3189 磨料水射流的噴頭及前混合箱,磨料,水射流,噴頭,混合 - 1 -西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文)中期報告題目：磨料水射流噴頭裝置及前混合箱裝置設(shè)計系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級 B070203 姓 名 劉朝 學 號 B07020312 導 師 汪慶華 - 2 -2011 年 3 月 15 日31. 設(shè)計（論文）進展狀況自開題答辯以來，經(jīng)過對本畢業(yè)課題的深入了解和學習，查閱相關(guān)資料和擬定畢業(yè)設(shè)計工作計劃，基本上對本課題的完成有了更加深入的了解。在導師的指導下，對本課題需要完成的工作有了明確的目標。通過假期收集大量的有關(guān)水射流的資料，同時借閱相關(guān)參考書通過學習其結(jié)構(gòu)和用途，對水射流設(shè)計有了更加深入的了解。完成了外文的翻譯工作，使用 CAD、solidwoks 完成了對水射流的繪制。對畢業(yè)設(shè)計的進展打好了基礎(chǔ)。通過學習，知道了對水射流的注意的事項，知道了如何對機械零件的參數(shù)化設(shè)計和數(shù)據(jù)庫的建立。工藝參數(shù)對切割深度的影響:切割深度是評價磨料水射流切割性能的一個重要指標，結(jié)果表明無論是韌性材料，脆性材料還是復合材料，工藝參數(shù)對切割深度的影響是一致的。水壓力的影響：切割深度和水壓力大小成正比磨料因素的影響;材料要求比較高，材料的影響力達 60/100-90/100切割速度的影響:切割深度隨切割速度的增加而減小以下的原理圖2. 存在問題及解決措施4注：1. 正文：宋體小四號字，行距 22 磅；標題：加粗 宋體四號字2. 中期報告由各系集中歸檔保存，不裝訂入冊。存在問題：由于全球?qū)λ淞鞯募夹g(shù)還不太成熟。磨料的影響在磨料水射流加工中，磨料對材料的切割作用達到 90/100 以上，磨料消耗占總消耗的 40/100-60/100，磨料流量，磨料顆粒和硬度是主要的因素，磨料流量增加，切割深度加強，但不隨磨料流量線性增加，而是減小了增加率這是因為磨料流量增加或是磨料之間相互碰撞幾率增加，消耗了部分能量因而減小了每個顆粒的切割效率，對顆粒切入及微切削的能力較強，而噴頭中沖蝕磨損主要表現(xiàn)為應(yīng)力疲勞斷裂和脆性斷裂：硬度低而韌性高的材料，抗脆性斷裂的能量加強，抗微切削作用的能量叫弱，而噴頭中噴嘴主要是微切削。它和噴頭的材料和形狀有關(guān)，而且還和磨料的顆粒，形狀，硬度，滑動速度都有影響。所以磨料噴頭噴嘴的磨損過程十分復雜。而前混合箱中主要是箱體的抗腐蝕性和在磨料箱中設(shè)有螺旋疏料桿在和顆粒進行碰撞時易受腐蝕，所以選用的材料具有高的抗腐蝕性能，而材料和加工手法有更高的要求，目前我國的對于材料和加工技術(shù)存在一定得困難。解決措施：鑒于在畢業(yè)設(shè)計中遇到的問題，我打算按照以下方式來解決1 進一步認識水射流的結(jié)構(gòu)原理，對其參數(shù)據(jù)做好準備。2 加強跟指導老師的聯(lián)系以及和相關(guān)課題同學的交流學習，讓指導老師指出設(shè)計過程中存在的問題和注意的事項。3 參照書籍的相關(guān)資料，對于不懂得的問題及時向老師請教或者借助網(wǎng)絡(luò)查詢學習。4 在水射流提高射流技術(shù)和混合腔中水和磨料顆粒充分混合。減少不必要的錯誤。3. 后期工作安排1.繼續(xù)對水射流的研究，減少噴頭的磨損和混合腔中的混合技術(shù)。4.設(shè)計計算，完成水射流的配圖繪制及其壓力噴頭過程的計算。5.修改裝配圖，修改水射流的計算。6.撰寫說明書，完成畢業(yè)設(shè)計的其余部分。7.完成論文的錄入排版，準備答辯。8.畢業(yè)答辯，裝訂論文。指導教師簽字：年 月 日5- 1 -西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計(論文)開題報告題目：磨料水射流噴頭裝置及前混合箱裝置設(shè)計系 別 機電信息系 專 業(yè) 機械設(shè)計制造及其自動化班 級 B070203 姓 名 劉朝 學 號 B07020312 導 師 汪慶華 2010 年 11 月 26 日- 2 -開 題 報 告 填 寫 要 求1．開題報告作為畢業(yè)設(shè)計（論文）答辯委員會對學生答辯資格審查的依據(jù)材料之一。此報告應(yīng)在指導教師指導下，由學生在畢業(yè)設(shè)計（論文）工作前期內(nèi)完成。2．開題報告內(nèi)容必須按教務(wù)處統(tǒng)一設(shè)計的電子文檔標準格式（可從教務(wù)處網(wǎng)頁上下載）填寫并打?。ń勾蛴≡谄渌埳虾蠹糍N） ，完成后應(yīng)及時交給指導教師審閱。3．開題報告字數(shù)應(yīng)在 1500 字以上，參考文獻應(yīng)不少于 15 篇（不包括辭典、手冊，其中外文文獻至少 3 篇） ，文中引用參考文獻處應(yīng)標出文獻序號， “參考文獻” 應(yīng)按附件中《參考文獻“ 注釋格式”》的要求書寫。4． 年、月、日的日期一律用阿拉伯數(shù)字書寫，例：“2008 年 11 月 26 日” 。31. 畢業(yè)設(shè)計（論文）綜述1.1 課題背景該課題是精密加工研究所承擔省教育研究項目09JK499，基于人工智能的磨料水射流切割機的工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究。1.2 課題研究意義人們認識水射流應(yīng)該可以說是從水的沖刷作用開始的 。磨料水射流技術(shù)是磨料??1水射流為中心，集泵.閥.密封,液壓,材料,自動化控制等多學科為一體。但隨這大型化智能化，專業(yè)化裝備的發(fā)展，高壓磨料水射流技術(shù)滲透到各個應(yīng)有領(lǐng)域，從一般機械零件，建筑物的清洗到以管道，管束，容器為主的工業(yè)清洗再到航天，軍事等領(lǐng)域的切割和清洗。然而磨料水射流畢竟是一門年輕的，綜合的科學，盡管每年國際，國內(nèi)都有學術(shù)，信息交流互動，但系統(tǒng)的論述磨料水射流技術(shù)的專著并不多見，有很大的研究空間。目前水射流加工技術(shù)已經(jīng)成在各行各業(yè)得到原來與廣泛的應(yīng)用，尤其在機械制造業(yè)，因其加工是不改變材料的力學，物理，化學性能等特點而日益成為一種先進的加工技術(shù)。磨料水射流的引入大大提高了液體射流的作用效果，使得射流在較低壓下進行除銹，清砂及切割作業(yè)?；蛟谕葔毫ο?，極大地增加作業(yè)速度及效率。