可调超高压射流压力测量实验装置的制作方法

本发明涉及一种可调超高压射流压力测量装置。

背景技术：

近年来疏浚工程及海洋工程正在高速发展，人类由探索陆地开发陆地资源转向了对海洋资源的利用与开发。在开发海洋和建设海洋的过程中，经常遇到弱岩或硬质土等地基。该类型的地基采用传统的耙吸挖泥船作业时，往往效率低下，不易被挖掘。

在疏浚工程中，硬质土属于难以开挖的土体类型，对耙头切削效率要求极高。其中，耙齿阻力大小与耙头配有高压冲水的破土能力有直接相关的作用。目前国内耙吸船普遍使用的高压射流压力仅1-2mpa(10kg)，适用于疏松土质，当遇到较小渗透系数的粘性土、硬质土、板结土等情况时，由于土质的抗剪切强度高，高压射流的作用显著减小，导致耙齿的切削深度不足和阻力增加，疏浚效率低下。

不同压力的超高压射流可以给耙齿切削提供足够的切削压力，对耙齿切削硬质土时进行提前预切割作用，可以大大提高耙齿切削效率。研究表明，当高压射流压力提高到10mpa甚至100mpa以上时，可以成为超高压射流，可应用于煤炭开采、石油钻井、大理石切割、金属切削等领域。国际大型疏浚公司也有应用38mpa高压射流辅助耙吸挖泥船疏浚硬粘土和岩石的先例，并创造了很好的效益。

在海洋工程中，随着人类向海洋进军，对海洋的开发与挖掘对挖掘设备的要求也越来越高，因此对超高压射流进行研究，本发明可以提供一种可调压力的超高压射测量方法及装置，可用于测量研究移动及静止超高压射流的特性，基于此可以开发与研制先进的耙头和耙齿，在疏浚研究领域具有广阔的前景。同时，可调超高压射流设备的研制，还可以为硬质土切削试验提供前提和基础，为后续开展超高压射流设备切削硬质土机理研究提供可靠的超高压来源。

综上所述，该压力可调的超高压射流测量实验装置能够为疏浚工程中高压射流特性及射流切削硬质土的机理研究提供试验基础和前提，可以在实验室内完成相关的试验分析及研究，为硬质土的挖掘与疏浚提供理论基础与技术支撑，在疏浚研究领域和海洋开发领域中具有广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明适用于超高压射流，一般指工作压力在10mpa以上的高压冲水。超高压射流其主要作用是切割，适用于硬质土、风化岩等施工环境，硬质岩土在水射流作用下的破坏和破碎形式非常复杂。本领域本发明首次开创性的设计出一套可调超高压射流压力测量实验装置，用于开展超高压射流设备切削硬质土机理研究，提供可靠的数据来源，为超高压切削硬质土试验提供前提和基础。

本发明技术方案：

一种可调超高压射流压力测量实验装置，其特征在于，包括后方的可调超高压射流装置和前方的超高压淹没水射流压力测试装置，两者通过超高压管路连接，

所述可调超高压射流装置，包括电器控制箱101、电动机103、联轴器104、高压柱塞泵105、进口安全阀106、进水装置107、过滤器108、排污口109、数显压力表110、出水管路111、若干出水电磁阀12、喷杆喷嘴7，其中:

所述的电气控制箱101通过连接线分别与所述的变频器、电机103、高压柱塞泵105、进口安全阀106、出水电磁阀12连接；

所述电动机103通过联轴器104用于驱动高压柱塞泵105，电动机103的正反转及转速决定驱动高压柱塞泵105的往复直线位移及输出的水压大小；

所述驱动高压柱塞泵105包括柱塞和缸体，缸体由柱塞分成上下两部分，缸体上部的入口与所述进水装置107连接，两者之间设有进口安全阀106用于控制进水的通断；所述缸体下部与所述排污口109连接，两者之间设有过滤器108用于过滤进水中的污物并通过排污口109排出；

所述缸体下部的底部出口通过出水管路111将柱塞泵产生的超高压水传输到各个喷杆喷嘴7，出水管路111的总管路上设有数显压力表110用于观察出水管路内的压力，出水管路111的若干支线上各设有出水电磁阀12用于控制与之连接各个喷杆喷嘴7的通断；

