磨料水射流切割特性研究及其裝置

李家豪

摘 要：本文通過拆解核心零件，逐一論述水射流切割的主要原理和構(gòu)成，普及水射流切割這一新興科技。同時(shí)綜合了水射流裝置制造的各項(xiàng)技術(shù)難點(diǎn)，總結(jié)了最優(yōu)參數(shù)，為裝置的后續(xù)研發(fā)帶來幫助。

關(guān)鍵詞：冷切割；最優(yōu)化設(shè)計(jì)

一、背景

磨料水射流切割以其獨(dú)有的冷態(tài)加工特點(diǎn)成為國際上公認(rèn)的21世紀(jì)優(yōu)先發(fā)展的主流切割技術(shù)。它與激光切割、氧氣切割、等離子切割包括電弧切割相比較具有不產(chǎn)生熱量和有害物質(zhì)的特點(diǎn)，同時(shí)能夠切割除了鋼化玻璃等幾種少數(shù)材料以外的絕大部分金屬和非金屬材料?？紤]到在救撈行業(yè)，被切割的主要材料是鋼板（航母的船體鋼材強(qiáng)度通常為450MPa和550MPa，厚度達(dá)22-28mm），而且是在水下操作，所以選擇磨料水射流切割十分合適。我從范吉瑞學(xué)長(zhǎng)參與設(shè)計(jì)的磨料水射流切割裝置出發(fā)，來對(duì)磨料水切割特性以及其裝置進(jìn)行更深入的了解。

二、切割原理

當(dāng)射流射入密度較射流本身密度小的介質(zhì)中稱為非淹沒射流；當(dāng)射流射入密度較本身密度大或相等的介質(zhì)中稱為淹沒射流。依據(jù)從易到難，由簡(jiǎn)單到復(fù)雜的原理，先討論非淹沒連續(xù)射流，再探究淹沒連續(xù)射流的切割原理。

下圖是用CAD畫制的非淹沒連續(xù)射流的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)圖：

0-極點(diǎn) 1-噴嘴 2-等速核 3-混合區(qū) 4-邊界層

等速核是能量密集區(qū)，而混合區(qū)則是通過動(dòng)量交換獲得能量的混合介質(zhì)，這兩部分都對(duì)靶體材料有切割作用，但是因?yàn)榈人俸说膭?dòng)能更大，因此切割效果最好，所以靶距通常在等速核范圍內(nèi)。

靶體材料之所以會(huì)被切割主要就是因?yàn)槲樟私橘|(zhì)的動(dòng)能，從而產(chǎn)生沖擊作用、剪削作用和空化作用，繼而靶體材料產(chǎn)生割縫，達(dá)到切割的效果。

假設(shè)磨料水射流是不可壓縮流體，速度全部反射那么知沖擊力，

p為磨料水射流密度，D為噴嘴直徑，v為水射流平均速度，q為水射流體積流量；

淹沒條件下的水射流相對(duì)復(fù)雜，淹沒射流依其射入邊界條件，分為淹沒自由射流和淹沒非自由射流，其中淹沒自由射流的水動(dòng)力結(jié)構(gòu)圖如下所示：

淹沒條件下的理論模型相對(duì)復(fù)雜而且很多參數(shù)需要假設(shè)，許多學(xué)者給出的物理模型不盡相同，其中我認(rèn)為徐依吉的模型比較有代表性。

其中

其中-射流擴(kuò)散角，d-噴嘴入口直徑，d0-噴嘴出口直徑，L-噴嘴長(zhǎng)度等速核內(nèi)速度：

式中v0-噴嘴出口流速，Q-體積流量，A0-噴嘴出口面積

A.Q米洛維奇借助氣體射流的實(shí)驗(yàn)基本確定了射流基本段上的軸心流速沿著射流長(zhǎng)度方向上的變化：

v-射流長(zhǎng)度上的軸心速度，β-射流等速核長(zhǎng)度系數(shù)

對(duì)于淹沒非自由射流，由于邊界上回流的影響，使得射流邊界在距離噴嘴較遠(yuǎn)的地方向中心收縮，在一定的距離上，邊界收縮到一點(diǎn)，射流消失，在邊界之外，為上返的回流。

射流結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及其分布規(guī)律決定了射流中心動(dòng)壓力變化的規(guī)律。大量實(shí)驗(yàn)研究表明，不同結(jié)構(gòu)噴嘴的射流中心動(dòng)壓力是不同的，但基本規(guī)律是一致的。

射流的流體具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前進(jìn)的方向上遇有障礙物時(shí)，射流就給它一個(gè)壓力，這個(gè)壓力就是射流的動(dòng)壓力，根據(jù)水力學(xué)原理可知，射流的速度越高，動(dòng)壓力越大。

在射流的初始段，由于速度不變，中心動(dòng)壓力也是不變的，在基本段內(nèi)，由于中心的速度隨著距離L而變化，使中心的動(dòng)壓力隨L的增加而急劇降低。其變化規(guī)律可見下式：

