水射流加工--论文.docVIP

水射流加工 摘要 本文介绍了水射流加工的发展、原理、系统组成及在各个方面的应用前景。 关键词：水射流加工；切割；磨料；喷嘴。 1.，高压、超高压水射流的发展 水射流技术始于19世纪中叶，最初用于冲蚀土壤和开采金矿。早在1830年俄罗斯人 就采用了大直径水射流冲开未固结的砂砾石金矿、冲洗淘金，1852-1884年这种技术在美 国加利福尼亚金矿得到了应用和发展。当时压力很低，仅几至十几个大气压。20世纪初， 水射流技术开始用于开采其他金矿和用于水力采煤。 50年代，人们从水力采煤和高速飞机的雨蚀现象中认识到，提高射流压力和速度能 够冲蚀较坚硬物料，并显著提高落煤效果，从而开始了较高压设备的研制和较高压射流的 试验。60年代，随着较高压力柱塞泵和增压器的问世，开始研究射流动力学特征和喷嘴 结构。60年代末，美国国家科学基金资助了一项庞大的研究计划，诣在寻求一种高效 的切割破岩方法，研究人员提出并实验了25种新方法，如电火花、电子束、激光、火焰、 等离子体、高压水射流等，最后专家一致公认最可行有效的是高压水射流破岩方法，后 来也只有这种方法得到了实际应用。进入70年代，各国开始大力研究高压水射流技术， 使该技术进入了迅速发展的新阶段。这期间，研究的重点是水射流破岩机理、脉冲射 流特性及水射流在切割、破岩、清洗上的应用，开始出现了水力辅助机械破岩、空化射流、 磨料射流、间断射流等新型射流技术。进入80年代以来，随着激光测速、高速摄影、流 体显形、数值模拟等先进测试和研究手段的进步，高压水射流技术研究和应用得到更立为垂 发展。磨料射流、空化射流、脉冲射流水力辅助机械破岩技术和基础理论、切割机理、 影响因素研究和分析进一步深入，并出现了气水射流、液态金属射流、液态气体(空气、 氮气、二氧化碳)射流、冰粒射流、超高压射流等特种射流，其应用范围也由当初的采矿、 破岩、钻孔、清洗、除垢发展到金属和超硬材料切割、表面处理、研磨等，应用领域涉及 煤炭、石油、冶金、化工、船舶、航空、建筑、电力、纺织、交通、市政医学等几十个工 业部门及核废料、海洋等危险恶劣工作环境，自动化程度和切割精度有了显著提高。 二、水射流切割基本原理 水射流切割原理．可简单概括为：通过转能装置（泵或增压器），将发动机〔 电机或内燃机）的机械能转变成水的压力能；再通过喷嘴小孔，喷出高速射流，将压力势能转换成动能；当高速水射流冲击被切材料时，动能又重新变成作用于材料表面的压力能。如果压力超过材料的破坏强度（门限压力），即可切断材料。 使水获得高压的装置．主要有两种形式：压力小于7OMPa ，可直接用多级离心泵或柱塞泵；70MPa 以上．多用增压器或动压式水炮 为了不致功率过高，流量较小常为认0.5~25L／min ；喷嘴直径常为0.1 一0 . 6mm ，目前多用人造宝石、碳化钨、陶瓷等耐磨材料制作；射流速度可达500 --l000m / s 的超音速。 由于工作介质（水）与周围介质（空气）之间，在射流发生时，进行剧烈的动量交换和紊动扩散，使得常用的非淹没连续自由射流，变成气液两相混合介质射流，机理复杂。除涉及经典流体力学外，更多地涉及到高速气液两相流、激波、水介质雾化、气液混合介质声速、声阻抗等现代物理及流体动力理论。迄今尚难用纯解析法研究流动特性和参数计算，仍须借助现代实验手段，获取定量化的可靠参数。 图1 为非淹没连续自由射流的水动力学结构。它是由射流初始段和主体段构成。初始段包括等速核和混合区，而主体段则为混合区。混合区是由不同速度的异种流体介质——水和空气混合而成。可见，只有等速核是单一的水介质，而且淹没和消失在混合介质之中。等速核是能量密集的主流，混合介质则通过动量交换，从等速核获得动能，而且占据射流的主要部分，二者都具有对靶体材料冲击加载的破坏作用，而等速核动能更大，是切割最有效的射程区段，因而，切割靶距通常选在这个范围内。图2 是射流在靶体表面的流动图形。区段Ⅰ是射流上游，即喷嘴内部的流动；区段二是图1 所表示的射流段；区段三 则是射流与靶面接触后的状态。 2 系统的组成 系统组成也有多种形式，仅以应用最多的两种典型系统为例，作一简要介绍。 图3 系统可用于纯水或磨料后混合切割，即磨料在两级喷嘴之间加入，随射流一起喷出。其特点是：磨料加速距离短，切割效果稍差，但一级喷嘴不受磨料摩损，而磨料是由高速射流产生的真空度吸入，整个磨料供给系统处于常压或低于常压下工作，对设备要求不高，目前应用最广。系统主要由三部分组成：动力源（前已述及）、工作床及控制柜、废水处理装置。工作床用于放置被切工件，驱动喷嘴完成与工件的相对