erzeugt, die gleichmäßige Verteilung des Strahlmittels über den gesamten Strahlquerschnitt bzw. Auftreffquerschnitt verursacht.

Alternativ können parallel zur Fremdluft, deren Anteil durch die Größe der Bohrungsöffnungen einstellbar ist, zusätzliche Medien, wie Wasser oder auch oberflächenveredelnde Medien zugegeben werden.

Vorteile dieser Lösung sind geringerer Energieverbrauch, schmalere und damit leichtere Schlauchquerschnitte und bessere Ausnutzung durch höhere Beschleunigung des Strahlmittels.

Zur Minimierung des Energieverbrauches ist es notwendig, die Strömungsverhältnisse zu optimieren. Das Einsetzen einer einzigen Düse, z. B. Injektordüse, hat in der Praxis nicht nur schlechten Wirkungsgrad, sondern auch beachtlichen Verschleiß zur Folge. Bedeutend günstiger ist die Energieausbeute, wenn die dem Endstück zugeleitete Druckluft durch mehrere nacheinander geschaltete mit geringer Verengung ausgestaltete Düsen zusätzlich beschleunigt und erst im Bereich der höchsten Druckluftgeschwindigkeit das Strahlmedium zugeführt wird. Diese hohe Strömungsgeschwindigkeit versetzt das Strahlmedium, z. B. die Sandkörner, in hohe Geschwindigkeit, wodurch erheblich verbesserte Wirkung des auftreffenden Sandkornes erzielt wird. Der Luftstrom am Ende der Düse (Dispensordüse) sollte bereits möglichst gering sein, um die Lärmbelästigung so gering wie möglich zu halten.

Die Wirkung des Strahlgerätes ist also nicht von der Menge oder Geschwindigkeit des Luftstromes, der an der Bearbeitungsfläche auftrifft, abhängig, sondern lediglich von der Menge und Auftreffgeschwindigkeit des Strahlmittels. Ziel muß es also sein, das Strahlmittel möglichst effektiv auf die Oberfläche treffen zu lassen. Inwiefern schräges oder rotatorisches Auftreffen des Strahlmittels auf die Oberfläche die Reinigungs- oder Abtragswirkung verbessern kann, müssen Versuche zeigen. Schräges Auftreffen der Körner kann der Bediener durch entsprechende Anstellung der Düse an die Oberfläche des zu behandelnden Gegenstandes realisieren. Von Vorteil hierzu wäre jedoch eine Flachdüse, die gleichmäßigen Anstellwinkel über den gesamten Bereich garantiert.

Rotatorisches Auftreffen des Strahlmittels könnte durch Einbringen von Zügen mit Drall oder Leitblechen, die das Trägermedium noch vor der Zuführung des Strahlmediums eine rotatorische Komponente verleihen, erfolgen.

Zur Entlastung des Bedieners und der unmittelbaren Umwelt sowie zur weiteren Reduzierung des Strahlmittelverbrauches ist an eine Rückführung des abgetragenen Materials und des Strahlmittels durch eine zielgerichtete Absaugung gedacht. Diese Absaugung wirkt lediglich im äußeren Bereich des Strahles und macht sich die Rückprallenergie des Strahlmittels und der mit diesen mitgerissenen Werkstoffpartikel zunutze. Die Beschleunigung entgegen der Strahl- bzw. Auftreffrichtung erfolgt also nicht mit Hilfe eines extrem starken Soges, sondern macht sich die physikalische Eigenschaft des Rückpralls und das Begrenzen von seitlich abprallenden Partikeln durch Leitbleche, die als Schutzschild für den Bediener gestaltet sind, zunutze.

Zusätzliche Entlastung des Bedieners kann durch elektrische Ventilschaltung gegenüber der momentan mechanischen Ventilsteuerung erreicht werden. Zur Verminderung der Lärmbelastung ist ein möglichst gleichförmiger Medienstrom vom Düsenende bis hin zur bearbeitenden Fläche bzw. zum Werkstück anzustreben. Laminare Strömungsverhältnisse und optimal gestaltete Abrißkanten tragen erheblich bei, diese Verhältnisse zu erzeugen. Kupplungen und Schläuche, die besonders flexibel und leicht sind, verringern die Kraft zur Nachführung der Düse bzw. der Schläuche.

In Anlehnung an Studien und Versuche beim Reinigen und Abtragen mit einem Wasserstrahl, dessen Wirkung bei gepulster Anwendung um ein mehrfaches verbessert wird, schlagen wir Versuche mit gepulster Zuführung des Strahlmittels oder schwellendem Druckverlauf des Trägermediums vor. Theoretische Wirkung dieser Kombination ist das Erzeugen eines Strahlfeldes mit unterschiedlicher Impuls- bzw. Auftreffenergie des Strahlmediums, wodurch eine gleichmäßigere und auch schonendere Bearbeitung in Aussicht gestellt ist. Die Erzeugung schwellender Strömungsgeschwindigkeit des Trägermediums (Druckluft) kann durch regelmäßige Veränderung des Zuführquerschnittes, z. B. durch eine rotierende Lochscheibe, zur Zuführung zusätzlicher Luft oder anderer Medien in die Dispensordüse erfolgen.

