高压水射流冲击刚壁压力分布规律研究.pdf
高压水射流冲击刚壁压力分布规律研究 ① 刘智谋, 毛桂庭, 柯 熠, 欧阳邓培 (长沙矿冶研究院 深海矿产资源开发利用技术国家重点实验室,湖南 长沙 410012) 摘 要 为了探讨高压纯水射流和高压磨料射流冲击刚壁时射流冲击压力的分布规律,利用建立的专用测力工作台,研究了射流 方向与刚壁成 90角时冲击压力的分布规律及靶距、系统工作压力对冲击压力的影响,并对磨料射流的强化效果进行了分析。 结果 表明射流冲击力随径向距离的增加急速降低,是一非单调递减阶梯函数,连接各阶中心冲击力值,可视其为具非单调负指数下降 规律。 在靶距不变的情况下,纯水射流和磨料射流,其中心(最高压力)位置的冲击压力和系统压力呈正相关。 关键词 高压水射流; 冲击力; 分布规律; 表面清理 中图分类号 TP606文献标识码 Adoi10.3969/ j.issn.0253-6099.2016.05.004 文章编号 0253-6099(2016)05-0013-04 Experimental Research of Impact Force Distribution on Rigid Wall by High Pressure Waterjet LIU Zhi⁃mou, MAO Gui⁃ting, KE Yi, OUYANG Deng⁃pei (State Key Laboratory of Exploration and Utilization of Deep⁃sea Mineral Resources, Changsha Research Institute of Mining & Metallurgy Co Ltd, Changsha 410012, Hunan, China) Abstract For exploring the distribution of impact force on rigid wall by pure waterjet and abrasive jet, the distribution of impact force with waterjet cutting angle at a 90 angle to the rigid wall, and effects on the impact force by the distance of nozzle from the rigid wall and water pressure available for the waterjet system were all tested with a specific force⁃ measurement table, and the intensifying effect achieved by abrasive jetting was also analyzed. It is found that impact force of waterjet decreases rapidly with the increasing of radial distance, as a non⁃monotonically decreasing step function, connecting the central position of workbench and following a non⁃monotonic negative exponential decreasing rule. With the same distance between the nozzle and rigid wall for both pure waterjet and abrasive jet, the central position (with the highest pressure) correlates positively with the system pressure. Key words high pressure waterjet; impact force; distribution; surface cleaning 带钢表面氧化铁皮的酸洗去除给环境带来严重污 染,近年来国内外发展多种无酸除鳞方法来代替酸洗 除鳞。 在带钢表面无酸除鳞的众多方法中,利用高压 水混合磨料去除带钢表面氧化铁皮(又叫高压水喷丸 除鳞) [1],由于去除效率高,无废气废水排放,被广泛 推广应用。 从前对于射流特性的研究,多集中于水刀切割、岩 石破碎、光学材料抛光等小口径喷嘴射流[2-3]。 小口 径喷嘴射流要求射流能量更好地集中,从而有利于材 料的切割去除。 对于应用基本段[4]进行表面材料去 除的大口径喷嘴射流特性,目前尚未进行充分研究。 大口径喷嘴射流能量的高度集中并不能提高对于表面 材料的清理效率,反而可能影响被清理工件的表面质 量(出现条状凹坑),其射流的压力分布理想情况为降 低射流中心位置峰值,扩大在某一能量(压力值)以上 的分布区域。 在系统压力和其他条件一致的情况下, 射流分布中,位于某个能量临界值(刚好能够产生表 面材料去处并达到工业生产所需表面质量的冲击压 力)范围越广,喷头对于表面清理的效率越高,能量利 用率亦越高。 