电气控制箱101内包括变频器和控制柜电路系统，电源输入端与电机之间设有变频器；

所述控制柜电路系统包括电源总开关qf2、急停开关sb1、开关ta1、风机控制电路14，还包括若干支路，分别为：电源指示灯电路、柱塞泵控制电路16、变频器信号电路17、第一出水电磁阀控制电路18、第二出水电磁阀控制电路19、第三出水电磁阀控制电路20，

所述各支路之间分别在节点x、节点y处形成并联关系；

所述风机控制电路14的一端与节点y连接，其另一端依次通过串接的开关ta1、急停开关sb1后再连接至节点x；

所述电源总开关qf2临接电源侧输入端，为整个控制柜电路系统的总开关；

所述急停开关sb1、开关ta1之间串接，该两个开关同时控制着所述各支路的通断；

所述柱塞泵控制电路16控制柱塞泵设备的启停，包括电源开关sb2、电源开关sb3、两个开关ka1、指示灯、压载式传感器开关sp，所述两个开关ka1根据位置关系分别命名为上开关ka1、下开关ka1，所述电源开关sb2、电源开关sb3、下开关ka1、压载式传感器开关sp依次串接，所述电源开关sb2、电源开关sb3之间通过节点a连接，所述下开关ka1与压载式传感器开关sp之间通过节点b连接，所述上开关ka1、指示灯之间经过节点c串接。

所述第一出水电磁阀控制电路18控制第一出水电磁阀的启停，包括电源开关sb4、电源开关sb5、两个开关ka2、指示灯，所述两个开关ka1根据位置关系分别命名为上开关ka2、下开关ka2，所述电源开关sb4、电源开关sb5、下开关ka2依次串接，所述电源开关sb4、电源开关sb5、下开关ka2依次通过节点a1、节点b1连接，所述上开关ka2、指示灯之间经过节点c1串接。

所述第二出水电磁阀控制电路19控制第二出水电磁阀的启停，包括电源开关sb6、电源开关sb7、两个开关ka3、指示灯，所述两个开关ka3根据位置关系分别命名为上开关ka3、下开关ka3，所述电源开关sb6、电源开关sb7、下开关ka3依次串接，所述电源开关sb6、电源开关sb7、下开关ka3依次通过节点a2、节点b2连接，所述上开关ka3、指示灯之间经过节点c2串接。

所述第三出水电磁阀控制电路20控制第三出水电磁阀的启停，包括电源开关sb8、电源开关sb9、两个开关ka4、指示灯，所述两个开关ka4根据位置关系分别命名为上开关ka4、下开关ka4，所述电源开关sb8、电源开关sb9、下开关ka4依次串接，所述电源开关sb8、电源开关sb9、下开关ka4依次通过节点a3、节点b3连接，所述上开关ka4、指示灯之间经过节点c3串接。

所述的超高压淹没水射流压力测试装置，主要包括超高压射流系统、压力传感器8、测试板9、水槽3、数据传输线5、数据采集设备11五部分，其中：

所述超高压射流系统，主要包括射流控制装置、超高压管路1和射流喷嘴7，射流压力可以通过射流装置控制，高压管路1输出口连接射流喷嘴7。超高压管路1是高压流体输送的重要构件，射流喷嘴7是超高压高速液体射流的重要元件，是本发明压力测量装置的被测对象，通过射流控制装置可以提供不同压力的淹没水射流。

所述压力传感器8，接受所述射流喷嘴7不同状态下的射流压力并采集相应的数字信号。压力传感器元器件本身为现有技术：采用不锈钢单件、一体式加工而成，传感器无o型圈、无焊缝、无硅油或其他有机物，耐冲击，稳定性高，其芯体采用的是俄罗斯原装进口蓝宝石芯体，稳定性及精度都较高。

所述测试板9是支撑平板，用来固定所述压力传感器8；测试板9采用4根高度可调的螺杆10来支撑，调整不同螺杆10的高度用来确定支撑平板的不同倾斜角度状态，从而系统可以测量传感器8相对于所述射流喷嘴7在不同角度时的压力变化。