磨料水射流裝置中，其中噴頭是形成的射流工作的直接元件，他不僅把高壓泵組提供的靜壓轉(zhuǎn)化水的動壓而且保證射流具有優(yōu)良的流動特性與動力性能。此外噴頭的結(jié)構(gòu)也是水射流技術(shù)應(yīng)用中獲得高能量利用率關(guān)鍵因素之一，因此優(yōu)化噴頭結(jié)構(gòu)建立噴嘴動力性能與參數(shù)的關(guān)系，對提高射流質(zhì)量和能量利用率具有重要的價值。前混合箱主要是使溶液和固態(tài)的顆粒在其前混合箱中充分混合，該裝置主要是讓克里懸浮在混合箱中對于研究前混合箱就能讓溶液與顆粒充分混合對于磨料水射流的除銹，清洗，切割都具有良好的前瞻性。1.3 國內(nèi)外對研究的相關(guān)情況目前水射流技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于清洗，除銹，切割，但對于水射流噴頭的研究是一個熱點，水噴嘴多采用藍寶石，而壽命問題突出反映在磨料噴嘴上。目前我國的材料很難過關(guān)，壽命往往很低，加上小規(guī)模試制，更難保證噴嘴的形狀和尺寸，而在國外，尤其是美國他們開始研究的較早，各個條件相對比較發(fā)達，高性能的噴6頭材料，使其在生產(chǎn)中的帶更高的精密性，技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在軍事。航天 和一系列比較先進的工作中，他們正在對水射流向智能化水平發(fā)展。2.1 課題研究內(nèi)容1 分析高壓水射流的特征，建立高壓水射流的射流特征的理論框架，分析噴頭和前混合箱的結(jié)構(gòu)特點。2 分析描述噴頭和前混合箱的在整個磨料水射流中的作用，探索噴頭的結(jié)構(gòu)參數(shù)對其射流流態(tài)，壓力分布，射流速度等射流參數(shù)的影響。3 分析噴頭中噴嘴的磨損機理，分析高壓射流噴頭中噴嘴的磨損性適合磨損特點，提出相應(yīng)的減磨和抗磨措施。4 分析前混合箱中顆粒和溶液混合情況，提出相應(yīng)的措施使溶液和顆粒在混合箱中保持懸浮狀況，并提出改進強混合箱的結(jié)構(gòu)狀況對磨料射流的影響。2.2 課題研究的方案和方法磨料水射流的關(guān)鍵是射流中磨料顆粒的存在，而磨料的引入方式很多，包括前混合式，引射式，外部混合式即磨料層 前混合式：指磨料先于液體在磨料罐中混??2合在加壓送至噴嘴。采用此種方式，也體育磨料混合的最均勻，磨料顆粒獲得能量也最高。引射式依據(jù)噴射器的抽吸混合原理，將磨料顆粒引入液體射流中，依靠高7速液體射流給磨料顆粒加速形成磨料射流。外部混合式則為獨自的磨料流與液體射流在到大工作表面之前交叉混合。磨料水射流分前混合式和后混合式的磨料射流：前混合式磨料水射流噴頭，由高壓進水管、噴咀組成，其特征在于：在高壓管和噴咀之間連接一段內(nèi)表面逐漸擴大和一段內(nèi)表面粗糙的管子。但是前混合式水射流易受泵的壓力和噴嘴壽命的限制以及磨料均勻供料的問題，由于噴頭結(jié)果的復雜性，目前對其研究并不太成熟，也不能根據(jù)加工需要按照某一規(guī)律來進行噴嘴的精確設(shè)計。磨料水射噴頭的種類很多，可分為固態(tài)噴頭，強制旋轉(zhuǎn)噴頭，二維自動噴頭，三維旋轉(zhuǎn)噴頭，真空噴頭，水切割噴頭，但在整個噴頭中噴嘴極其重要它可以說是一個噴頭的核心。而按噴嘴的工作壓力可分低壓，高壓，和超高壓 。按高壓水射??3噴嘴的位置可分為中心噴式和圓周噴射式。一種磨料水射流噴頭，由高壓管，壓蓋、磨料進料管、殼體、水噴嘴、連接法蘭、混合管、磨料噴嘴、定位板、壓緊螺帽，和密封圈等組成，其特征在于水噴嘴，的凸臺平面上有幾個噴嘴孔分布在兩個同心節(jié)圓上，噴嘴孔入口中心相對于水噴嘴，軸線左右偏離１～３毫米，噴嘴孔與過水噴嘴，軸線的鉛垂面有一夾角，水噴嘴，中心有一長圓形通孔。磨料噴射流噴頭主要由高壓水射流噴嘴，混合腔，磨料噴嘴組成。磨料水射流噴頭主要是一種用于清洗金屬表面銹蝕層的磨料水射流噴頭 。其??4主要特征是水噴嘴上有幾個不匯聚且?guī)A斜角的噴嘴孔分布在兩個不同直徑的同心節(jié)圓上，且以水噴嘴的中心線對稱布置。高壓水進入噴頭后，經(jīng)噴嘴上的小孔噴出的水射流呈扇形分布，磨料可進入水射流中心與水進行強混合。噴射出來的磨料水射流清洗寬度可達１５０毫米以上，清洗速度為３米／分以上，節(jié)省能量３５％左右。該磨料水射流噴頭耐磨，使用壽命長，清洗效率高，節(jié)能，可自吸干、濕式磨料，能廣泛應(yīng)用于工業(yè)部門的清洗、除鱗、除銹。磨料水射流工作原理通過引射方式抽吸并輸送固態(tài)介質(zhì) 。??5根據(jù)水動力學指出,高壓水從第一級噴嘴（水噴嘴）噴出，形成高速水流束，在混合腔形成一定的真空度，磨料通過氣力（干式供料方式）或水力（濕式供料方式）被輸送到混合腔，磨料很低的初速度與高速水射流相互接觸，由于高速水射流的擴散作用與被吸磨料發(fā)生動量交換，使磨粒加速 。之后通過二級噴嘴（即磨料噴嘴）??6噴出而形成磨料水射流。混合腔的主要用途是在混合流體進入磨料噴嘴之前均衡混合流體的速度場，混合腔的入口段采用錐形,可大大提高速度系數(shù) 。因此大多數(shù)采用的是錐形入口段和??7柱形入口段的結(jié)構(gòu)?；旌锨坏某叽鐚δチ吓c水射流混合效果有直接影響。混合腔直徑過小造成混合腔入口流道過流面積小，造成較大阻力損失?；旌锨恢睆皆谶^大，工作射流的能量得不到充分傳遞。因此混合腔直徑的大小是相對于噴嘴直徑而言的，8我們要考察面積比（即噴嘴面積與混合腔面積之比）和喉管距對射流性能的影響 。??8磨料水射流的被引射流和混合射流的出口速度的大小直接關(guān)系到加工效果和加工效率，引射流量和出口速度越大，其加工效率就越高，反之，則越低。 前混合箱調(diào)節(jié)磨料均勻通暢并確保磨料流量，在前混合箱罐底有一套由擋罩和迷宮環(huán)組成的裝置來實現(xiàn)均勻供料，磨料罐內(nèi)設(shè)有螺旋疏料桿，以使磨料均勻下沉，防止堵塞，同時旁通路試罐內(nèi)磨料充分流態(tài)化。是將液體與顆粒在混合箱中充分混合使其懸浮在溶液中。3 本課題研究的重點和難點磨料水射流中噴頭是其最重要的組成成分，而噴嘴在噴頭中有是最要的成分，對噴嘴的工藝主要是機械加工和特種加工兩類 。對于研究噴頭的形狀及其尺寸的??9研究和噴頭的工作原理對于提高磨料水射流的技術(shù)起著很關(guān)鍵的作用。使其有更好的精密度和高性能的加工度。噴頭難點在噴頭中噴嘴的磨損，噴頭中噴嘴磨損主要是由于雜質(zhì)粒子對噴走中噴嘴壁面的碰撞，在性質(zhì)上屬于沖蝕磨損，通常狀況下，硬度較高的材料，對顆粒切入及微切削的能力較強，而噴頭中沖蝕磨損主要表現(xiàn)為應(yīng)力疲勞斷裂和脆性斷裂：硬度低而韌性高的材料，抗脆性斷裂的能量加強，抗微切削作用的能量叫弱，而噴頭中噴嘴主要是微切削 。