本发明属于水射流技术领域，尤其涉及一种高围压水射流试验装置。
背景技术：
高压水射流在近几十年飞速发展，相对其他技术手段，其具有能量集中、无热效应、易于控制等优点，在机械加工、石油、化工、冶金等领域得到广泛应用。目前，水射流辅助钻进已成为化石能源开采领域的常规技术手段之一，钻头前端的高压水流能对岩石进行预破碎，提高钻头的钻进效率，同时，水流能对钻头进行清洗、润滑、冷却，避免产生火花，大大提高了钻采过程的安全性能。
随着化石能源开采逐渐转向深部，开采深度达到数千米，高压射流所面临的环境压力也逐渐升高，钻头深入的地下环境复杂，难以测得准确的现场数据，需要一套室内高围压水射流实验系统，为深部开采过程的水射流性能做出预测，得到高围压下水射流流场特性，实现对岩样的冲蚀性能、动态参数测量等。
技术实现要素：
本发明所要解决的技术问题是，提供一种高围压水射流试验装置，可以为水射流试验提供稳定的围压，进行多次冲击试验并测量瞬时冲击压力，旨在为水射流试验提供一种定性观测和定量检测的装置，实现高围压下水射流流动特性研究、冲蚀性能分析、动态参数监测等，提高试验效率。
本发明解决其技术问题所采用的技术方案是：提供一种高围压水射流试验装置，包括筒体、后盖、机架、设在机架前端两侧的导轨、通过滚轮设在导轨上方能沿导轨移动的前盖、工件替换机构、能够带动工件替换机构中的工件夹持装置前后移动的靶距调节机构、冲击压力测试装置、泄水箱、以及柱塞泵和水阀；工件替换机构包括工件夹持装置、大锥齿轮、大锥齿轮轴、小锥齿轮、第一小锥齿轮轴、第二小锥齿轮轴、后盖密封装置、带刻度旋转手轮、转轴抱紧装置，大锥齿轮和小锥齿轮相互啮合，第一小锥齿轮轴通过轴承座安装在筒体上，第一小锥齿轮轴末端截面为方形，第二小锥齿轮轴前端设有一段与第一小锥齿轮轴配合的内方形键槽，第二小锥齿轮轴末端与带刻度旋转手轮相连，转轴抱紧装置对工件夹持装置进行限位；前盖上设有主喷嘴和若干辅喷嘴。柱塞泵分别通过管道与主喷嘴和辅喷嘴连接，管道上分别设置水阀。泄水箱与筒体下部之间设有一背压阀。
按上述技术方案，工件夹持装置包括固定架和夹盖，固定架与大锥齿轮轴通过平键连接，夹盖上安装工件且可以绕大锥齿轮轴旋转。
按上述技术方案，后盖密封装置包括o型密封圈，设置在第二小锥齿轮轴处，还包括4对填料密封环、压盖，第二小锥齿轮轴通过轴肩轴向定位，压盖将4对填料密封环压紧，并通过螺钉安装于后盖上。
按上述技术方案，靶距调节机构包括底板、支撑架、固定座、滑动导轨、螺杆、行星减速器、潜水步进电机，滑动导轨两端通过螺栓和螺母与支撑架轴向定位，螺杆通过两端螺纹与固定座连接，行星减速器输出轴通过梅花联轴器与螺杆连接，潜水步进电机与行星减速器连接，支撑架设置在底板上。
按上述技术方案，通过潜水步进电机驱动，靶距调节机构使工件与主喷嘴间的距离在10～400mm范围内连续调节。
按上述技术方案，前盖边缘处沿周向开有16个圆型通孔，通过螺钉与筒体连接，前盖与下部支撑板之间有肋板加固，前盖下方设有移动机构，移动机构包括依次连接的滚轮、滚轮轴、圆柱滚子轴承、垫片、螺母和壳体；辅喷嘴沿前盖的周向均匀设置，数量为4个。
按上述技术方案，4个辅喷嘴的水管上均设有水阀，可根据试验需要提供不高于10mpa的围压。
按上述技术方案，筒体上方和两侧开有透明窗口，有机玻璃通过压盖安装在透明窗口上，筒体下部通过卡套设有一背压阀，筒体下部通过支撑块设置在机架上。
按上述技术方案，冲击压力测试装置包括压力传感器、传感器接头、传感器固定架，压力传感器前部通过螺纹与焊接在传感器固定架上的传感器接头连接。
