磨料水射流噴頭的設計與試驗研究

0磨料水射流的制備方法研磨水炮加工技術在許多行業得到了廣泛應用，尤其是在機械部。由于它在加工中不改變材料的力學、物理和化學性能的特點，它已成為一種先進的加工技術。根據專著,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,但由于其噴頭結構的復雜性,目前對它的研究還并不成熟,也即還不能根據加工需要按照某一規律來進行噴頭的精確設計。鑒于此狀況,我們自行設計了一個噴頭裝置(見文獻),并且為了驗證其工作能力,設計了一套試驗裝置,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。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本構模型及參數在后混式磨料水射流中,磨料射流噴頭是磨料射流的關鍵部件,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更高的流量。而本次試驗采用的是柱塞往復泵,往復式高壓泵的特點是基于正排量設計的,也就是說單位時間內泵總是以一個固定的流量經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,本設計噴嘴形式采用圓錐收斂型,故?1=0.95,數據代入得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。因此本設計采用的是錐形入口段和柱形出口段的結構。混合腔尺寸對磨料與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。混合腔直徑的大小是相對于噴嘴直徑而言的,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lc對射流工作狀況影響也很大,喉管距大會導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: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。為此試驗內容分兩部分,一是測試噴頭裝置不同面積筆下的各項參數,并繪制相應的p-q,p-N曲線,其中p是動力液壓力;二是當面積比給定時,改變喉管距L,測試不同L值時的各項參數,觀察喉管距對射流裝置性能的影響。3噴射系統試驗磨料水射流光整加工試驗裝置主要組成部分為:動力系統、高壓發生裝置、空壓機、噴射系統、電器控制系統、沉淀箱、攪拌裝置、磨料箱、機床工作臺、數控系統、工作區防護裝置、液壓管道、閥等,見圖2。柱塞泵2將清水從供水箱1中經吸液膠管14吸入,加壓后通過高壓管路經控制閥4進入噴射系統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。為完成試驗內容,首先選定一組噴頭裝置,通過調節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,重復上述試驗過程測試不同面積比時的各參數,并繪制不同面積比下的p-q曲線(圖3a),p-N曲線(圖3b)。在其他結構參數不變的情況下,改變喉管距L,測試數據如表1所示。4螺釘面積比對區域特性的影響(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