它和噴頭的材料和形狀有關(guān)，??10而且還和磨料的顆粒，形狀，硬度，滑動速度都有影響。所以磨料噴頭噴嘴的磨損過程十分復雜。而前混合箱中主要是箱體的抗腐蝕性和在磨料箱中設(shè)有螺旋疏料桿在和顆粒進行碰撞時易受腐蝕，所以選用的材料具有高的抗腐蝕性能，而材料和加工手法有更高的要求，目前我國的對于材料和加工技術(shù)存在一定得困難 。??18本頁單獨成頁注：1. 正文：宋體小四號字，行距 22 磅。2. 開題報告由各系集中歸檔保存。4 完成本課題的工作方案及進度計劃（按周次填寫）第 1-3 周：課題調(diào)研、準備開題 搜集資料；第 4-6 周：完成數(shù)據(jù)庫的整理、建立和修改；第 7 周：完成英文翻譯；第 8 周：完成中期工作，提交中期報告；第 9-11 周：完成磨料水射流工藝設(shè)計需的關(guān)鍵噴頭和強混合裝置設(shè)計；第 12-14 周：完善磨料水射流噴頭及前混合箱的設(shè)計和必要的圖紙，撰寫畢業(yè)設(shè)計論文，準備答辯；第 15 周，進行畢業(yè)答辯。5 指導教師意見（對課題的深度、廣度及工作量的意見）指導教師： 年 月 日 6 所在系審查意見：系主管領(lǐng)導： 年 月 日8參考文獻[1]Summer D A. 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N umerical modeling and optimization of waterjet-based suface decontamiantion 2001計算流體分析磨料水射流切割頭文摘水射流切割是在一定范圍內(nèi)不受熱的條件來切割厚金屬的技術(shù)。介紹了流體動力學(CFD)和理論分析優(yōu)化混合多相零組件方法。水,空氣,是組成混合研的磨腔。此模型是用來預測研磨和空氣的影響和混合在混合管內(nèi)的不同距離的影響。與此同時,粒子在噴嘴腔跟蹤并進行監(jiān)控氣蝕磨蝕速率的密度。結(jié)果表明,噴管長度作用于混合水、空氣成分等,磨料水射流的速度氣蝕磨蝕速率的影響主要在噴嘴腔上。k-ε的湍流模型進行仿真研究的磨料加上空氣。該調(diào)查顯示,受侵蝕強度較高,噴嘴身體的初始區(qū)長度越長,當噴嘴的長度增加,體積空氣相應(yīng)增大。口的入口處受到高壓送水小溪(以最小限度的微粒計算),并導致成切削領(lǐng)域的先鋒。為了減少在混合室亂流可使用真空協(xié)助,但應(yīng)當采取防御措施,因為沒有不經(jīng)過混合室的。關(guān)鍵詞：AWJ;CFD;侵蝕;多相混合1．引言AWJ(磨料射流加工是一種用途廣泛的幾乎所有的材料都能被切割,并且可以合理的完成加工表面。特點在極其低的切削力,可以忽略熱效應(yīng)。這焦點試管水射流切割系統(tǒng)加速了磨料粒子用于割磨料射流速度越快越好射出。磨料射流是由兩個連續(xù)的階段和固體顆粒相連的組成,這使得它們 waterjets 復雜性遠大于以往。速度分布是一個非常重要的參數(shù)在精度磨料射流切割中。在水射流中可更換水射流切割頭集中管,它可以使研磨粉劑充分與水和空氣混合。因為較高的速度和剪切應(yīng)力發(fā)生在聚焦管壁、并發(fā)生侵蝕。因此, 噴射的連貫性下降和聚焦管的直徑提高了,這些不需要的精密切割 。不像其他流體力學 ,水在 AWJ 高壓??1下可被壓縮成流體。磨料水射流速度可在帕努力動力平衡和在壓縮因子等條件下進行計算?？蓽y量侵蝕聚焦管,這是對先前進行的實驗否認。 由于磨損侵蝕是一個復雜功能并影響粒子作用和粒子壁的性質(zhì)。進行了模擬 ,以確定特點在切削材料的侵蝕,不同顆粒角度。土壤侵蝕模型提供 Finnie[4][5]的一種確定材料切除或侵蝕率密度。Ansys 采用 CFX 11 適用于計算流體力學 (CFD 仿真,在那里進行了調(diào)查空氣和磨料射流速度,以及流失以不同管的流量磨料及形狀系數(shù)的研磨粉劑。2．理論2.1理論水射流速度(1)?pvth2?水壓縮(2) nL???????10水射流方程(3)?????????????????1120nj Pnv?當 L=300Mpa 和 n=0.1368 在 25 度壓縮條件(4)???????????????????11nthj LPv這可壓縮性系數(shù)因子和排放可以用來表達水射流速度(5)thdjc2.2侵蝕模型幾乎在所有金屬、侵蝕發(fā)現(xiàn)不同的角度根據(jù)轉(zhuǎn)角和角速度關(guān)系E=K (6)???nfvp當 E=無窮小量V=顆粒碰撞速度。n=2f =影響無窮量的因數(shù)???在 Ansys 子域E= (7)??xfvnp??????0當 V0= ??????nk1侵蝕速率= E*N* (8)??????skgmp當 N=計入重量率 m=粒子重量因此在腔中顆粒發(fā)生侵蝕，氣蝕會在侵蝕區(qū)管壁聚集并且磨蝕速率密度(公斤/ s /平方米)。 空氣和磨料耦合在一起、兩種類型的耦合都會被用,也就是說、單耦合的和完全耦合關(guān)系。 單向耦合是簡單的預測粒子的路徑基于流場，因此都是不同的方式不去影響連續(xù)相流動。 完全耦合粒子交換,并且是連續(xù)的階段,允許連續(xù)流和粒子相互影響。形狀因子研磨粉劑是很重要參數(shù)。一個圓形的粒子有最大的形狀系數(shù)為1.0;不規(guī)則的顆粒和它的形狀等因數(shù)有關(guān)探討了研磨顆粒侵蝕研究對象可改變其形狀因子。3．主要參數(shù)幾何和參數(shù)采用CFD數(shù)值模擬的方法對三維截割頭的模型革新設(shè)計而成,并采用CFD軟件用于嚙合。所有必要的邊界條件應(yīng)用于Ansys采用CFX 11。表1顯示的幾何參數(shù)及邊界條件 數(shù)值模擬計算結(jié)果。 在對稱模型、計算 在短時間內(nèi)是用的網(wǎng)格總數(shù)減呢比完美的模型。 只要有可能,采用CFX運用有限元分析軟件Ansys,建議采用對稱。表1.1幾何和邊界參數(shù)。幾何/ 邊界條件參數(shù)幾何由毫米直徑孔,流量系數(shù)、Cd = 0.8混合室直徑4.2毫米,3毫米長度是混合室管直徑= 1.5毫米焦點焦點的全長= 70毫米磨料入口直徑= 1.56 mm邊界磨料流量= 8、20、30克/秒磨料密度= 7854公斤/方磨料形狀系數(shù)= 1,0.9,0.7空氣流速= 5米/秒 水的壓力= 470兆帕水=密度1134公斤/方圖 1.1 邊界條件的截割頭應(yīng)用4． 實驗主要的仿真結(jié)果進行了比較定理和先前的試驗由不同的研究者。 