磨料水射流噴頭的設(shè)計與試驗研究

磨料水射流噴頭的設(shè)計與試驗研究

0磨料水射流的制備方法研磨水炮加工技術(shù)在許多行業(yè)得到了廣泛應(yīng)用，尤其是在機械部。由于它在加工中不改變材料的力學(xué)、物理和化學(xué)性能的特點，它已成為一種先進的加工技術(shù)。根據(jù)專著,磨料水射流屬于后混合式的磨料射流,該方式避免了前混合式磨料射流受泵的壓力和噴嘴壽命的限制,以及磨料均勻供料的問題,但由于其噴頭結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性,目前對它的研究還并不成熟,也即還不能根據(jù)加工需要按照某一規(guī)律來進行噴頭的精確設(shè)計。鑒于此狀況,我們自行設(shè)計了一個噴頭裝置(見文獻),并且為了驗證其工作能力,設(shè)計了一套試驗裝置,從而對該噴頭的特性、適用范圍以及存在的問題進行了初步探討。1壓水結(jié)合高速水射流磨料水射流的工作原理與射流泵的工作原理相同,兩者皆是通過引射方式抽吸并輸送固體介質(zhì)。如圖1所示,高壓水從第一級噴嘴(水噴嘴)噴出,形成高速水流束,在混合腔形成一定的真空度,磨料通過氣力(干式供料方式)或水力(濕式供料方式)被輸送到混合腔。磨料以很低的初始速度與高速水射流相互接觸,由于高速水射流的紊動擴散作用與被吸磨料發(fā)生動量交換,使磨粒加速。之后通過二級噴嘴(即磨料噴嘴)噴出而形成磨料水射流。2本構(gòu)模型及參數(shù)在后混式磨料水射流中,磨料射流噴頭是磨料射流的關(guān)鍵部件,磨料射流噴頭主要由水射流噴嘴、混合腔和磨料射流噴嘴組成。在磨料水射流噴頭中,對于給定直徑的一級噴嘴,其流量與壓力成正比,也就是更高的壓力對應(yīng)更高的流量。而本次試驗采用的是柱塞往復(fù)泵,往復(fù)式高壓泵的特點是基于正排量設(shè)計的,也就是說單位時間內(nèi)泵總是以一個固定的流量經(jīng)排出管線進入噴嘴自噴孔流出形成射流,如果沒有旁通的話,射流流量也就是泵的流量。泵所有流量通過噴嘴小孔須具備一定的流速,這就要求泵有足夠的壓力來驅(qū)動。反之,隨著泵的額定壓力和流量的確定,與之相匹配的水噴嘴的孔徑尺寸也就唯一確定下來。在本實驗室條件下,泵最高壓力為30MPa,q=12.5L/min;為使噴嘴能在泵的滿負荷情況下工作,根據(jù)文獻,有:d1=0.69Q0/(?1/p√)??????????√d1=0.69Q0/(?1/p)式中?1值由噴嘴種類確定,本設(shè)計噴嘴形式采用圓錐收斂型,故?1=0.95,數(shù)據(jù)代入得d1=1.05mm;考慮加工條件,在這里取d1=1mm?；旌锨坏闹饕猛臼窃诨旌狭黧w進入磨料噴嘴之前均衡混合流體的速度場,混合腔的入口段采用錐形,可大大提高速度系數(shù)。因此本設(shè)計采用的是錐形入口段和柱形出口段的結(jié)構(gòu)?；旌锨怀叽鐚δチ吓c水射流混合的混合效果有直接影響,混合腔直徑d3過小,造成混合腔入口流道過流面積小,造成較大阻力損失?；旌锨恢睆竭^大,工作射流的能量得不到充分傳遞?；旌锨恢睆降拇笮∈窍鄬τ趪娮熘睆蕉缘?為此我們主要考察面積比(即噴嘴面積與混合腔面積之比)和喉管距對射流裝置性能的影響。水噴嘴和混合腔的距離即喉管距l(xiāng)c對射流工作狀況影響也很大,喉管距大會導(dǎo)致增加自由流束的長度,增加自由流束的終截面,因為自由流束甚至內(nèi)切與混合腔的入口段,而入口段的直徑大于圓柱形混合室的直徑,因此會產(chǎn)生一部分液體倒流,從而增加附加損失;喉管距小會降低空氣卷吸能力,使工作狀況惡化。磨料水射流的被引射流量和混合流體的出口速度的大小直接關(guān)系到加工效果和加工效率,引射流量和出口速度越大,其加工效率越高,反之,則越低。為敘述方便,引入幾個基本參數(shù):q=Qs/QNN=Qs×Vq=Qs/QΝΝ=Qs×V式中,q為流量比,無因次量;N為加工能力,m4/s;Qs為引射流量,m3/s;QN為動力液流量,m3/s;V為混合排出液平均速度,m/s。為此試驗內(nèi)容分兩部分,一是測試噴頭裝置不同面積筆下的各項參數(shù),并繪制相應(yīng)的p-q,p-N曲線,其中p是動力液壓力;二是當(dāng)面積比給定時,改變喉管距L,測試不同L值時的各項參數(shù),觀察喉管距對射流裝置性能的影響。3噴射系統(tǒng)試驗?zāi)チ纤淞鞴庹庸ぴ囼炑b置主要組成部分為:動力系統(tǒng)、高壓發(fā)生裝置、空壓機、噴射系統(tǒng)、電器控制系統(tǒng)、沉淀箱、攪拌裝置、磨料箱、機床工作臺、數(shù)控系統(tǒng)、工作區(qū)防護裝置、液壓管道、閥等,見圖2。柱塞泵2將清水從供水箱1中經(jīng)吸液膠管14吸入,加壓后通過高壓管路經(jīng)控制閥4進入噴射系統(tǒng)5的套管,從一級噴嘴噴出,在噴嘴出口處形成高速液流,卷吸周圍空氣,造成混合腔低壓,在壓差作用下,磨料從磨料箱7進入混合腔,靠高速液流的攜帶作用將磨料加速,最后通過二級噴嘴噴出。為完成試驗內(nèi)容,首先選定一組噴頭裝置,通過調(diào)節(jié)控制閥來控制射流裝置的動力液壓力,同時記錄動力液的壓力、流量,吸入液的壓力及流量。然后改變面積比,重復(fù)上述試驗過程測試不同面積比時的各參數(shù),并繪制不同面積比下的p-q曲線(圖3a),p-N曲線(圖3b)。在其他結(jié)構(gòu)參數(shù)不變的情況下,改變喉管距L,測試數(shù)據(jù)如表1所示。4螺釘面積比對區(qū)域特性的影響(1)該噴頭裝置的流量比隨工作壓力的增高而降低,這種狀況與常規(guī)射流泵類似,這表明該裝置可以用于實踐;(2)噴頭面積比過大和過小都會影響該裝置的加工能力和流量比,噴頭面積比過大,造成流量比極小,即被引射量