本文研究了特定喷头下射流冲击刚壁时 材料表面冲击压力的分布规律,系统工作压力、靶距对 冲击压力的影响及磨料射流的强化效果,为高压水射 流清理系统的参数优化、评价清理性能和后续改进设 计提供依据。 ①收稿日期 2016-02-16 作者简介 刘智谋(1990- ),男,湖南长沙人,硕士研究生,主要研究方向为采矿工程和高压水射流理论。 第 36 卷第 5 期 2016 年 10 月 矿矿 冶冶 工工 程程 MINING AND METALLURGICAL ENGINEERING Vol.36 №5 October 2016 万方数据 1 高压射流冲击刚壁的流场分布 高压射流清理材料表面过程的流场按其流动特性 可分成 3 个区域自由射流区、冲击区和壁面射流区, 如图 1 所示[5]。 自由射流区内,射流受壁面的影响非 常小,因此可认为该区域的流动特性与自由射流相同。 在冲击区,射流急速改变方向,由轴向流动变为径向流 动并且存在极大的压力梯度。 该区域是引起壁面发生 弹塑性变形,甚至塑性去除、脆性去除或断裂的集中区 域。 壁面射流区的流动速度减弱,而且相对平稳,因此 一般不会发生壁面材料变形或去除[6]。 r P 7*2 D A49 41 2 *09 649 τ 图 1 高压射流冲击刚壁的流场分布 2 高压水射流试验系统 为研究高压水射流与高压磨料射流对刚壁冲击力 的分布规律,设计了高压水射流测力系统,见图 2。 PC, 02 ; 5-; A42 4 14, 414, A4, 88 .5, ; 0 , , D9 7;, 7E 4; 30 MPa 35 MPa 40 MPa 45 MPa 50 MPa 55 MPa 图 5 磨料射流强化系数对比 从图 5 可以看出,系统工作压力不大于 50 MPa、靶 距 170 mm 和系统压力大于 50 MPa、靶距 200 mm 的情 况,具有较高的强化系数。 其中系统压力 45 MPa、靶距 170 mm,系统压力 50 MPa、靶距 170 mm 和系统压力 55 MPa、靶距 200 mm 达到试验参数的最优值。 图 6 给出了在不同靶距情况下的平均强化系数随 系统工作压力的变化关系。 4MPa 0.4 0.3 0.2 0.1 0.0 3025354045505560 8/; 图 6 平均强化系数随系统工作压力的变化关系 51第 5 期刘智谋等 高压水射流冲击刚壁压力分布规律研究 万方数据 在绝大部分压力段(除40~45 MPa 范围),平均强 化系数随系统工作压力增大而增大,磨料强化效能与 系统工作压力呈正相关关系。 6 结 语 1) 建立了专用射流测力工作台,利用不同直径圆 盘承受冲击力的差值得出了纯水和磨料射流冲击刚壁 的压力分布。 磨料射流除冲击压力显著增加外,和纯 水射流具有相近的压力分布。 射流冲击力随径向距离 增加急速降低,是一非单调递减阶梯函数,可视其为具 非单调负指数下降规律,而非切割小口径喷嘴射流形 成的高斯分布规律。 2) 对系统工作压力和靶距对冲击力的影响研究 表明在靶距不变的情况下,无论纯水射流还是磨料射 流,其中心(最高压力)位置的冲击压力和系统压力呈 正相关。 纯水射流在靶距 140 mm 时,冲击压力明显 大于其他 3 个靶距(170,200 和 230 mm)的冲击压力; 而对于磨料射流,冲击压力随靶距增大,近似等速率降 低,呈负相关变化。 3) 磨料的加入对射流冲击压力有显著的强化效 果。 这是由于磨料射流为两相流冲击,其密度远大于纯 水射流的缘故。 系统压力不大于50 MPa、靶距170 mm 和系统压力大于 50 MPa、靶距 200 mm 的情况,具有较 高的强化系数。 其中系统压力 45 MPa、靶距 170 mm, 系统压力 50 MPa、靶距 170 mm 和系统压力 55 MPa、 靶距 200 mm 达到试验参数的最优值,可以认为,在这 些情况下,具有较佳的能量利用率和射流功效。 4) 在绝大部分系统工作压力区段,平均强化系数 随工作压力增大而增大,其强化效能与系统工作压力 呈正相关关系。 参考文献 [1] Kevin Voges,Alan Mueth. Eco⁃pickled surface an environmentally advantageous alternative to conventional acid pickling[J]. Iron & Steel Technology,2008,5(8)81-96. [2] 侯亚康,毛桂庭,阳 宁. 淹没磨料水射流对花岗岩的冲蚀研究 [J]. 矿冶工程, 2011,31(3)18-21. [3] 薛胜雄. 高压水射流技术及应用[M]. 北京机械工业出版社, 1995. [4] 刘新泰. 高压磨料射流切割的仿真研究[D]. 包头内蒙古科技大 学机械工程学院, 2012. [5] B Nie, H Wang, LI Lei, et al. Numerical investigation of the flow field inside and outside high⁃pressure abrasive waterjet nozzle[J]. Procedia Engineering, 2011,26(4)48-55. [6] 李兆泽. 