這是且報方針是一個準求的調(diào)查射流速度來衡量[7]。 這測量,高速照相機被用來觀察的噴射的時間和距離。 除了柯達SR-Series運動分析儀、水射流機組合成頂部有限公司用于這個實驗。相機就會幀率記錄時間和對峙將決定的距離。 如果噴射的速度不變,考慮到高速噴射和非常小的相隔距離60毫米,然后它可用來測量速度達600米/秒噴射框架 率10000 fps。 這是可能的射流速度計算把距離的計算出的時 要求的幀,需要經(jīng)歷的距離。 實驗考慮,并根據(jù)參數(shù)條件采用模擬技術(shù)。5. 結(jié)果和討論從式(1)、(3)和(4), = 970米/秒； = 934米/秒；Ψ=0.96考慮流量thvjv和壓縮性系數(shù)。從式(5)， =,0.8x0.96x970=745米/秒水的最大速度確定的CFD分析是735j米/秒的出口,孔,如圖2.與空氣混合后,磨料水射流速度發(fā)現(xiàn)。表2. 速度和最大侵蝕變化為不同的質(zhì)量流量的模具質(zhì)量流率(g /秒) 馬克斯侵蝕(公斤/ s / m2) 速度X108磨料(米/秒)8 0.96 29520 2.144 29030 3.62 287在聚焦管出局384米/秒,而鋼速度被發(fā)現(xiàn)300米/秒的單程耦合有空氣。由于流量變化的研磨粉劑。產(chǎn)品的速度保持不變。 然而,為充分結(jié)合空氣。最大速度水射流在噴管出口多種多樣,以及增加的質(zhì)量流率速度減水已經(jīng)加速的更多的顆粒。 表2所示的變化規(guī)律磨料(180微米)和侵蝕在腔壁停留了充分的耦合關(guān)系磨料。研磨粉劑在加速聚焦管,因此,速度增加聚焦的長度 管。 因此,聚焦管的長度是至關(guān)重要的在水射流的優(yōu)化過程中。磨料水、空氣等,在混合腔創(chuàng)建一個非常復雜的狀態(tài)。 試圖是[8] 可以觀看混合,重新制造了水道air-abrasive頻道,玻璃材料。 結(jié)果 此舉表明,占據(jù)了vortex-type流動流型吸區(qū)。 目前的CFD仿真 顯示渦流創(chuàng)造了在混合室。 從的動畫氣流線、渦流現(xiàn)象提供了最初的機制,磨料誘導作用”。 圖4闡述了混合腔里面渦創(chuàng)造被水(黃色),空氣（彩虹),研磨劑(紅色)。 M.鮑威爾 [9]解釋說,動能和動力 從高壓水傳送給研磨顆粒。 應(yīng)用動能沿顆粒銳利的邊緣。 因此,形狀因素起到影響磨料速度。在應(yīng)用了在磨的形狀因數(shù)粒子分析、磨料射流速度增高。 形狀因數(shù)0.9和粒徑100微米的,磨料速度309.5米/秒),及305米的單向性和fully-coupled模型，另外盡量減少平均直徑并且粒子高速率應(yīng)用與形狀因數(shù)都是不規(guī)則的形狀顆粒會產(chǎn)生出更好的表面切割標本。圖2.顯示的速度增加同一種磨料的內(nèi)部集中管。圖3.混合水 空氣 磨料圖4澆流孔液壓翻轉(zhuǎn),流動分離,或空[10]所聚集的發(fā)生刃口鋒利的孔在高壓力。 圖5顯示液壓翻轉(zhuǎn)和臨界區(qū)孔負責加速水。 根據(jù)M .鮑威爾、如果水含有中止顆粒，切削能發(fā)生在空的入口處。M . Nanduri噴嘴磨損了應(yīng)用三種類型的調(diào)查和發(fā)散穿類型。 短距離入口聚焦管、穿過是最大值。我們的CFD仿真結(jié)果表明相同的方式的侵蝕。在圖6,類似于實驗結(jié)果,磨損率沿長度密度降低聚焦管。確定形狀影響因素對侵蝕管的影響、0.7和0.9形狀系數(shù),同時保持大量的質(zhì)子流量號8點是為100微米的粒子大小。結(jié)果產(chǎn)生了一個更高的氣蝕磨蝕速率密度的形狀因素比形狀0.7比起形狀0.9的形狀。 這意味著如果循環(huán)磨料粒子是使用,那將會下降導致加工效率。然而,在生活聚焦管將會增加。相反的是事實形狀不規(guī)則的對這些情況研磨顆粒有影響。表3顯示在速度和變化侵蝕的單程耦合情況形狀因素的變化以不變的質(zhì)量流率8克/秒想像被侵蝕質(zhì)量的流率都可分為完全耦合的單向性和耦合模型,完成了之間空氣和磨料作為單向耦合元件不能分享彼此的態(tài)勢,侵蝕成了線性的,然而粒子,完全耦合非線性和侵蝕作用具有較高的價值。 圖7顯示質(zhì)量流量的影響上了侵蝕聚焦管壁。 第一個如圖3局的傳播。7高速水射流。1000fps,時間的差距 兩局是1/10000 s。 為470兆帕壓力,要求時間還不到2/10000 s,這表明速度還不到400米/秒。 模擬水射流切割速度是384米/秒,因此,模擬和實驗嗎結(jié)果非常接近。表3 形狀因素的影響對速度的磨具和最大的管壁集中流失麥克斯侵蝕 形狀因素(公斤/ s / m2) 速度X10磨料(米/秒)1 299.9 0.960.9 305 1.450.7 309.5 2.48圖 5. 管壁集中流失圖 6.測量的水射流速度6. 結(jié)論仿真結(jié)果表明,聚焦的長度管是由加快研磨粉劑和那磨損量上提高集中管壁顆粒形狀的變化因素。 如果質(zhì)量流率研磨粒非常高,那么噴射的效率將會減少“水射流增強流顆粒。 高速湍流射流發(fā)生聯(lián)系與一個相對低速氣流 ,因此,漩渦創(chuàng)造了在混合腔作用于混合不同的階段。 量流線形的磨具粒子取決于混合室的形狀。 目前,攪拌缸通常為圓柱形的形狀。需要進一步的調(diào)查,想像混合循環(huán) ——、橢圓-,和hyperbolic-shaped混合的房間, 就能指導的流線形射流在相比在控制呼氣圓柱腔中。XXXX 大學本科畢業(yè)設(shè)計(論文)題目：磨料水射流的噴頭及前混合箱系 別： 機電信息系 專 業(yè)： 機械設(shè)計制造及其自動化 班 級： 1230203 學 生： XXXX 學 號： 123020312 指導教師： 2011 年 06 月畢業(yè)設(shè)計（論文）任務(wù)書系別 機電信息系 專業(yè)機械設(shè)計制造及其自動化班級 1230203 姓名 XXXX 學號 123020312 1.畢業(yè)設(shè)計（論文）題目： 磨料射流切割機噴頭及前混合箱裝置設(shè)計 2.題目背景和意義： 本課題是精密加工研究所承擔省教育廳科研項目 09JK499“基于人工智能的磨料水射流工藝參數(shù)優(yōu)化方法研究”的子內(nèi)容，主要研究磨料水射流加工機理和工藝規(guī)律，設(shè)計相關(guān)的實驗裝置，探尋最佳切割加工工藝參數(shù)，便于根據(jù)不同加工需要實現(xiàn)智能化選擇合理最優(yōu)的工藝參數(shù)。該課題主要是實驗裝置設(shè)計的一部分，為后續(xù)的工藝研究提供基礎(chǔ)。 3.