所述的水槽3，为一上部开口、由玻璃和预制钢结构组成的容器，水槽3上方有平行的导轨2，水槽3水平截面为一矩形，底部安装螺杆10，水槽3通过水泵加水形成水位液面6，调整水位的高低调节传感器8与水位液面6的距离，从而系统可以测量传感器8相对于水位液面6在不同深浅度时的压力变化。

所述移动支架模块4，位于水槽3的导轨2上；所述移动支架模块4连接有射流喷嘴7，带动射流喷嘴7实现纵向、横向以及垂向的移动，以及不同速度的移动，从而系统可以测量传感器8相对于射流喷嘴7在不同运动范围以及不同速度下的压力变化特性。

所述移动支架模块4结构设计为：包括纵向运动组件41、横向运动组件42、垂直运动组件43及控制模块；

所述纵向运动组件41以水槽3的两条矩形顶部的长边a为轨道，通过轮系放置于水槽轨道2上，轮系内的轮子411其传动轴(图中未示意)上连接有驱动电机(图中未示意)；

所述横向运动组件42以纵向运动组件41中的杆件412为轨道，所述杆件412轨道跨于水槽3的宽边b内；横向运动组件42通过轮系421置于杆件412轨道上，轮系内的轮子421其传动轴(图中未示意)上连接驱动电机(图中未示意)；

所述垂直运动组件43，包括伺服电机(图中未示意)、螺杆431和螺母432，所述伺服电机输出轴与所述螺杆431连接，所述螺母432的内螺纹与所述螺杆431的外螺纹连接；所述螺母432固定于所述横向运动组件42上，螺杆431在螺母432内保持竖直状态；通过伺服电机驱动可实现螺杆431在螺母432内在轴线方向执行运动位移，从而系统可以测量传感器8相距射流喷嘴7在不同距离时的压力变化。

所述控制模块固定于移动支架模块4上，包括wifi模块，wifi模块与外部的控制系统连接；所述步进电机和伺服电机都设有ap热点，各ap热点与wifi模块连接；由此，上述各组件机构的运动控制均可以通过wifi模块13实现。

所述数据传输线5用于连接传感器8连接和数据采集设备11，所述数据采设备11用来采集和记录不同工况时的压力数据。数据采集设备11包含数据采集卡和采集电脑两部分，通过数据采集卡将压力传感器数据采集记录到电脑中，根据压力传感器标定数据计算实际测得的压力数据。

本发明通过电动机给柱塞泵提供能量，从而提供超高压流体。高压柱塞泵是陶瓷柱塞泵，是产生高压水源的设备。排污口是将过滤系统过滤出的杂质排除的出水口。喷杆和喷嘴，为现有技术，喷杆是连接超高压管路和喷嘴的重要设备，而喷嘴是产生高速液体的重要元件，是超高压射流装置的组成部分。进水装置，用来给柱塞泵提供水源，由进水管和进水过滤系统组成，进水管可以直接与清洁水源相连接，进水过滤系统具有两级过滤功能，一是防止杂质进入柱塞泵，对高精度的柱塞泵造成损坏，二是防止杂质进入出水管后，造成超高压射流喷嘴的堵塞。电气控制箱由控制按钮和变频设备组成。变频器调节按钮可以调节电机转速，调节各路出水压力。整个超高压射流装置的总控制系统在电气控制箱上，当接通电源后，通过调节变频器调节按钮改变电机转速，从而调节各路出水压力。电气控制箱上具有急停操作按钮，以防止误操作可紧急停止。电气控制箱操作面板上，还具有各支路超高压管路的调节开关，可以分别对支路进行调节，从而可以控制单一出口或者不同组合出口时的超高压射流。本发明实施后，能够准确测量超高压淹没水射流特性，深入了解水射流的影响及作用范围，从而为后续设计超高压冲水耙齿时提供理论支撑，还可以为后期研究超高压射流切削硬质土机理等相关试验提供支持。本发明中的超高压淹没水射流流压力测量装置，通过该装置可以测量不同超高压水下射流时的射流压力及影响范围。通过测量淹没水射流压力变化，可给出超高压冲水在水下的影响区域，给超高压射流切削硬质土机理的研究提供前期保障，为超高压切削硬质土试验提供前提和基础，为后续开展超高压射流设备切削硬质土机理研究提供可靠的数据来源。

