一种前混合式水射流切割实验系统的制作方法
【技术领域】
[0001]本实用新型涉及一种自激振荡前混合式磨料水射流切割实验时所使用的装置及实验室用多功能水射流切割系统。
【背景技术】
[0002]现有技术中，磨料水射流切割设备分为前混合和后混合两种:前混合式压力较低，通常为30?40MPa，结构相对简单；后混合式磨料水射流设备一般采用300?500MPa的高压力，设备体积大且笨重；而脉冲射流分为阻断式、挤压冲击式和激励式三种，其中最具发展前景的是自激振荡脉冲射流，简称自振脉冲射流，其作为脉冲磨料射流的一种，自激振荡磨料射流是基于自己振荡脉冲射流和前混合磨料射流发展起来的新型射流形式，这种射流形式集成了自激振荡射流和前混合磨料射流的优点，将连续的磨料射流转变成脉冲磨料射流，使磨料粒子进入射流中心，提高了射流的能量传输效率。
[0003]自振脉冲磨料射流作为一种新型射流虽然前景可观，但目前的对这种射流技术的使用还主要在石油行业，在煤矿领域还处于试验性研宄阶段，还没有得到应用，因此，要将该技术应用煤矿井下切割，目前还需确定其适合井下切割环境的最佳参数，如射流压力、磨粒大小、磨粒直径、脉冲频率、喷嘴直径等，这些均需要大量的实验室研宄和现场试验，总结适合矿井切割环境的自振脉冲磨粒水射流切割技术。需要一种能够进行多种前混合式水射流切割实验的试验系统，来完成这方面的实验室研宄。
【发明内容】
[0004]本实用新型的目的在于，提供一种前混合式水射流切割实验系统，能够满足实验室进行多种水射流切割实验，该系统可方便开展前混式磨料水射流、自振脉冲磨料水射流、纯水射流等多种水射流实验，且可进行切割靶距、切割次数、横移速度和系统压力分别与自振脉冲磨料水射流切割性能的关系的实验，为今后开展该领域研宄提供便利。
[0005]本实用新型提供的技术方案，前混合式水射流切割实验系统主要包括矿井用乳化液移动泵站、过滤器、高压单向阀、乳化液高压水泵、压力表、高压节流阀、高压磨料罐、磨料水射流喷嘴、传感器、宽频高速采集系统、计算机、防护罩、喷嘴移动自动控制系统和高压软管；乳化液移动泵站通过过滤器连接于乳化液高压水泵，乳化液高压水泵依次连接磨料罐、喷嘴，利用定位螺丝将磨料水射流喷嘴固定在不同尺寸的靶距位置上，且喷头与切割件垂直，放置被切割部件的加装压电石英测力传感器依次连接于宽频高速采集系统、计算机；其中磨料水射流喷嘴可以是自振脉冲磨料水射流喷嘴，也可以是普通前混合式磨料水射流喷嘴，甚至可根据实验需要更换为纯水射流喷嘴。传感器可根据不同实验需求更换测力、测温等各类传感器；采用矿井用轻型的乳化液移动泵站的目的旨在模仿矿井动力源的提供，因为矿井的复杂环境，此水射流系统动力不直接采用电动机而采用方便可靠的乳化液泵站提供的液压动力，避免电机失爆等情况引起火灾和瓦斯爆炸等矿井灾害；喷嘴移动自动控制系统是根据实验系统需要设计的，试验系统需准确得出切割速度、切割靶距等参数，因此需要精准控制喷嘴的移动，并能随时设置其移动速度和方向。前混合式水射流切割实验系统的水射流形成过程为:由高压水泵产生高压水，分两股进入磨料罐，一股进入磨料罐上部，磨料经搅拌后在静水压力和自重共同作用下进入混合腔与另一股高压水均匀混合，经高压管件进入磨料水射流喷嘴，形成高压磨料水射流，对切割物进行切割，根据不同实验需求，加装不同的传感器，通过高速采集系统采集传感器信号，经计算机换算后即可得出不同实验数据。
[0006]水切割实验由于水压高，喷头出口处磨料和水的混合物以200-300m/s的速度冲向工件，水花四溅，必须在切割装置上加装防护罩，对操作人员安全起到一定保护作用。
[0007]本实用新型的技术方案中，实验设备和测试仪器参数如下:
[0008](I)实验室用前混合式水射流切割实验系统:可提供压力范围为O?45MPa，流量5?40L/min可调，磨料罐容积16L，可更换各种磨料水射流喷嘴；
[0009](2)自振脉冲磨料水射流喷嘴:上游喷嘴直径Cl1= 0.8mm，下游喷嘴直径d2 =1.2mm ；
[0010](3)普通前混合磨料水射流喷嘴:喷嘴直径d = 0.8mm ;
[0011](4)测力传感器:LC0501型，量程为5KN，灵敏度为3.79pC/N ;测温传感器:自制铂热电阻测温传感器，PT1000铂电阻精度等级为A级:土 (0.15+0.002 111) °C。
[0012](5)高速采集系统:德国华伦(vallen)AMSY_6型高速采集系统；