設(shè)計(論文) 的主要內(nèi)容（理工科含技術(shù)指標）： 設(shè)計高壓磨料水射流實驗裝置,包括噴頭、前混合式磨料連續(xù)供料系統(tǒng)，試驗裝置能阻擋射流濺射，保護工作室內(nèi)壁,易實現(xiàn)磨料回收。前混合箱裝置要求磨料顆粒與水混料均勻，連續(xù)供給，清洗方便。 4.設(shè)計的基本要求及進度安排（含起始時間、設(shè)計地點）： 遵守紀律，遵守學術(shù)道德規(guī)范；進實驗室前須做好相關(guān)準備。 1—3周 調(diào)研，查閱科技文獻和書籍，理解課題，進行英文翻譯； 4—7周 設(shè)計方案討論確定，進行圖紙設(shè)計。 8-11周 圖紙詳細設(shè)計、試驗方案設(shè)計并完成試驗。 12-14周 論文撰寫，初稿提交。 15-17周 論文修改及提交終稿。 5.畢業(yè)設(shè)計（論文）的工作量要求 不少于１.5 萬字 ，其中包括 3000字左右的文獻綜述 ① 實驗（時數(shù)） *或?qū)嵙暎ㄌ鞌?shù)）： ② 圖紙（幅面和張數(shù)） *： A0 幅面 3 張。 ③ 其他要求： 翻譯的中文字數(shù)不少于 3000。 指導教師簽名： 年 月 日學生簽名： 年 月 日系主任審批： 年 月 日說明：1 本表一式二份，一份由學生裝訂入冊，一份教師自留。2 帶*項可根據(jù)學科特點選填。- I-磨料水射流噴頭及前混合箱摘 要磨料水射流是近幾年發(fā)展起來的一種新的加工技術(shù)，磨料水射流分為前混合式和后混合式。前混合式磨料水射流是預先將磨料于水充分混合，再經(jīng)過高壓泵及增壓裝置的通過噴頭裝置產(chǎn)生高速流動的漿液射流，與后混合式磨料水射流相比，它具有更大的切割能力，但同時也存在磨料連續(xù)均勻供料問題和噴嘴的壽命問題。磨料水射流實驗裝置包括噴頭、前混合箱、連續(xù)供料系統(tǒng)、循環(huán)過濾系統(tǒng)以及控制箱部分組成。前混合箱裝置主要提供連續(xù)供料、均勻混合等作用，他的機構(gòu)設(shè)計直接影響磨料水射流切割能力與效率。噴嘴的材料、形狀和尺寸的設(shè)計直接影響射流的出口速度與壓力。為此，本文對前混合式磨料水射流的前混合箱及噴頭進行了詳細的設(shè)計計算。關(guān)鍵詞：磨料水射流;前混合箱;噴頭- II-Abrasive water jet nozzle and the former mixed boxAbstractAbrasive water jet is recently developed a kind of new processing technology, abrasive water jet is divided into former hybrid and after hybrid. Former hybrid abrasive water jet is pre-segregation of abrasive and water grout, then after fully mixing high-pressure pumps and vasopressor device through the nozzle produce high-speed flow slurry jet, and the hybrid abrasive waterjet, it has more than the cutting ability, but also exists abrasive continuously even the materials problems and nozzle life problem.Abrasive water jet experiment equipment including nozzle, former mixed box, continuous material feeding system, circulation filter system and control box components. Former mixed box device is mainly to provide continuous material feeding, mixing effects, and its mechanism design directly affects abrasive water jet cutting ability and efficiency. Nozzle materials, shape and size of the design directly affects jet velocity and pressure exports. Therefore, in this paper the former hybrid abrasive waterjet mixed boxes and nozzle before a detailed design calculation.KeyWords: abrasive water jet; former mixed box; nozzle - III-目錄1 緒論 ........................................................................................................................11.1 課題背景 ..............................................................................................................11.2 課題研究意義 ......................................................................................................11.3 國內(nèi)外狀況 ..........................................................................................................11.4 課題研究內(nèi)容 ......................................................................................................22 磨料水射流方案設(shè)計 .......................................................................................42.1 