磨料水射流抛光技术研究[D]. 长沙国防科学技术大学 研究生院, 2011. (上接第 12 页) 2) w/ r = 1,可作为集矿车设计或运行时的参考 指标。 参考文献 [1] 简 曲. 我国已开始对大洋富钴结壳资源的开发研究[J]. 矿业 研究与开发, 1999,18(1)50-56. [2] 曹 颖. 加速国际海底区域资源开发产业化的战略思考[J]. 海 洋开发, 2003(1)57-60. [3] 何清华,李爱强,邹湘伏. 大洋富钴结壳调查进展及开采技术[J]. 金属矿山, 2005,43(5)4-7. [4] Yamazaki T, Park S H, Shimada S, et al. Development of Technical and Economical Examination Method for Cobalt⁃Rich Manganese Crusts[ C] ∥ Proceedings of the International Offshore and Polar Engineering Conference, 2002454-461. [5] 倪建宇,周怀阳. 中国多金属结核开辟区的深海环境[J]. 海洋地 质与第四纪地质, 2002(22)112-116. [6] 梁 平,石海林,崔 波,等. 洋底富钴结壳的开采方法[J]. 金属 矿山, 2002,14(2)53-60. [7] 国家海洋局科技公司. DY95⁃11 航次现场总结报告[R]. 中国大 洋矿产资源协会, 1999. [8] 中国大洋矿产资源勘察. DY105⁃11 航次现场总结报告[R]. 中国 大洋矿产资源研究开发协会, 2000. [9] Zheng X M, Sonal J, Sven K, et al. Multi⁃robot forest coverage[C]∥ Proceedings of the IEEE Int Conf on Intelligent Robots and Systems. Edmonton, 2005343-350. [10] Enrique G, Mauricio A, Paula A, et al. BSA A coverage algorithm [C] ∥Proceedings of the 2003 IEEE/ RSJ Int Conf on Intelligent Robots and Systems. Las Vegas, 20031679-1684. [11] Howie C. Coverage for roboticsA survey of recent results[J]. Annals of Mathematics and Artificial Intelligence, 2001, 31(124)113-126. [12] Yoav G, Elon R. Spanning⁃tree based coverage of continuous areas by a mobile robot[C]∥Proceedings of the IEEE Conf on Robotics and Automation. Seoul, 20011927-1933. [13] Dana R Y, Albert M B, Barrie B W, et al. Fine⁃scale seafloor survey in rugged deep⁃ocean terrain with an autonomous robot[C]∥ IEEE Int Conf on Robotics and Automation. San Francisco, 2000 1787-1792. [14] Ercan U A, Howie C, Alfred A R, et al. Morse decompositions for coverage tasks[J]. The Int Journal of Robotics Research, 2002,21 (4)331-344. [15] Grossberg S. Nonlinear neural networks principles, mechanism, and architectures[J]. Neural Networks, 1988(1)1749-1761. [16] Hodgkin A L, Huxley A F. A quantitative description of membrane current and its application to conduction and excitation in nerves[J]. Phys Lond, 1952,117(4)500-544. [17] Yang S X, Luo C M. A neural network approach to complete cover⁃ age path planning [ J]. Systems, Man and Cybernetics, Part B IEEE Transactions, 2004,34(1)718-724. 61矿 冶 工 程第 36 卷 万方数据