Pm=λPo

式中： Pm-射流軸線動(dòng)壓力，Po-噴嘴出口處壓力，λ-壓力衰減系數(shù)。

三、影響水射流速度的因素

下圖列舉了一些參數(shù)，實(shí)際上切割過程中各種因素之間的相互作用關(guān)系復(fù)雜，參變量極多，并且呈現(xiàn)高度非線性關(guān)系，難以一一列舉并建立一個(gè)涵蓋所有的精確數(shù)學(xué)模型。同時(shí)，諸如轉(zhuǎn)向速度、切割角度、往復(fù)次數(shù)等等機(jī)械因素也影響著水射流切割的最終效果，所以在討論影響因素時(shí)候只討論幾個(gè)重要參數(shù)。如，噴嘴直徑、靶距、射流壓力、磨料濃度、移動(dòng)速度等。

四、本射流裝置的最優(yōu)參數(shù)

1.射流效果最佳靶距：5mm。有實(shí)驗(yàn)研究證明了在非淹沒的狀態(tài)下來說，靶距為噴嘴直徑的30倍左右為最好，而對(duì)淹沒狀態(tài)尤其是深海狀態(tài)下的最佳靶距仍需要大量實(shí)驗(yàn)經(jīng)驗(yàn)推導(dǎo)。

2.射流效果最佳磨料濃度：20%。磨料濃度過低時(shí)則破壞強(qiáng)度不夠，切割效果不好；過高時(shí)，則因?yàn)槟チ项w粒之間產(chǎn)生擁擠，能量損失大，所以切割效果也不好。

3.移動(dòng)速度：20mm/min。移動(dòng)速度越慢，則切割越充分，在該移動(dòng)速度下時(shí)切割深度最大，為19.46mm。孫德清等人研究了高壓水射流移動(dòng)速度對(duì)巖石切割效果的數(shù)值模擬，對(duì)本裝置的改進(jìn)有指導(dǎo)意義。

4.射流壓力：50MPa。壓力越大則切割效果越好，但是考慮到裝備自身的受壓能力，相壓不可能無限大。所以選擇可承受范圍內(nèi)較大的壓強(qiáng)。

5.傾斜角度： 12°。劉會(huì)霞等基于理論利用公式推導(dǎo)出了簡(jiǎn)便的切割模型，分析了磨料水射流的主要參數(shù)對(duì)切割性能的影響，實(shí)驗(yàn)證明了入口壓強(qiáng)、磨料流量在一定范圍內(nèi)與切割深度成正比；同時(shí)證明噴嘴傾斜切割角度 12°，切割效率可提高 11.37%；

五、水射流磨料混合模式

本裝置是前混合式磨料水射流，即磨料箱設(shè)置在增壓泵和噴嘴之間。但是相較于湯積仁在論文中提到的三根管道并聯(lián)式的前混合式磨料水射流（如右圖），顯然我們的磨料水射流裝備少了一根并聯(lián)管道，因此在磨料箱內(nèi)上部少了一個(gè)正壓力。然而多了一個(gè)泄壓閥，據(jù)此，我猜測(cè)是因?yàn)樵撗b置選擇的是封閉式磨料箱，由于底部的管道壓力作用，箱體內(nèi)部壓力足夠大，同時(shí)箱體本身材料的受壓能力有限，因此不需要再并聯(lián)一根增壓管道，反而選擇了泄壓閥。

六、射流切割的幾個(gè)關(guān)鍵問題

目前磨料水射流切割技術(shù)在應(yīng)用中還處于探索和提高階段，存在許多制約其發(fā)展的瓶頸問題。磨料水射流技術(shù)未來發(fā)展中所應(yīng)解決的關(guān)鍵技術(shù)問題有：

1.加工機(jī)理。對(duì)數(shù)控磨料水射流切割技術(shù)在不同行業(yè)和不同材料中的加工機(jī)理問題進(jìn)行研究，為研制更為通用，更為精密的磨料水射流切割設(shè)備提供技術(shù)支持。

2. 噴嘴設(shè)計(jì)。目前，噴嘴的耐磨性還很差，鈦鋼噴嘴只能使用幾十小時(shí)左右，有必要對(duì)材料的耐磨性進(jìn)行研究，研制出具有優(yōu)良性能的耐磨材料，以提高噴嘴壽命。另外，磨料水射流切割性能在很大程度上取決于噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)，而噴嘴的結(jié)構(gòu)形狀和尺寸是如何影響射流參數(shù)的，目前只能從理論分析、動(dòng)態(tài)仿真和大量的實(shí)驗(yàn)中得知，設(shè)計(jì)出結(jié)構(gòu)合理的噴嘴組件較困難。丁圣銀在傳統(tǒng)的仿Laval噴嘴形式收縮-擴(kuò)張的直線噴嘴的設(shè)計(jì)理念基礎(chǔ)上，依據(jù)M.K.Jackson和T.W.Davie所提出的多項(xiàng)式曲線方程提出了如上圖所示的擁有過渡流道型線的新型噴嘴結(jié)構(gòu)。