按上述技术方案，导轨为h型钢导轨，夹盖的数量是4个。
本发明产生的有益效果是：1.可以提供更稳定的围压，工件夹持装置可以一次安装多个工件，装置调整好以后可以进行多个工况的试验，有效地提高试验效率。
2.当第一小锥齿轮轴位置不同时可以传递扭矩，避免了第二小锥齿轮轴的移动，增加了后盖密封的可靠性，并且使用方形键进行导向和传递扭矩的加工成本较低。
3.为水射流试验提供一种定性观测和定量检测的装置，提高试验效率。
4.带有转轴抱紧装置，在进行试验过程中可限制工件夹持装置旋转。
附图说明
下面将结合附图及实施例对本发明作进一步说明，附图中：
图1是本发明实施例高围压水射流试验装置的结构示意图；
图2本发明实施例中机架的结构示意图；
图3本发明实施例中筒体的结构示意图；
图4本发明实施例中前盖的剖视图；
图5本发明实施例中移动机构的剖面图；
图6本发明实施例中工件替换机构的剖面图；
图7本发明实施例中第一小锥齿轮轴的结构示意图；
图8本发明实施例中第二小锥齿轮轴的结构示意图；
图9本发明实施例中固定架的剖面图；
图10本发明实施例中后盖密封装置的剖面图；
图11本发明实施例中靶距调节机构的结构示意图。
具体实施方式
为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。
本发明实施例中，如图1-图2所示，提供一种高围压水射流试验装置，包括筒体1、后盖2、机架3、设在机架前端两侧的h型钢导轨4、通过滚轮设在h型钢导轨上方能沿导轨移动的前盖5、工件替换机构、能够带动工件夹持机构前后移动的靶距调节机构、冲击压力测试装置、泄水箱6、以及压力表7、主喷嘴水阀8和辅喷嘴水阀9。
如图3所示，在本实施例中，筒体上方和两侧开有透明窗口10，有机玻璃11通过压盖12安装在透明窗口上，筒体下部通过卡套13设有一背压阀14，筒体下部通过支撑块15设置在机架上。
如图1、图4和图5所示，在本实施例中，前盖上设有主喷孔16和4个辅喷嘴17，前盖沿圆周开有16个圆型通孔51，通过螺钉与筒体连接，前盖与下部支撑板18之间有肋板19加固，前盖下方设有移动机构，移动机构包括依次连接的滚轮20、滚轮轴21、圆柱滚子轴承22、垫片23、螺母24和滚轮壳体25。移动机构可以降低大重量前盖装卸时的危险，且可以更便捷地移动前盖，导轨两端设有挡板可以防止前盖滑落，h型钢和滚轮壳体上设有锁紧扣50，在更换工件时可以将前盖锁住。
如图6-图9所示，在本实施例中，工件替换机构包括工件夹持装置、大锥齿轮27、大锥齿轮轴28、小锥齿轮29、第一小锥齿轮轴30、第二小锥齿轮轴31、后盖密封装置、带刻度旋转手轮32、转轴抱紧装置33，大锥齿轮和小锥齿轮相互啮合，第一小锥齿轮轴通过轴承座34安装在筒体上，第一小锥齿轮轴末端截面为方形，第二小锥齿轮轴前端设有一段与第一小锥齿轮轴配合的内方形键槽，当第一小锥齿轮轴随靶距调节机构移动时，方形键连接仍可以实现工件的旋转，且方形键加工成本低。第二小锥齿轮轴末端与带刻度旋转手轮相连，通过设计计算，每次在更换工件时仅需要将手轮旋转到指定刻度线位置。
如图9所示，在本实施例中，工件夹持装置包括固定架26和夹盖35，固定架与大锥齿轮轴通过平键连接，夹盖上安装工件且可以绕大锥齿轮轴旋转。当完成一个工况的试验以后，可以直接在腔室外部更换试验工件，调整装置参数后进行下一个工况的试验，避免试验装置的拆装，可以有效的提高试验效率。夹盖的数量是4个。
