水射流技术的研究进展和展望

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文章编号:1003 0794(2001)11 0004 03

水射流技术的研究进展和展望

杨清文

(解放军炮兵学院,安徽合肥230031)

摘要:介绍了脉冲射流、空化射流和磨料射流产生和发展,分析了国内外研究和应用现状,展望了水射流技术的发展,对进一步研究水射流技术具有一定的指导意义。

关键词:脉冲射流;空化射流;磨料射流;应用

中图号:TD421 5+9

1 引言

随着水力采矿技术的推广,人们开始对水射流技术产生了浓厚的兴趣,同时也认识到:提高水压,可显著地提高水射流的落矿效果,于是人们开始研制高压水射流发生装置(高压泵和增压器)。到了70年代,高压柱塞泵和增压器的制造技术已基本成熟,大批高压柱塞泵和增压器的问世,大大地促进了高压水射流技术的研究和发展,现在国际上已能生产450MPa的三柱塞泵和1100MPa的增压器,与此同时,高压水射流技术领域出现了令人鼓舞的新动向,器中,太空、深海和原子能工厂等是微电子机械发挥作用的地方。

(3)常规机械无法到达的狭窄空间和通道内。复杂工厂的安全检查和显微损伤外科。

(4)由于微型机械电子生产成本极其昂贵。微机械电子研究以降低成本,达到工业化大规模生产的目的。

(5)微制动器和微连接件用于组装微小机械和软性机械,适用于小型工业机器人和家用电器。7 结语

微电子机械是多学科交叉的物化,又服务于多学科,有广阔的应用前景,诸如细胞操作、精细外科手术、分布式战场传感网络、遗传基因工程、袖珍式通讯和计算设备等。因此,充分详细地了解微型机械系统的研究方向和发展状况,可以更快更好地促进微型机械的发展。可以预测,未来的21世纪微型机械电子系统的蓬勃发展必将产生新的信息革命高潮。

文献标识码:B

即从单一提高水射流的射流压力上转向研究提高水射流的总体冲击效果(如冲蚀量、射流打击能量等),从而相继出现了脉冲射流、空化射流和磨料射流等新型射流。

2 脉冲射流

脉冲射流与普通的连续水射流相比,脉冲水射流在靶物表面产生的冲击力大大超过了一般连续射流的滞止压力,从而非常显著地减小了切割比能。

(1)阻断式脉冲水射流

该种脉冲射流是用一种射流间断器将连续射流

参考文献:

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[7]温诗铸 微型机械与纳米机械学研究[J] 现代科学仪器,1998:(1

~2):24~27

作者简介:龚晓燕,女,1966年生,西安科技学院机械系讲师,西安交通大学机械学院在职博士生,参与完成省部级科研项目4项,发表论文7篇。主要研究方向:现代设计方法和先进制造技术的推广应用。

收稿日期:2001 08 17

Researchtrendsofmicroelectromechanicalsystem

GONGXiao_yan

(Xi anUniversityofScienceandTechnology,Xi an710054,China)

Abstract:TheconceptandtheintensionofMEMSareexpounded,andtheresearchdirectionanddevelopmenttrendofMEMSareparticularlyanalyzedinthepaper.Thebasisisprovidedforthoroughstudythisdomaintaskinthefuture.

Keywords:MEMS(MicroElectroMechanicalSystem);micro_nanometertechnology;micro_structure;micromechanical

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2001年第11期 煤 矿 机 械 5 隔断成一连串不连续的射流段。D Summers1975年提出了一种机械间断脉冲射流,后来,I.A.Lichtarowicz和G.Nwachukwu,F.Erdman.Jesniter等人做过类似的研究与试验。机械间断器是一个周边带孔、槽或链状导孔的旋转圆盘,周期性地切断射流。1983年M.Muzurkiewicz提出用激光束将连续射流部分蒸发、汽化,形成一段段水柱,从而将连续射流切断成脉冲射流。

(2)激励式脉冲射流

该种脉冲射流是利用流体力学和瞬变流理论,通过调整连续射流的内部结构,使射流流量发生周期性变化而产生的脉冲射流。1972年首届国际射流切割技术会议上,E.B.Wylie利用弹性管线系统使喷嘴出口处产生振荡射流。随后Danel和Guiuoud提出了一种压电发射式脉冲射流。Nebeker和Rodriguez设计了一种周期调制流量的脉冲射流。Chahine和Conn利用自振喷嘴装置产生脉冲射流,Sami和Anderson利用受激亥姆霍兹振荡器产生自激振荡脉冲射流等。