另一方面加工噴嘴多采用焊接影響了強(qiáng)度，如果采用3D打印技術(shù)，會(huì)使得強(qiáng)度增加，但是同時(shí)成本也相應(yīng)增加。

3. 高壓水泵。

在深海中因?yàn)楹Ｋ畨毫?，所以相?dòng)壓會(huì)減少，這就對(duì)泵產(chǎn)生壓力的能力有更高的要求了。國外已研制出以水為介質(zhì)的、壓力為 280MPa、流量為 9L/min的超高壓斜盤式軸向柱塞泵，而國內(nèi)目前水泵的最高壓力只有幾十兆帕。因此，有必要對(duì)摩擦副、密封形式等水泵關(guān)鍵技術(shù)進(jìn)一步研究，提出超高壓水泵的設(shè)計(jì)方案，研制出超高壓水泵。

4. 切割條件的數(shù)據(jù)庫。要獲得理想的切割效果，必須弄清射流參數(shù)和磨料參數(shù)對(duì)射流結(jié)構(gòu)的控制作用以及射流切割的微觀、宏觀過程，進(jìn)而從理論分析和實(shí)驗(yàn)中得到數(shù)據(jù)，建立水射流切割數(shù)據(jù)庫，以便在切割加工時(shí)，只需根據(jù)深海條件和船體鋼材的特性，就可以選擇合適的切割參數(shù)，達(dá)到最佳切割效果。

5. 供砂系統(tǒng)。磨料供給狀態(tài)、供給量、供給的穩(wěn)定性及均勻性，直接影響到切割性能和切割質(zhì)量。在深海切割過程中，軟管供沙有在靈活性和穩(wěn)定性上均有很大的限制，對(duì)軟管抗壓耐腐蝕要求也很高。所以針對(duì)軟管材料和設(shè)計(jì)也要進(jìn)一步探究。

6. 智能數(shù)控化。因?yàn)樵撗b置主要執(zhí)行切割功能，所以在精密度上要求不高。目前國內(nèi)CNC系統(tǒng)控制比較常見，但是在深海顯然CNC有其局限性，該裝置需要能夠在深海狀態(tài)下自動(dòng)定位靶距的智能數(shù)控化功能已達(dá)到更高效切割的目的。因此進(jìn)一步完善專用的磨料水射流切割數(shù)控系統(tǒng)的功能，發(fā)展智能化控制，也是不可忽視的一部分。

七、結(jié)語

研究高壓磨料水射流，尤其是在救撈裝備方向研究更加高效輕便低成本的執(zhí)行結(jié)構(gòu)，對(duì)沉船打撈、人員救助等等各個(gè)方面都有著積極的作用。能夠看到，這項(xiàng)技術(shù)目前發(fā)展水平還不高，有足夠的空間可以提升，并且這是以流體力學(xué)為主地交叉學(xué)科，與我專業(yè)契合度相當(dāng)高，因此我堅(jiān)信經(jīng)過我們一代代救撈人地不斷努力，我們一定能夠在這個(gè)方向上能夠做出成績(jī)。

參考文獻(xiàn)：

[1]范吉瑞.深海高壓磨料連續(xù)射流切割特性研究.2013，6.

[2]徐依吉.超高壓水射流理論與應(yīng)用基礎(chǔ)研究.2004，6.

[3]H .H阿格羅斯金.水力學(xué)上冊(cè).石油工業(yè)出版社，1964.

[4]湯積仁.基于人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)的磨料水射流切割模型研究.2010，5.

[5]孫德清，汪志明，于軍泉等.高壓水射流破巖規(guī)律的數(shù)值模擬研究[J].巖土力學(xué)，2005，26（6）：978～982.

[6]丁圣銀.高壓磨料水射流切割噴嘴流場(chǎng)分析及結(jié)構(gòu)參數(shù)優(yōu)化研究.2006，12，14.

[7] Akkurt A， Kulekci M K， Seker U， et al. Efect of feed rate on surface roughness in abrasive watejet cutting applications[J]. Journal of Materials Processing Technology，2004， （147）： 389～396.

[8] http：//chinaweld.com.cn/onews.asp？id=256.2015，1，1.

[9] 劉會(huì)霞， 丁圣銀， 王霄等. 水射流切割模型及其性能分析[J]. 農(nóng)業(yè)機(jī)械學(xué)報(bào)， 2006， 37（11）： 122～124.

[10]廖華林，李根生，牛繼磊.淹沒條件下超高壓水射流破巖影響因素與機(jī)制分析.巖石力學(xué)與工程學(xué)報(bào).2008，6.第6期.