前混式高壓磨料水射流切割錨桿性能實驗研究

王從東

(安徽理工大學科技產(chǎn)業(yè)處， 安徽　淮南　232001)

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前混式高壓磨料水射流切割錨桿性能實驗研究

王從東

(安徽理工大學科技產(chǎn)業(yè)處， 安徽淮南232001)

摘要：為了研究高壓水射流切割煤礦錨桿的問題，利用自行搭建前混式高壓磨料水射流切割系統(tǒng)對煤礦用的錨桿進行切割試驗，通過對射流壓力、磨料參數(shù)、橫移速度和噴射靶距等參數(shù)對切割能力影響的探討，得出射流壓力與切割深度可以簡化為線性關系，噴嘴橫移速度與切割深度可以簡化為反比關系，以及磨料參數(shù)和靶距存在最優(yōu)值等結論，同時獲取了切割所需的最佳工藝參數(shù)。

關鍵詞：錨桿；磨料水射流；切割

錨桿是我國煤礦巷道的主要支護工具，但桿體作為一次性消耗用品，在巷道報廢后一般都留在煤(巖)體內，造成了大量的浪費。為能夠最大限度的節(jié)支降耗， 提高經(jīng)濟效益， 煤礦實際工作中對錨桿一般都會進行回收[1]。這些廢舊的錨桿與錨索經(jīng)過長期的腐蝕，通常都已經(jīng)有不同程度的銹蝕，尤其是錨桿上的螺母，往往由于生銹很難利用普通的工具進行拆除。直接對其進行切割是一種簡單、直接、適應性強的方法，但熱切割工具在煤礦井下高瓦斯環(huán)境下受到很大的限制[2]，為此，本為提出了利用前混合磨料射流技術對錨桿鎖緊螺母進行切割去除，并利用實驗室研制的前混高壓水射流切割系統(tǒng)進行試驗，通過試驗結果的分析比較將礦用錨桿切割工藝進行了優(yōu)化。

1試驗系統(tǒng)

本文采用的試驗系統(tǒng)由前混合磨料射流發(fā)生裝置(含加旋噴頭、高壓水泵)、數(shù)控系統(tǒng)、磨料回收灌裝裝置、數(shù)控工作臺(含滾珠絲杠、伺服電機、噴頭裝夾裝置及導軌等)、試塊裝夾裝置等組成[3]。整個試驗系統(tǒng)由磨料射流發(fā)生裝置提供磨料漿液。噴射出來的磨料由磨料回收灌裝裝置回收并重新灌裝到磨料射流發(fā)生裝置中，試驗系統(tǒng)如圖1所示。

本文采用80目的石榴石做磨料，磨料的質量濃度20%[4]。切割試驗用的錨桿是由均質鋼材通過熱扎工藝制成的帶肋錨桿，強度等級400 MPa，公稱直徑22 mm，錨桿樣品如圖2所示。

2試驗結果與分析

2.1　射流壓力對切割能力的影響

射流的噴射壓力(噴嘴后端的壓力值)是影響射流切割能力的最重要的參數(shù)，它的大小決定著射流所攜帶的能量，直接影響著射流對靶物的的切割能力[5]，本試驗在不同的射流壓力下做了錨桿的切割測試，歸納壓力參數(shù)與切割效率關系，同時也可為現(xiàn)場應用時選擇切割壓力參數(shù)提供依據(jù)。本文試驗中，射流切割時的沖擊方向為垂向，由于錨桿為圓柱形，切割面為近似的圓形，表1和圖3為試驗得到的數(shù)據(jù)。

表1　不同工作壓力的實驗數(shù)據(jù)

由試驗結果可知，由于材質的均勻性，在切割參數(shù)穩(wěn)定的條件下，切割規(guī)律是穩(wěn)定的。根據(jù)伯努利方程及流體連續(xù)性方程可知，在噴嘴結構、橫移速度、靶距等參數(shù)不變的情況下，壓力的大小直接決定著射流速度和磨料的能量，既壓力和噴嘴出口處的射流速度成正比，壓力越大，射流的速度及磨料切割能力也就更大，切割的深度也就越大。在一定的噴嘴直徑(φ0.8 mm和靶距(5 mm)下，，保持均勻的橫移速度(30mm/min)，射流切割錨桿的深度和射流的壓力幾乎成正比關系。

2.2　噴射靶距對切割能力的影響

磨料射流從噴嘴噴出后，必須要有一個合適的噴射靶距，靶距過大或過小都將使射流的切割能力下降，切深減少。這是因為靶距過大時，水流會很快發(fā)散，射流到達物料表面的動能降低多，影響了切深；而靶距過小時射流反濺嚴重，切深也會下降。實驗的工藝參數(shù)及實驗結果如表2和圖4所示。

表2　不同噴射靶距的實驗數(shù)據(jù)

