感器依次连接于宽频高速采集系统、计算机；如图1所示；本实施例中磨料水射流喷嘴8以自振脉冲磨料水射流喷嘴为例，主要由上游喷嘴81、振荡腔82和下游喷嘴83组成，其喷嘴结构如图2所示；本实施例中传感器9为压电测力传感器；采用矿井用轻型乳化液移动泵站I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8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4产生高压水，分两股进入磨料罐7，一股进入磨料罐上部，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，经高压管件进入自激振荡脉冲式磨料水射流喷嘴8，经上游喷嘴81后在振荡腔室82内产生脉冲振荡后自下游喷嘴83喷出形成脉冲磨料水射流，利用自振脉冲射流在不同靶距、不同压力情况下冲击测力传感器，通过高速采集系统10采集测力传感器9经转换后的电压信号，经计算机11换算后即可得出不同情况下射流的冲击力曲线。
[0032]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。
[0033]磨料水射流喷嘴形成水射流的工作机理:高压水流经上游喷嘴81后形成射流束，上游喷嘴81的几何形状、尺寸以及加工精度都会直接影响射流束的流动特性；射流束随后进入振荡82，振荡腔82根据长度、直径等尺寸对频率进行选择，形成反馈路径；剪切层放大的扰动尖峰到达下游碰撞壁并发生碰撞，由于此处射流的局部横截面积大于下游喷嘴83出口的横截面积，受速度影响发生压力瞬变，压力瞬变以声速α沿射流轴心向上游反射，到达上游喷嘴81处又再次产生压力瞬变，形成强大扰动，该扰动又随剪切层往下游运动并再次被放大，接着与下游碰撞壁发生再次碰撞，继续产生压力瞬变；这个过程不断循环重复并构成正反馈闭合回路，从而形成自激振荡，其示意图如图3所示。
[0034]由于振荡腔的对称性，为了便于分析，可以简化为图4所示部分进行分析。
[0035]本实用新型的技术方案中，实验设备和测试仪器参数如下:
[0036](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7容积16L，可更换各种磨料水射流喷嘴8 ;
[0037](2)自振脉冲磨料水射流喷嘴8:上游喷嘴81直径Cl1= 0.8mm，下游喷嘴83直径d2= 1.2mm ；
[0038](3)普通前混合磨料水射流喷嘴8:喷嘴直径d = 0.8mm ;
[0039](4)传感器9:LC0501型，量程为5KN，灵敏度为3.79pC/N ；
[0040](5)高速采集系统10:德国华伦(vallen)AMSY_6型高速采集系统；
[0041]其中自振脉冲磨料水射流喷嘴8与测力传感器9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，主要注意事项是必须保证喷头与测力传感器的中心对齐，确保射流冲击的是测力传感器9的中心位置，以减小误差。
[0042]其中，德国华伦(vallen)AMSY_6型声发射高速采集系统，由于此次选用的传感器是一种振动传感器，与声发射系统使用的传感器工作原理相同，可以利用声发射系统的传感器前置放大器对测力传感器的信号进行放大，并利用其高速的数据采集功能进行数据采集。
[0043]其中，压电式石英测力传感器主要是利用压电石英晶体的纵向压电效应来完成力向电荷信号的转换的。当沿传感器的Z轴方向施加力F，晶体将发生变形，并产生极化现象。在晶体两表面产生电荷Q，其大小相等、极性相反。电荷Q的大小与作用力F成正比。从晶体上引出电荷并经电荷放大器转换成电压信号，输出的电压值也将正比于晶体所受力F。由于声发射传感器也是采用的这种压电式原理，只是频率不同，而AMSY-6型声发射系统上的前置放大器是宽频放大器，可以对我们选用的压电式石英测力传感器的信号进行放大，而且这种前置放大器相比其它普通的电荷放大器具有更好的抗干扰和滤噪功能，放大后的电压信号经声发射高速采集系统采集。
[0044]在上述实施例中，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。
[0045]在上述实施例中，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。
[0046]在上述实施例中，优选地，磨料选用80目粒径以内的金刚砂。
[0047]在上述实施例中，选地，自振脉冲磨料水射流喷嘴8，上游喷嘴81直径0.8mm，下游喷嘴83直径1.2_。
[0048]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。
[0049]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:
[0050]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；
[0051]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；
[0052]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。
[0053]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。
[0054]以上所述仅为本实用新型的优选实施例而已，并不用于限制本实用新型，对于本领域的技术人员来说，本实用新型可以有各种更改和变化。凡在本实用新型的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本实用新型的保护范围之内。
【主权项】
1.一种前混合式水射流切割实验系统，其特征在于: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。
2.根据权利要求1所述的前混合式水射流切割实验系统，其特征在于: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。
3.根据权利要求2所述的前混合式水射流切割实验系统，其特征在于:为方便观察切割情况，选用厚12_的亚克力板作为防水罩。
4.根据权利要求3所述的前混合式水射流切割实验系统，其特征在于:利用上述实验系统进行水射流实验时，所使用的磨料选用80目粒径以内的金刚砂。
【专利摘要】本实用新型提供一种前混合式磨料水射流切割实验系统，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组成。本实用新型提供的技术方案，开发了实验室前混合式磨料水射流切割系统，为今后实验室开展相关磨料水射流实验研究提供了平台，并开展了自振脉冲磨料水射流切割实验研究，研究表明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，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，将该切割方式在矿井下安全可行。
【IPC分类】B24C5-04, B24C9-00, B24C3-02
【公开号】CN204397633
【申请号】CN201420593437
【发明人】王晖, 杨光曜
【申请人】王晖
【公开日】2015年6月17日
【申请日】2014年10月14日