(3)挤压冲击式脉冲射流。

这种射流是利用电能、火药爆炸能、特殊化合物爆燃能和气体压缩能等作为动力源,通过一定装置在极短时间内将能量传输给工作介质而获得的脉冲射流。Cooley和Edney分别制成了自由柱塞冲击水炮,在此基础上,原苏联、美国、英国等国家的学者们相继提出了结构更为先进,压力更高的各种水炮。3 空化射流

一般认为水在高速流动中某处的局部绝对压力降到当地温度下的饱和蒸汽压时,溶在水中的空气会释出,形成许多空泡,空泡溃灭将引起巨大的水力冲击。空化射流就是用空泡溃灭引起的极大冲击力来加强其清洗和破碎能力。

自从Rayleigh对于液体中单个空泡水动力学性能完成了创造性的研究后,人们对空化现象有了全面认识。在70年代初Knapp、Raily等人对空泡的产生、发展、溃灭机理作了大量深入研究,形成了比较完整的空化理论,几乎与此同时,R.E.Kohl等人将空化作用引入到高压水射流技术领域,创造了新型空化射流。E.Johnson等人采用中心体喷嘴或转叶型喷嘴做试验,对空化产生原因作了分析。随着研究的进一步深入,人们发现在淹没状态下空化射流可得到更佳的冲蚀效果;E F Jesnitzer和A.M.Hassan等F.Conn和V E Johnson研究了各种动力参数对淹没射流的影响。日本学者Kalsuga、Yanacde报告了淹没条件下简单角形喷嘴的试验等。大大丰富了淹没条件下空化射流理论,但由于淹没射流存在靶距范围小等缺陷,严重限制它的进一步应用。Vijay和Vicker等人创立了人工淹没射流,他们利用同轴重叠喷嘴结构,使内喷嘴高压水与外喷嘴低压环形水束的界面之间构成强烈剪切现象,来显示有效的冲蚀性能和靶距扩大范围。目前空化射流理论及应用研究异常活跃,已发展到深水下淹没切割、清洗参数优化等如Yoshiaki,YOAMAUCHI等人关于淹没条件下空化切割和钻削的合适区域的研究。4 磨料射流

磨料浆体射流是预先将磨料、各种添加剂与水配制成为浆体(属于非牛顿流体),利用高压泵增压通过喷嘴而形成的。R.H.Hollinger和W D Perry等人在1989年首次公开发表关于磨料浆体射流论文,以后就有许多研究者从切割特性、流动特性等方面进行研究。磨料浆体射流具有牛顿流体不可比拟的优异的动力特性,备受研究人员关注。

磨料水射流是磨料与高速流动的水,或者与高

压水互相混合而形成的液固两相介质射流。由于在高速流动的水中混入一定数量的磨料粒子(砂类),高压水的动能部分传递给磨料,从而改变了射流对靶体的作用方式,从水射流对靶物的持续作用改变为磨料对靶体的冲击、磨削作用,高速粒子流还对靶物产生高频冲蚀,从而大大地提高了射流的品质和工作效率。

在磨料水射流研究和使用过程中,人们发现磨料的供给方式对磨料射流的工作效果影响很大。目前主要有两种供料方式,一般是利用高压水射流的引射来供给磨料,在国内,因磨料供给是在水喷嘴之后,故也常称这种磨料射流为后混合式磨料射流,在国外称为引射式磨料射流(Abrasiveentrainedwaterjet)。

由于混合室内围绕高速水流束表面的微细波面运动速度很大,且表面张力很大,其周围分散的水滴群之间频繁碰撞而形成一个密实的表面。磨料不易进入水射流的中心部分,大多数聚集在射流的外表。后混合磨料射流的主要缺点是磨料与高速流动的水不能充分混合和加速,明显地降低了水介质对磨料的能量传输效率。为了提高和水的混合效果,相继出现了如准直管磨料射流和加长混合管(或称密集管)

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6 煤 矿 机 械 2001年第11期

另一种磨料射流是将磨料与高压水预先混合后再经喷嘴喷出形成的液固两相介质射流,磨料供给主要靠水的静压力和磨料自重,常称这种系统为前混合(直接注入DIAJet)式磨料射流。