磨料水射流系統(tǒng)方案的選擇 ..............................................................................42.2 磨料水射流前混合箱的方案設(shè)計 ......................................................................52.2.1 前混合箱的作用 ............................................................................................62.2.2 攪拌器的功能 ................................................................................................62.2.3 攪拌器的選型 ................................................................................................73 噴頭裝置設(shè)計 ........................................................................................................93.1 磨料噴頭 ..............................................................................................................93.2 噴嘴的計算 ........................................................................................................103.3 磨料噴嘴的材料 ................................................................................................124 磨料水射流的發(fā)生裝置 ...................................................................................144.1 動力部件設(shè)計 ....................................................................................................144.1.1 泵 ..................................................................................................................144.1.2 選擇電動機的容量 ......................................................................................144.1.3 確定電動機的轉(zhuǎn)速和選擇 ..........................................................................154.2 聯(lián)軸器的類型和型號 ........................................................................................164.3 軸 ........................................................................................................................164.3.1 軸材料的選擇 ..............................................................................................164.3.2 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算 ..................................................................................164.3.3 按彎扭合成強度條件計算 ..........................................................................174.3.4 校核軸的強度 .............................................................................................184.3.5 按疲勞強度條件進行精確校核 ..................................................................194.3.6 提高軸的疲勞強度和剛度的措施 ..............................................................204.4 攪拌罐結(jié)構(gòu)設(shè)計 ................................................................................................214.4.1 罐體的尺寸確定及結(jié)構(gòu)選型 ......................................................................21- IV-4.4.2 磨料罐結(jié)構(gòu)尺寸的確定 ..............................................................................224.5 高壓管路的確定 ................................................................................................225 結(jié)論 ......................................................................................................................24參考文獻 ...................................................................................................................25致謝 .............................................................................................................................26畢業(yè)設(shè)計（論文）知識產(chǎn)權(quán)聲明 .....................................................................27畢業(yè)設(shè)計（論文）獨創(chuàng)性聲明 .........................................................................28- V-主要符號表噴嘴內(nèi)外靜壓力；21/PV 噴嘴內(nèi)外流體平均流速射流流速， t?P 射流壓力A 射流的出口截面積噴嘴的出口截面積t噴嘴界面收縮率?射流出口速度?噴嘴的速度系數(shù)?Q 射流流量噴嘴流量系數(shù)，是經(jīng)驗常數(shù)?泵的實際流量vq泵的容積系數(shù) ?A 柱塞截面積柱塞平均速度，m/smUψ 程徑比F 工作機的阻力T 工作機的阻力距 N*m1 緒論- 1-1 緒論1.1 課題背景 本課題來源于精密加工研究所所承擔的省教育廳研究項目，編號為09JK499“基于人工智能的磨料水射流切割機的工藝參數(shù)優(yōu)化和研究方法” 。該項目主要研究磨料參數(shù)(材料、形狀、流量和粒度)和磨料動能大小對切割能力的影響，工件材料性能、射流系統(tǒng)參數(shù)(磨料參數(shù)、射流壓力、混合腔、水噴嘴及磨料噴嘴參數(shù))和機械系統(tǒng)參數(shù)(切割角度、速度、靶距、執(zhí)行機構(gòu)精度)對切割效果的影響。本課題是該項目內(nèi)容的一部分，主要為該項目的研究提供實驗裝備設(shè)計。1.2 課題研究意義目前水射流技術(shù)已經(jīng)被廣泛應(yīng)用于清洗，除銹，切割，但對于水射流噴頭的研究是一個熱點，水噴嘴多采用藍寶石，而壽命問題突出反映在磨料噴嘴上。目前我國的材料很難過關(guān)，壽命往往很低，加上小規(guī)模試制，更難保證噴嘴的形狀和尺寸，而在國外，尤其是美國他們開始研究的較早，各個條件相對比較發(fā)達，高性能的噴頭材料，使其在生產(chǎn)中的帶更高的精密性，技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在軍事、航天和一系列比較先進的工作中，他們正在對水射流向智能化水平發(fā)展。高壓水射流的工作原理是通過泵把普通水增壓到幾十、幾百甚至幾千個大氣壓后，從各種不同的形狀的噴嘴噴射出來，形成具有穿透能力很強的高速水射流，通過機、電、液汽或雷達等不同形式組合的機械，自動機構(gòu)或智能化裝置用于各個行業(yè)的不同用途，此外通過高壓水發(fā)生系統(tǒng)把漿體的壓力升高到幾十、幾百個大氣壓后，可用于注水、注漿和管道輸送。磨料射流的關(guān)鍵是射流中磨料顆粒的存在，而磨料的引入方式很多，包括前混合、引射式、外部混合式即磨料層，指磨料先于液體在磨料罐中混合，在加壓送至噴嘴。采用這種方式，液體與磨料混合的最均勻，磨料獲得能量最大，將磨料顆粒引入液體射流中，依靠高速液體射流給磨料顆粒加速形成磨料射流。1.3 國內(nèi)外狀況高壓磨料水射流是 1980年代在純水加工的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的加工1 緒論- 2-技術(shù)，早在上世紀 60年代，意大利、英國、美國、前蘇聯(lián)、日本等國家就投入大量人力和物力去研究開發(fā)水射流切割技術(shù)。1968 年，美國密執(zhí)安大學西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）- 2曼·弗蘭茲博士首次獲得水射流切割技術(shù)專利。直到 1971年美國終于制造出了世界上第一臺超高壓力純水射流切割機．簡稱純水射流切割機，并在家具制造業(yè)得到廣泛應(yīng)用。21世紀 80年代，美國有率先把水磨料水射流切割技術(shù)推到了使用階段，使切割對象更為廣泛，可以切割各類金屬、非金屬、塑料和各種脆性材料。水射流技術(shù)是一種正在蓬勃發(fā)展、用途很廣的高新技術(shù)。水射流技術(shù)的產(chǎn)業(yè)分類應(yīng)屬流體機械行業(yè)，但又有其獨特的專業(yè)性。國內(nèi)一些研究所研究水射流切割技術(shù)、水射流清洗等方面做了大量的研究開發(fā)和推廣應(yīng)用工作。國外一些工業(yè)發(fā)達國家的水射流技術(shù)很發(fā)達，形成規(guī)?；漠a(chǎn)業(yè)，特別是美國、德國、日本專業(yè)化的水射流設(shè)備制造廠及配套和服務(wù)公司很多。這些國家水射流設(shè)備超高壓、大流量、智能化、系列化發(fā)展，水射流技術(shù)不斷得到推廣并不斷升級。近幾年，我國的高壓水射流技術(shù)取得了長足進步，一批研究機構(gòu)、制造廠、配套和服務(wù)公司得到了一定的發(fā)展，但與國外相比，規(guī)模和技術(shù)水平都大的差異。目前水射流技術(shù)用在石油、石化、化工、輕工、電廠等行業(yè)，改善了勞動條件，降低了能量，提高了工作效率，水射流切割技術(shù)也具有切縫窄、無熱應(yīng)力、無粉塵、以實現(xiàn)異形切割等優(yōu)點在建筑、航天航空、軍工、文體用品、玻璃、皮革等行業(yè)用于材料的特種切割加工。目前，國內(nèi)一些水射流技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域至今還是空白。因此，應(yīng)大力開發(fā)水射流技術(shù)的開發(fā)和推廣，研制出適合我國情，并滿足于各個部門工業(yè)需要的水射流新公藝新設(shè)備。進入 20 世紀 90 年代以來，磨料水射流以其獨特的優(yōu)勢，于激光、電子束等切割技術(shù)合稱為現(xiàn)代工業(yè)切割的四大高新技術(shù)，形成工藝互補，優(yōu)勢表現(xiàn)在：a. 