Durch modularen Aufbau, insbesondere des Endbereiches, wird verschiedenen Einsatzfällen Rechnung getragen. Die Verbindung der Teile ist dabei so gestaltet, daß ohne Werkzeuge z. B. durch gerändelte Überwurfmuttern verschiedene Düsenkombinationen und Zuführanschlüsse miteinander verbunden werden können.

Claims (16)

1. Strahlkopf mit variabler 3er-Düsenanordnung zur Oberflächenbearbeitung, insbesondere zum Sandstrahlen, dadurch gekennzeichnet, daß eine erste Düse mit Querschnittsverengung in Durchflußrichtung vorwiegend zur Beschleunigung des Trägermediums, insbesondere Druckluft, dient und gleichzeitig Schlauchtülle für die Zuführleitung ist und im weiteren Verlauf direkt mit der 2. Düse, die als Strahl- oder Injektordüse ausgebildet ist, verbunden ist und von einer weiteren Düse mit in Durchflußrichtung erweitertem Querschnitt gefolgt wird, die durch eine oder mehrere am Ende des kontinuierlichen oder am Anfang des expandierenden Strömungsquerschnittsbereiches am Umfang angebrachten Bohrungen enthält.

2. Strahlkopf nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zuletzt angeordnete Düse als Expansionsdüse ausgebildet ist und am Umfang im kontinuierlichen und/oder expandierenden Durchmesserbereich in radialer Richtung oder in Abweichung von bis zu 75° zu dieser Richtung Bohrungen aufweist, die vorzugsweise in einer oder verschiedenen Ebenen entlang der Düsenlängsachse angeordnet sind und deren äußeres Bohrungsende sich im Nutgrund einer beispielsweise durch einen O-Ring verschließbaren Halbrundnut befindet.

3. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 2, dadurch gekennzeichnet, daß die mittlere Düse zuvor auch Strahldüse genannt in den Bereich der Expansionsdüse hineinragt und damit ein zusätzlicher Injektor für die Einbringung zusätzliche Außenluft zur Erhöhung des Gesamtluftstromes und/oder zur Einbringung von Flüssigkeit unter geringerem Druck als der des Trägermediums geschaffen wird.

4. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsdüse zumindest eine Aufnahme- oder Befestigungsmöglichkeit für ein Fitting zum Anschluß von Zuführungsleitungen aufweist.

5. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsdüse im Inneren über zumindest einen Ringkanal verfügt der durch eine Bohrung oder mittels eines Durchbruches mit der am Fitting befestigten Zuführleitung verbunden ist und vom Ringkanal ausgehend über achsparallele oder bis zu 30° davon abweichende Rillen zur gleichmäßigen Verteilung des zugesetzten Mediums verfügt.

6. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß die Expansionsdüse im Bereich der in diese Düse hineinreichenden Strahldüse vom Fitting ausgehend eine Bohrung oder ein andersförmiger Durchbruch senkrecht oder minimal in 60° Abweichung zum Strömungsverlauf oder zur Düsenlängsachse aufweist.

7. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß als Schaltelement zur Beaufschlagung der Düsendreierkombination ein READ-SCHALTER auf den Zuführschlauch vor der ersten Düse geklemmt ist, der durch Berührung mit einem mit Magneten versehenen Schutzhandschuh betätigt wird.

8. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß er aus einer beliebigen Kombination von ein, zwei oder drei hintereinandergeschalteten Düsen besteht.

9. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 8, dadurch gekennzeichnet, daß die Düsen absatzfrei und ohne Zwischenstück, z. B. durch eine Überwurfmutter oder einem Bajonett-Verschluß, achsparallel oder in geringer Abweichung hierzu miteinander verbunden sind.

10. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 9, dadurch gekennzeichnet, daß verschiedene flüssige, gasförmige oder feste Medien gleichzeitig oder in Stufen der letzten Düse, insbesondere mit geringerem Druck als das Trägermedium durchgeleitet wird, zugeführt werden.

11. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 10, dadurch gekennzeichnet, daß in die Misch- oder Dispensordüse Medien außermittig mit einer radialen Komponente nicht auf das Zentrum des Strahles gerichtet zur Erzeugung eines Dralls eingeleitet werden.

12. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1 bis 11, dadurch gekennzeichnet, daß zumindest eine der Düsen an ihrer Innenseite über Züge verfügt, die das Trägermedium und/oder das Gesamtgemenge in Rotation versetzt.

13. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1-12, dadurch gekennzeichnet, daß die Verjüngung und/oder Erweiterung zumindest eines Düsenquerschnittes oder einer innenliegenden Schnittlinie in der Düsenlängsachse dem Verlauf nach einer Sin²-Kurve zur Realisierung geringstmöglicher radialer Beschleunigungskräfte entspricht.

14. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1-13, dadurch gekennzeichnet, daß die zusammengekoppelte erste und zweite Düse im Innendurchmesser einen ansatzlosen, in Durchströmrichtung sich verjüngenden Gesamtkegel bildet.

15. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1-14, dadurch gekennzeichnet, daß sich der Innenquerschnitt der Düsen in Form eines Kurven- oder Wellenverlaufes verjüngt oder erweitert und durch daran angepaßte Schuppung möglichst geringe Berührungsoberflächen mit dem Träger und/oder dem Strahlmedium erzeugt.

16. Strahlkopf nach zumindest einem der Ansprüche 1-15, dadurch gekennzeichnet, daß die Innenquerschnitte der Düsenendbereiche zylindrisch verlaufen.