磨料水射流喷头的设计与试验研究

磨料水射流喷头的设计与试验研究

0磨料水射流的制备方法研磨水炮加工技术在许多行业得到了广泛应用，尤其是在机械部。由于它在加工中不改变材料的力学、物理和化学性能的特点，它已成为一种先进的加工技术。根据专著,磨料水射流属于后混合式的磨料射流,该方式避免了前混合式磨料射流受泵的压力和喷嘴寿命的限制,以及磨料均匀供料的问题,但由于其喷头结构的复杂性,目前对它的研究还并不成熟,也即还不能根据加工需要按照某一规律来进行喷头的精确设计。鉴于此状况,我们自行设计了一个喷头装置(见文献),并且为了验证其工作能力,设计了一套试验装置,从而对该喷头的特性、适用范围以及存在的问题进行了初步探讨。1压水结合高速水射流磨料水射流的工作原理与射流泵的工作原理相同,两者皆是通过引射方式抽吸并输送固体介质。如图1所示,高压水从第一级喷嘴(水喷嘴)喷出,形成高速水流束,在混合腔形成一定的真空度,磨料通过气力(干式供料方式)或水力(湿式供料方式)被输送到混合腔。磨料以很低的初始速度与高速水射流相互接触,由于高速水射流的紊动扩散作用与被吸磨料发生动量交换,使磨粒加速。之后通过二级喷嘴(即磨料喷嘴)喷出而形成磨料水射流。2本构模型及参数在后混式磨料水射流中,磨料射流喷头是磨料射流的关键部件,磨料射流喷头主要由水射流喷嘴、混合腔和磨料射流喷嘴组成。在磨料水射流喷头中,对于给定直径的一级喷嘴,其流量与压力成正比,也就是更高的压力对应更高的流量。而本次试验采用的是柱塞往复泵,往复式高压泵的特点是基于正排量设计的,也就是说单位时间内泵总是以一个固定的流量经排出管线进入喷嘴自喷孔流出形成射流,如果没有旁通的话,射流流量也就是泵的流量。泵所有流量通过喷嘴小孔须具备一定的流速,这就要求泵有足够的压力来驱动。反之,随着泵的额定压力和流量的确定,与之相匹配的水喷嘴的孔径尺寸也就唯一确定下来。在本实验室条件下,泵最高压力为30MPa,q=12.5L/min;为使喷嘴能在泵的满负荷情况下工作,根据文献,有:d1=0.69Q0/(ϕ1/p√)−−−−−−−−−−√d1=0.69Q0/(ϕ1/p)式中ϕ1值由喷嘴种类确定,本设计喷嘴形式采用圆锥收敛型,故ϕ1=0.95,数据代入得d1=1.05mm;考虑加工条件,在这里取d1=1mm。混合腔的主要用途是在混合流体进入磨料喷嘴之前均衡混合流体的速度场,混合腔的入口段采用锥形,可大大提高速度系数。因此本设计采用的是锥形入口段和柱形出口段的结构。混合腔尺寸对磨料与水射流混合的混合效果有直接影响,混合腔直径d3过小,造成混合腔入口流道过流面积小,造成较大阻力损失。混合腔直径过大,工作射流的能量得不到充分传递。混合腔直径的大小是相对于喷嘴直径而言的,为此我们主要考察面积比(即喷嘴面积与混合腔面积之比)和喉管距对射流装置性能的影响。水喷嘴和混合腔的距离即喉管距lc对射流工作状况影响也很大,喉管距大会导致增加自由流束的长度,增加自由流束的终截面,因为自由流束甚至内切与混合腔的入口段,而入口段的直径大于圆柱形混合室的直径,因此会产生一部分液体倒流,从而增加附加损失;喉管距小会降低空气卷吸能力,使工作状况恶化。磨料水射流的被引射流量和混合流体的出口速度的大小直接关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,则越低。为叙述方便,引入几个基本参数:q=Qs/QNN=Qs×Vq=Qs/QΝΝ=Qs×V式中,q为流量比,无因次量;N为加工能力,m4/s;Qs为引射流量,m3/s;QN为动力液流量,m3/s;V为混合排出液平均速度,m/s。为此试验内容分两部分,一是测试喷头装置不同面积笔下的各项参数,并绘制相应的p-q,p-N曲线,其中p是动力液压力;二是当面积比给定时,改变喉管距L,测试不同L值时的各项参数,观察喉管距对射流装置性能的影响。3喷射系统试验磨料水射流光整加工试验装置主要组成部分为:动力系统、高压发生装置、空压机、喷射系统、电器控制系统、沉淀箱、搅拌装置、磨料箱、机床工作台、数控系统、工作区防护装置、液压管道、阀等,见图2。柱塞泵2将清水从供水箱1中经吸液胶管14吸入,加压后通过高压管路经控制阀4进入喷射系统5的套管,从一级喷嘴喷出,在喷嘴出口处形成高速液流,卷吸周围空气,造成混合腔低压,在压差作用下,磨料从磨料箱7进入混合腔,靠高速液流的携带作用将磨料加速,最后通过二级喷嘴喷出。为完成试验内容,首先选定一组喷头装置,通过调节控制阀来控制射流装置的动力液压力,同时记录动力液的压力、流量,吸入液的压力及流量。然后改变面积比,重复上述试验过程测试不同面积比时的各参数,并绘制不同面积比下的p-q曲线(图3a),p-N曲线(图3b)。在其他结构参数不变的情况下,改变喉管距L,测试数据如表1所示。4螺钉面积比对区域特性的影响(1)该喷头装置的流量比随工作压力的增高而降低,这种状况与常规射流泵类似,这表明该装置可以用于实践;(2)喷头面积比过大和过小都会影响该装置的加工能力和流量比,喷头面积比过大,造成流量比极小,即被引射量