附图说明

图1为本发明超高压水射流装置的示意图。

图2为电气控制箱的电路示意图。

图3为本发明超高压淹没水射流测量装置示意图。

图4为移动支架模块示意图。

图中数字标记：

电器控制箱101，连接线102，电动机103，联轴器104，高压柱塞泵105，进口安全阀106，进水装置107，过滤器108，排污口109，数显压力表110，出水管路111，

出水电磁阀12，喷杆喷嘴7，风机控制电路14，电源指示灯15，高压柱塞泵启停16，第一出水电磁阀控制电路18、第二出水电磁阀控制电路19、第三出水电磁阀控制电路20，

高压管路1，水槽导轨2，水槽3，移动支架模块4，数据传输线5，水槽水位6，超高压射流喷嘴7，传感器8，测试板9，可调螺杆10，数据采集设备11。

纵向运动组件41，纵向运动轮411，纵向运动杆件412，横向运动组件42，横向运动轮421，垂直运动组件43，螺杆431，螺母432。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步说明。

本发明测量实验装置中的可调超高压射流装置，如图1所示，包括电器控制箱101、电动机103、联轴器104、高压柱塞泵105、进口安全阀106、进水装置107、过滤器108、排污口109、数显压力表110、出水管路111、若干出水电磁阀12、喷杆喷嘴7，其中:

所述的电气控制箱101是整个装置的控制中心，所述的电气控制箱101通过连接线分别与所述的变频器、电机103、高压柱塞泵105、进口安全阀106、出水电磁阀12连接；

所述电动机103通过联轴器104用于驱动高压柱塞泵105，电动机103的正反转及转速决定驱动高压柱塞泵105的往复直线位移及输出的水压大小；

所述驱动高压柱塞泵105包括柱塞和缸体，缸体由柱塞分成上下两部分，缸体上部的入口与所述进水装置107连接，两者之间设有进口安全阀106用于控制进水的通断；所述缸体下部与所述排污口109连接，两者之间设有过滤器108用于过滤进水中的污物并通过排污口109排出；

所述缸体下部的底部出口通过出水管路111将柱塞泵产生的超高压水传输到各个喷杆喷嘴7，出水管路111的总管路上设有数显压力表110用于观察出水管路内的压力，出水管路111的若干支线上各设有出水电磁阀12用于控制与之连接各个喷杆喷嘴7的通断。

电气控制箱101内包括变频器和控制柜电路系统(图2)，电源输入端与电机之间设有变频器，所述变频器用于控制电机的转速，从而调控喷嘴出水压力的变化。

所述控制柜电路系统包括电源总开关qf2、急停开关sb1、开关ta1、风机控制电路14，还包括若干支路，分别为：电源指示灯电路、柱塞泵控制电路16、变频器信号电路17、第一出水电磁阀控制电路18、第二出水电磁阀控制电路19、第三出水电磁阀控制电路20，

所述各支路之间分别在节点x、节点y处形成并联关系；

所述风机控制电路14的一端与节点y连接，其另一端依次通过串接的开关ta1、急停开关sb1后再连接至节点x；

所述电源总开关qf2临接电源侧输入端，为整个控制柜电路系统的总开关；

所述急停开关sb1、开关ta1之间串接，该两个开关同时控制着所述各支路的通断；

所述柱塞泵控制电路16控制柱塞泵设备的启停，包括电源开关sb2、电源开关sb3、两个开关ka1、指示灯、压载式传感器开关sp，所述两个开关ka1根据位置关系分别命名为上开关ka1、下开关ka1，所述电源开关sb2、电源开关sb3、下开关ka1、压载式传感器开关sp依次串接，所述电源开关sb2、电源开关sb3之间通过节点a连接，所述下开关ka1与压载式传感器开关sp之间通过节点b连接，所述上开关ka1、指示灯之间经过节点c串接。

所述第一出水电磁阀控制电路18控制第一出水电磁阀的启停，包括电源开关sb4、电源开关sb5、两个开关ka2、指示灯，所述两个开关ka1根据位置关系分别命名为上开关ka2、下开关ka2，所述电源开关sb4、电源开关sb5、下开关ka2依次串接，所述电源开关sb4、电源开关sb5、下开关ka2依次通过节点a1、节点b1连接，所述上开关ka2、指示灯之间经过节点c1串接。