由圖3可見，前混式高壓磨料水射流切割煤礦用錨桿的靶距有個臨界值，當靶距低于臨界值時，切割深度基本不變，靶距高于這個臨界值時，切割的深度迅速下降。因為隨著噴射靶距的增大，射流中卷吸到的外部環(huán)境介質增多，導致射流平均速度降低、磨料射流集束性逐漸減弱。磨料粒子產(chǎn)生動能的減少，致使其對煤礦用錨桿的沖蝕力減弱，切割深度隨之減小。但靶距過小，噴嘴的底端與切割平面的上表面就越近，容易造成磨料反濺空間不足，反濺起來的磨料會摩擦噴嘴的底端，造成噴嘴的磨損加速，減少噴嘴的使用壽命，甚至出現(xiàn)噴嘴堵塞現(xiàn)象，對整臺設備的密封系統(tǒng)造成損害。由實驗可知，當靶距為5mm時，切割效率并沒有下降，且可保持足夠多的空間讓磨料反濺。

2.3　橫移速度對切割能力的影響

本實驗對錨桿樣品進行切割，研究橫移速度與切割深度的關系，實驗的工藝參數(shù)及實驗結果如表3和圖4示。

表2　不同噴嘴橫移速度的實驗數(shù)據(jù)

由圖5可見，在射流壓力、靶距、噴嘴直徑不變的情況下，噴嘴橫向移動速度與射流作用在錨桿上的切割深度成反比關系。噴嘴的橫向工作速度對射流切割效能的影響表現(xiàn)為射流作用時間與切割深度的關系。當橫移速度較慢時，磨料射流作用在錨桿上的時間較長，水楔作用較強，磨料對錨桿的磨削、沖蝕作用顯著，切割深度較大。但是如果橫移速度過慢，則切割不能充分利用射流的能量，浪費的能量較多，工作效率低。橫移速度增大時，射流與物料的作用時間減少，作用在錨桿上的平均沖擊力降低，切割效率大幅下降，切割深度也相應減少。因此可以根據(jù)壓力、切割深度等參數(shù)來選擇合適的橫移速度。

3結論

通過試驗結果分析可知，用前混式高壓磨料水射流切割煤礦用錨桿是高效可行的，并可得出以下結論

1) 磨料射流的壓力與切割錨桿的切割深度可以簡化為線性關系。壓力越大，磨料的動能越高，切割深度也就更大。

2) 切割靶距存在一個最佳值，超過或小于這個值時，切割深度都達不到最大值，且切割表面質量較低。

3) 切割的時候存在一個最佳的切割橫移速度。橫移速度過大，切割作用時間短，切割深度就會大幅下降。但是橫移速度也不能過小，否則能源浪費較多，效率較低。

綜上所述，前混式高壓磨料水射流切割煤礦用錨桿的最佳參數(shù)是：噴嘴直徑0.8 mm的噴嘴，磨料流量為0.45 kg/min，磨料為80目的石榴石，射流壓力為25 MPa，切割速度30 mm/min，靶距5 mm。

參考文獻：

[1]康全玉，孫玉寧，常玉林.粘結式全長可回收樹脂金屬錨桿研究[J] 煤炭工程， 2003 (9)：35-36.

[2]王從東.高壓水射流技術在煤礦安全生產(chǎn)中的應用[J].煤礦機械，2008，29(10)：150-152.

[3]張東速，楊立志，董祖?zhèn)ィ?高壓水射流技術在礦井生產(chǎn)中的安全應用[J].煤礦機械，2011，32(03)：213-214.

[4]趙韡，郭楚文，陸峰峰.煤礦井下磨料水射流切割機的設計及應用[J].煤礦機械，煤炭工程，2012(4)，117-118.

[5]楊麗君.磨料水射流切割鋼絲膠管的研究[J] 煤礦安全， 2011，42(6)：18-21.

(責任編輯：李麗，范君)

Experimental Research on the Performance of Coalmine-used Anchor Bolt Cutting by a Fore-Hybrid High-pressure Abrasive Water-jet

WANG Cong-dong

(Department of Science Research and Technical Service, Anhui University of Science and Technology，Anhui Huainan 232001，China)

Abstract:In order to study coalmine-used anchor bolt cutting by high-pressure water jet, by using a fore-hybrid high-pressure abrasive water-jet cutting system built by our own, the anchor bolt cutting experiment was conducted. Based on the study of the influence of jet pressure, abrasive parameters, traversing speed, and jet target distance on cutting, it was concluded that the jet pressure and cutting depth can be simplified as a linear relationship and nozzle traversing speed and cutting depth as a inverse relationship, and there is the optimum value of the abrasive parameters and the target distance. At the same time, the optimal process parameters of cutting were obtained.

Key words:anchor bolt；abrasive water jet；cutting

作者簡介：王從東(1978-)，男，安徽淮北人，講師，碩士，研究方向：高壓水射流。

基金項目：安徽省高校省級自然科學研究基金資助項目(KJ2013A104)

收稿日期：2015-05-27

中圖分類號：TQ051

文獻標志碼：A

文章編號：1672-1098(2015)04-0031-03