如图10所示，在本实施例中，后盖密封装置包括o型密封圈36、4对填料密封环37、压盖38，第二小锥齿轮轴通过轴肩轴向定位，压盖将4对填料密封环压紧，并通过螺钉52安装于后盖上。
如图11所示，在本实施例中，靶距调节机构包括底板39、支撑架40、固定座41、滑动导轨42、螺杆43、行星减速器44、潜水步进电机45，滑动导轨两端通过螺栓和螺母与固定座轴向定位，螺杆通过两端螺纹与支撑架连接，行星减速器输出轴通过梅花联轴器46与螺杆连接。
在本实施例中，通过潜水步进电机驱动来调节靶距，且由于步进电机在调节距离上高精读的特点，可在腔室外通过控制电机驱动器实现对靶距的准确调节。
如图1所示，在本实施例中，4个辅喷嘴的水管上均设有水阀，可根据试验需要提供不高于10mpa的围压，且由此产生的围压更稳定。
如图1和图11所示，在本实施例中，冲击压力测试装置包括压力传感器47、传感器接头48、传感器固定架49，压力传感器前部通过螺纹与焊接在传感器固定架上的传感器接头连接。
进行试验时，安装射流喷嘴到主喷孔16上，打开锁紧扣50将前盖沿导轨移动至筒体前端，在16个圆形通孔51中拧入螺钉；旋转带刻度旋转手轮到指定刻度以调整冲击面与射流的夹角，拧紧转轴抱紧装置；启动潜水步进电机45调节到试验所需的靶距后关闭潜水步进电机；调整背压阀14的溢流值以改变试验围压，启动柱塞泵7并打开4个辅喷嘴水阀9向筒体内充水直到压力表53读数达到所需围压，打开主喷嘴水阀8进行第一次试验，实验过程中可通过压力传感器47测量瞬时冲击压力并由计算机记录，可通过筒体上方和两侧的透明窗口10对实验现象进行观测或拍摄；试验结束后，打开背压阀14卸压并将筒体内的水释放到泄水箱6中，拧开16个圆形通孔51中的螺钉，将前盖沿导轨从筒体前端移开一段距离后关闭锁紧扣50，再将主喷嘴从主喷孔16上卸下。
进行试验时，启动潜水步进电机45将工件夹持装置移动至筒体前端，停止潜水步进电机后分别在4个夹盖35上依次安装4个工件，然后拧紧转轴抱紧装置33以限制工件旋转；启动潜水步进电机45将工件夹持装置移动至筒体内之后关闭潜水步进电机45；安装射流喷嘴到主喷孔16上，打开锁紧扣50将前盖沿导轨移动至筒体前端，在16个圆形通孔51中拧入螺钉；启动潜水步进电机45调节到试验所需的靶距后关闭潜水步进电机；调整背压阀14的溢流值以改变试验围压，启动柱塞泵7并打开4个辅喷嘴水阀9向筒体内充水直到压力表53读数达到所需围压，打开主喷嘴水阀8进行第一次试验，实验过程中可通过压力传感器47测量瞬时冲击压力并由计算机记录，可通过筒体上方和两侧的透明窗口10对实验现象进行观测或拍摄；第一次试验结束后，转动带刻度旋转手轮32到相应刻度使工件夹持装置旋转90度以更换测试工件，之后拧紧转轴抱紧装置33以限制工件夹持装置旋转，启动潜水步进电机45改变靶距到第二次试验所需值，调整背压阀14的溢流值以改变试验围压，打开主喷嘴水阀9进行第二次试验，以此类推直到4次试验完成；试验结束后，打开背压阀14卸压并将筒体内的水释放到泄水箱6中，拧开16个圆形通孔51中的螺钉，将前盖沿导轨从筒体前端移开一段距离后关闭锁紧扣50，再将主喷嘴从主喷孔16上卸下，启动潜水步进电机45将工件夹持装置移动至筒体前端，松开转轴抱紧装置33，依次将4个测试工件从夹盖35上卸下。
应当理解的是，对本领域普通技术人员来说，可以根据上述说明加以改进或变换，而所有这些改进和变换都应属于本发明所附权利要求的保护范围。