所述第二出水电磁阀控制电路19控制第二出水电磁阀的启停，包括电源开关sb6、电源开关sb7、两个开关ka3、指示灯，所述两个开关ka3根据位置关系分别命名为上开关ka3、下开关ka3，所述电源开关sb6、电源开关sb7、下开关ka3依次串接，所述电源开关sb6、电源开关sb7、下开关ka3依次通过节点a2、节点b2连接，所述上开关ka3、指示灯之间经过节点c2串接。

所述第三出水电磁阀控制电路20控制第三出水电磁阀的启停，包括电源开关sb8、电源开关sb9、两个开关ka4、指示灯，所述两个开关ka4根据位置关系分别命名为上开关ka4、下开关ka4，所述电源开关sb8、电源开关sb9、下开关ka4依次串接，所述电源开关sb8、电源开关sb9、下开关ka4依次通过节点a3、节点b3连接，所述上开关ka4、指示灯之间经过节点c3串接。

本发明测量实验装置中的中的超高压淹没水射流压力测试装置，如图3、图4所示，主要包括超高压射流系统、压力传感器8、测试板9、水槽3、数据传输线5、数据采集设备11五部分，其中：

所述超高压射流系统，主要包括射流控制装置、超高压管路1和射流喷嘴7，射流压力可以通过射流装置控制，高压管路1输出口连接射流喷嘴7。超高压管路1是高压流体输送的重要构件，射流喷嘴7是超高压高速液体射流的重要元件，是本发明压力测量装置的被测对象，通过射流控制装置可以提供不同压力的淹没水射流。

所述压力传感器8，接受所述射流喷嘴7不同状态下的射流压力并采集相应的数字信号。压力传感器元器件本身为现有技术：采用不锈钢单件、一体式加工而成，传感器无o型圈、无焊缝、无硅油或其他有机物，耐冲击，稳定性高，其芯体采用的是俄罗斯原装进口蓝宝石芯体，稳定性及精度都较高。

所述测试板9是支撑平板，用来固定所述压力传感器8；测试板9采用4根高度可调的螺杆10来支撑，调整不同螺杆10的高度用来确定支撑平板的不同倾斜角度状态，从而系统可以测量传感器8相对于所述射流喷嘴7在不同角度时的压力变化。

所述的水槽3，为一上部开口、由玻璃和预制钢结构组成的容器，水槽3上方有平行的导轨2，水槽3水平截面为一矩形，底部安装螺杆10，水槽3通过水泵加水形成水位液面6，调整水位的高低调节传感器8与水位液面6的距离，从而系统可以测量传感器8相对于水位液面6在不同深浅度时的压力变化。

所述移动支架模块4，位于水槽3的导轨2上；所述移动支架模块4连接有射流喷嘴7，带动射流喷嘴7实现纵向、横向以及垂向的移动，以及不同速度的移动，从而系统可以测量传感器8相对于射流喷嘴7在不同运动范围以及不同速度下的压力变化特性。

所述移动支架模块4结构设计为：包括纵向运动组件41、横向运动组件42、垂直运动组件43及控制模块；

所述纵向运动组件41以水槽3的两条矩形顶部的长边a为轨道，通过轮系放置于水槽轨道2上，轮系内的轮子411其传动轴(图中未示意)上连接有驱动电机(图中未示意)；

所述横向运动组件42以纵向运动组件41中的杆件412为轨道，所述杆件412轨道跨于水槽3的宽边b内；横向运动组件42通过轮系421置于杆件412轨道上，轮系内的轮子421其传动轴(图中未示意)上连接驱动电机(图中未示意)；

所述垂直运动组件43，包括伺服电机(图中未示意)、螺杆431和螺母432，所述伺服电机输出轴与所述螺杆431连接，所述螺母432的内螺纹与所述螺杆431的外螺纹连接；所述螺母432固定于所述横向运动组件42上，螺杆431在螺母432内保持竖直状态；通过伺服电机驱动可实现螺杆431在螺母432内在轴线方向执行运动位移，从而系统可以测量传感器8相距射流喷嘴7在不同距离时的压力变化。