[0013]其中自振脉冲磨料水射流喷嘴与测力传感器的连接固定方式:将喷头垂直固定在测力传感器的上端，利用定位螺丝按需求将喷头固定在不同尺寸的靶距位置上。
[0014]在上述技术方案中，优选地，在乳化液移动泵站上设置一种由多层泡沫配合隔音材料制成的隔音罩，对主要噪声源移动泵站进行降噪处理。
[0015]在上述技术方案中，优选地，为方便观察切割情况，选用亚克力板材料制作防护罩，根据强度和透明度需要，选用12mm厚亚克力板制作了防水罩，防水效果很好，既美观又防水。
[0016]在上述技术方案中，优选地，磨料选用80目粒径以内的金刚砂。
[0017]在上述技术方案中，优选地，自振脉冲磨料水射流喷嘴，上游喷嘴直径0.8mm，下游喷嘴直径1.2mm。其中磨料水射流喷嘴可根据实验需求更换为各种类型各种尺寸的喷嘴。
[0018]实验系统的调试采用分步逐级试压的方式进行，首先调试乳化液移动泵站的压力，检查其管路的密封性，确保提供足够压力的动力。然后依次连接高压泵、磨料罐和喷嘴，每连接一个进行一次试压，确保管路和阀组的安全可靠，整个系统联通后进行过压试验，确保整个系统在实验期间的安全可靠，同时检验安全阀是否有效，发现问题及时更换管路和零部件。
[0019]综上所述，本实用新型提供的前混合式水射流切割实验系统具有如下有益效果:
[0020]1、自主设计开发了实验室自振脉冲磨料水射流切割系统，为今后实验室开展相关水射流实验研宄提供了平台；
[0021]2、本实验系统采用矿井用乳化液泵站做动力源，便于真实模拟井下环境，利于井下危险环境的水射流项目研宄和设备开发；
[0022]3、本实验系统可以开展多种水射流实验，便于开展不同水射流特性实验，有利于水射流理论研宄。
[0023]4、通过本实验系统开展了多项有意义的实验，得出一些重要结论:(1)自振脉冲磨料水射流在相同压力条件下切割能力明显优于普通前混式磨料水射流，8mm靶距、30MPa系统压力条件下自振脉冲磨料水射流的切割性能是普通前混式磨料水射流的切割性能的2.08倍；(2)利用铂热电阻配合高速采集系统测试自振脉冲磨料水射流切割靶件过程中温度变化情况，发现长达十多分钟的切割过程，靶件最高温度为70.18°C，远小于各瓦斯浓度下的最低着火点，且切割过程中有持续的水射流存在，无明显火花产生，不具备引起瓦斯爆炸的条件，将该切割方式用于矿井下是安全可行的。
【附图说明】
[0024]图1示出了前混合式水射流切割系统主要装置示意图；
[0025]图2示出了自振脉冲磨料水射流喷头示意图；
[0026]图3示出了自激振荡机理示意图；
[0027]图4示出了剪切层波动位移示意图；
[0028]图1至图4中，附图标记与设备名称之间的对应关系为:矿井用乳化液移动泵站1，过滤器2，高压单向阀3，乳化液高压水泵4，压力表5，高压节流阀6，高压磨料罐7，磨料水射流喷嘴8，传感器9，宽频高速采集系统10，计算机11，上游喷嘴81，振荡腔82，下游喷嘴83。
【具体实施方式】
[0029]为了能够更清楚地理解本发明的上述目的、特征和优点，下面结合附图和【具体实施方式】对本发明进行进一步的详细描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本申请的实施例及实施例中的特征可以相互组合。在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本发明，但是，本实用新型还可以采用其他不同于在此描述的其他方式来实施，因此，本实用新型的保护范围并不受下面公开的具体实施例的限制。
[0030]如图1至图4所示，本实用新型提供一种前混合式水射流切割实验系统，能够满足实验室进行多种水射流切割实验，该系统可方便开展前混式磨料水射流、自振脉冲磨料水射流、纯水射流等多种水射流实验，且可进行切割靶距、切割次数、横移速度和系统压力分别与自振脉冲磨料水射流切割性能的关系的实验，为今后开展该领域研宄提供便利。
[0031]本实用新型提供的实施例，前混合式水射流切割实验系统主要包括矿井用乳化液移动泵站1、过滤器2、高压单向阀3、乳化液高压水泵4、压力表5、高压节流阀6、高压磨料罐7、磨料水射流喷嘴8、传感器9、宽频高速采集系统10、计算机11、防护罩、喷嘴移动自动控制系统和高压软管；乳化液移动泵站通过过滤器连接于乳化液高压水泵，乳化液高压水泵依次连接磨料罐、喷嘴，利用定位螺丝将磨料水射流喷嘴固定在不同尺寸的靶距位置上，且喷头与切割件垂直，放置被切割部件的加装压电石英测力传