PREMAJET和DIAJET在交流中取长补短,DIAJET吸取了PREMAJET的特长,去掉了压力罐下部的引射器,简化了流态化系统,PREMAJET吸取了DIAJET的特长,去掉了机械疏砂装置,增加了局部流态化。在这种系统中,磨料罐置于高压回路之中,磨料与水在磨料罐内初步混合,使磨料处于!拟流体 (fluidize_like)的流化状态,然后在高压输送管的混合腔内流化磨料与水混合,通过后继管以悬浮态运输到喷嘴,经喷嘴加速使磨料获得更大的动能。由此可见,磨料射流由后混合式发展到前混合式,主要改善了磨料与水介质的混合机理,能量传输效率得到了显著地提高。

5 水射流切割技术应用现状

随着高科技的迅速发展,激光束、电子束、等离子体和水射流等都成为新型的切割加工方法。其中前三者都为热切割加工方法,而水射流是一种冷切割加工方法,在许多材料切割、破碎及表面预加工工艺中,水射流有其独特的工艺性。

(1)没有切割热,排除了热变质、热变形的可能性;

(2)切割材料种类齐全,俗称!万能切割 ;(3)切口平整、光洁,一般无需进行二次切割;(4)适合在一些特殊场合下加工,如易燃、易爆等危险场合;

(5)设备简单,投资少;

(6)易于实现自动控制,便于调节。

水射流加工有其独特的优点,因而其技术应得到广泛关注和普遍使用。据不完全统计,水射流可切割500种以上软硬材料,几乎包括所有应用中的材料,当今飞机制造和汽车制造都采用了水切割技术。在石油工程方面,喷射钻井技术为普及推广的新技术。在美国清洗业中,石油化工企业的热设备中80%都采用高压射流清洗。毫无疑问,当今水射流技术以其高效、耗能少、比热低、改善工作环境等优点,日益受到人们的重视。

收稿日期:2001 07 29

对一些难加工材料,如陶瓷、合金材料等,磨料射流切割具有更加强大的生命力。随着材料科学的

发展,一些高强度、高硬度材料的出现,给切割加工带来了一些困难,水射流技术,特别是前混合磨料的出现无疑给难加工材料的加工提供了一种行之有效的方法。展望水射流切割技术发展,切割设备正在由通用性走向专用性,由机械化走向智能化。在研制磨料喷水切割系统方面处于世界领先地位的Ingersoll_Rard公司,实现了机电一体化磨料水切割系统,当今世界上已经安装的机电一体化喷水切割装置有2500套以上,并且年增长率达20%。我国高压水射流技术的研究和应用,通过近几十年的发展,水射流技术研究和应用取得了许多令人瞩目的成绩。在新型射流研究方面,我国基本上处于世界前列。脉冲射流、空化射流、自激振荡脉冲射流、自激振荡空化射流、前混合磨料射流等均受到了国外的广泛关注。应用范围也得到了较快发展,在落煤、破岩、清洗矿车和金属支柱,船舶除锈,喷射钻井,水坝加高时的表面打毛,土坝的防渗,车辆转向架和火箭发动机固体推进剂清洗,飞机场跑道的除胶、除漆等得到了极为迅速的应用和推广。

我国在水射流切割技术应用领域取得了一定成绩。但产品化和商品化方面还很薄弱,特别是在磨料射流切割系统方面几乎是空白。我们应在引进消化、吸收的基础上,实行多学科、多部门联合,跟踪国外的水切割技术,研究和开发更高档次的机电一体化磨料射流切割装置。

参考文献:

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作者简介:杨清文,1967年生,副教授,1998年在重庆大学获工学博士学位。现主要从事水射流、军事装备教学和科研工作,发表有关学术论文30余篇。

Forecastandstudyevolutiononwaterjettechnology

YANGQing_wen

(ArtilleryInstituteofPLA,Hefei230031,China)

Abstract:Somejetssuchaspulsedjet,cavitatingjet,abrasivewaterjetareintroduced.Thepresentofstudyandapplicationaboutjettechnologyisanalyzed.Itisaleadtofurtherstudyjettechnology.

本文来源：https://www.bwwdw.com/article/yxci.html