所述控制模块固定于移动支架模块4上，包括wifi模块，wifi模块与外部的控制系统连接；所述步进电机和伺服电机都设有ap热点，各ap热点与wifi模块连接；由此，上述各组件机构的运动控制均可以通过wifi模块13实现。

所述数据传输线5用于连接传感器8连接和数据采集设备11，所述数据采设备11用来采集和记录不同工况时的压力数据。数据采集设备11包含数据采集卡和采集电脑两部分，通过数据采集卡将压力传感器数据采集记录到电脑中，根据压力传感器标定数据计算实际测得的压力数据。

本发明工作：

首先需要检查高压柱塞泵105上面的油位和粘度，确定是否需要添加或更换润滑油，开机前保证进水侧压力不低于0.2bar，高压柱塞泵105装置带有缺水保护开关，由高压泵启停的压载式传感器开关sp控制，若压力过低时，电气控制箱101中的电源将会被断开。

将喷杆喷嘴7等附件与出水电磁阀12相连。

将进水装置107与水源管路相连接，并打开进水系统开关，保证足够的供水量和供水压力，确保机器的正常运行。打开排污口109将过滤出的部分污水及杂物排掉，确保进入高压柱塞泵105内的水流为过滤过的水，保证高压柱塞泵105正常运行。

以上工作全部完成后，打开电气控制箱1中的电源总开关qf2，合上电源总开关qf3可以给电动机103、三个出水电磁阀12及变频器供电。

首先将电气控制箱101中开关ka1打开，将变频器调速电位调整归零。

再打开出水电磁阀12的支路，然后启动高压柱塞泵105的电源开关sb3，观察压力显示表110中的数值显示，调节变频器的调速电位，使管路压力达到所需数值时，停止调节变频器。

如果需要切换喷口位置时，可直接切换所需的喷头，切换时间很短，三个不同的支路可以同时开启，并无相互锁定装置。

以上准备就绪后，通过管路与如图3所示的超高压淹没水射流压力测量装置连接起来。

首先需要检查传感器8是否正常，将传感器8与数据传输线5连接，将数据传输线5连接到数据采集设备11。

如不正常，则检查移动支架模块4的连接是否有问题，传感器8是否正常供电后，再继续进行调试，直到数据采集设备11中可见数据连续不断的进行采集。轻轻向传感器8的感应孔吹气，观察数据采集设备中的数据变化，若有连续波动出现，则传感器8为正常状态，可以安装使用。

测试板9由四根可调螺杆10支撑，通过可调螺杆10可调节测试板9的高度，待调节到试验工况位置后，进行下一步工作。

测试板9为一块长宽高为1m×1m×0.01m的不锈钢板，测试板9的作用是提供传感器8的安装位置。测试板9的高度可以通过可调螺杆10进行调节，待调节到试验工况位置后，进行下一步工作。

wifi模块可以建立通讯信号，可通过连接wifi信号对移动支架模块4中的各种电机进行控制。

待安装工作完毕后，调整水槽水位6的高度，设定不同水位时的淹没射流的相关测试。

然后，待测量开始时，始终开启数据采集设备11。

测试包括：

(1)、根据超高压射流喷嘴7和传感器8不同的垂直距离，记录不同工况的数据。

(2)、通过移动支架模块4在高处进行前后、左右的移动来控制超高压射流喷嘴7与传感器8之间相对位置，可以测量超高压射流喷嘴7所涵盖的范围。

(3)、可以沿水槽长度方向以不同速度移动支架模块4，测量不同运动速度时的超高压射流压力。

数据采集设备，是用来采集和记录上述三类不同工况时的压力数据，数据采集设备主要包含数据采集卡和采集电脑两部分，通过数据采集卡将压力传感器数据采集记录到电脑中，根据压力传感器标定数据计算实际测得的压力数据。本发明有效的解决了超高压射流测量过程中，射流压力可调节、射流压力可测量、射流靶距可调等诸多技术问题，为超高压射流切削硬质土机理的研究打下了坚实的基础，在疏浚工程及海洋工程的研究领域均具有广阔的应用前景。