磨料水射流切割具有“冷、軟”加工特點，不需要機械切割力，切割使工件溫度較低，無熱影響區(qū)和熱變形。b. 多功能、高效切割 切割種類齊全，能切割各種硬脆、韌性材料，配合軟件可以實現(xiàn)數(shù)控切割技術(shù)。c. 切割質(zhì)量好 水切割是一種無接觸冷切割技術(shù)，切口處材料組織不發(fā)生變形，切縫窄且切割表面光滑。d. 便有實現(xiàn)自動化和數(shù)控化 水切割是全方位的點切割器，無需打孔，可以在任一點切割，切出任意復雜形狀。e . 靈活性能大，應(yīng)用廣泛。f. 切割用水即磨料來源充足，設(shè)備簡單，效益好，污染小。西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）- 2水射流技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用能使國民經(jīng)濟眾多行業(yè)的生產(chǎn)方式和工藝產(chǎn)生重大變革，推進這些行業(yè)技術(shù)水平的提升和社會的進步。如水射流清洗技術(shù)能改西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）3變傳統(tǒng)的化學作業(yè)方式和人工操作方法;水銑技術(shù)能改變傳統(tǒng)落后的混凝土破碎及修補養(yǎng)護的作業(yè)方式和工藝路線;噴射混合反應(yīng)工藝和設(shè)備能取代大型攪拌混合反應(yīng)設(shè)備，大幅提高效率，減小設(shè)備體積山尾砂輸送用、電廠濕排灰用三柱塞往復泵能提高生產(chǎn)率、節(jié)水節(jié)能、降低生產(chǎn)成本、減少污染等。水射流技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用有利于節(jié)省資源，減少災害的發(fā)生。如用高壓水射流技術(shù)裝備清洗管道，管束、鍋爐、熱交換器能使其壽命延長 1一 3倍，從而節(jié)省物資資源;超高壓水銑技術(shù)和裝備避免了傳統(tǒng)方法所產(chǎn)生的不同程度的毀滅性破壞，從而節(jié)省巨額的建設(shè)費用，有利于社會資源(物資資源、人力資源財政資源)的有效利用;油川采用高壓水注水注漿工藝和裝備能提高石油回采率;高壓旋噴注漿能加固地基，可減少地質(zhì)災害的發(fā)生等。水射流技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用能使相關(guān)行業(yè)減少污染，有利于環(huán)保。如水射流清洗可避免化學清洗廢液的排放，磨料水射流除鱗除銹除漆取代酸洗和氣噴砂，鹵代烷滅火劑被高壓噴霧消防替代等。水射流技術(shù)的開發(fā)和應(yīng)用能提升軍備技術(shù)水平，減少戰(zhàn)場人員傷亡。如軍工采用高壓水射流裝備清除廢棄彈藥，既安全又可實現(xiàn)資源回用;用高壓漿液射流進行火炮炮膛精密清洗，能節(jié)省擦炮時問，提高命中率;超高壓水射流智能排雷機器人能提高排雷效率，有利于安全排雷，減少戰(zhàn)場人員傷亡，前混磨料水射流切割機還能安全地切割排除敵方在機場等重要設(shè)施投放的未爆炸彈;高壓水射流切割復合材料能避免機械鋸的打滑現(xiàn)象，同時能避免高溫切割所帶來的材料性能變化，還能實現(xiàn)仿形切割，使隱形匕機和航天火箭使用的復合類材料的制作成為可能。水射流技術(shù)和裝備可以應(yīng)用到國民經(jīng)濟中的眾多部門和行業(yè)，國內(nèi)許多企業(yè)對高壓水射流技術(shù)及裝備具有迫切的、多層次的要求，特別是石油、石化、冶金、有色冶煉、化工、軍工、輕工、交通和能源等行業(yè)離不開水射流技術(shù)和裝備的支撐。高壓水射流技術(shù)面對的是一個巨大市場，能產(chǎn)生顯著的經(jīng)濟和社會效益，具有廣闊的推廣應(yīng)用前景。1.4 課題研究內(nèi)容a. 了解高壓水射流及磨料水射流加工的特征，對磨料水射流噴頭結(jié)構(gòu)、材料及幾何參數(shù)查閱相關(guān)文獻資料，分析磨料顆粒對噴嘴的磨損，以設(shè)計合理的噴嘴結(jié)構(gòu)形狀，較少磨損提高噴頭壽命。 。b. 比較前混合式磨料水射流與后混合式磨料水射流加工機理、系統(tǒng)組成以及各自的優(yōu)點，分析前混合箱對磨料水射流的作用及功能，以設(shè)計混合效果更高更為充分的前混合箱裝置，滿足均勻連續(xù)供料以及充分混合的需要，提高磨西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）4料水射流加工效益。2 磨料水射流方案設(shè)計52 磨料水射流方案設(shè)計本課題主要內(nèi)容包含兩部分：前混合式磨料水射流的前混合箱裝置設(shè)計和前混合式磨料水射流噴頭設(shè)計。2.1 磨料水射流系統(tǒng)方案的選擇磨 料 水 射 流 是 以 水 為 介 質(zhì) ， 通 過 高 壓 發(fā) 生 裝 置 獲 得 巨 大 能 量 ， 然 后 通 過供 料 裝 置 吧 磨 料 加 入 到 高 壓 水 束 中 ， 形 成 液 固 兩 相 混 合 射 流 ， 依 靠 磨 料 和 高壓 水 束 的 高 速 沖 擊 和 沖 刷 ， 實 現(xiàn) 去 除 工 件 表 面 材 料 和 修 飾 加 工 的 一 種 方 法 。它 是 綜 合 了 磨 料 射 流 和 水 射 流 的 優(yōu) 點 ， 使 加 工 范 圍 擴 大 。根據(jù)磨料和水的混合方式，磨料水射流可分為前混合式、后混合式、外混合式等三種方案之分；方案一 前混合式磨料水射流是：磨料與水充分混合后，加壓通過噴嘴而形成的高速流體。方案二 后混合式磨料水射流是：磨料和高壓水在噴嘴內(nèi)進行混合后形成的高速流體，由增壓設(shè)備形成的高速水射流，在混合腔形成一定的真空度，從而使混合腔和磨料之間產(chǎn)生一定的壓力差，磨料因此被吸到混合腔內(nèi)，與水射流混合后經(jīng)磨料噴嘴噴出。由于水射流具有很高的軸向速度，而磨料粒子進入混合腔是速度很低，因而磨料粒子難以進入到射流中心部位，導致切割效率低，并易導致堵塞。 方案三 外混合式磨料水射流是：磨料將從噴頭中路噴出，并匯聚在漿料射流的一點處，在多股水射流的卷吸下，磨料將被吸入水射流束中獲得動能形成的高速流體。我們選用方案一因為前混合式磨料水射流采用前混合式，液體與磨料混合的越均勻，磨料顆粒獲得能量也就越大，故而作業(yè)效果越好。當前混合是磨料水流在工作中，純水射流一路進入磨料罐，與磨料在罐中初步混合，形成流體然后進入混合室，與另一路直接進入混合室的射流充分混合。這種方式提高了磨料與水的混合效果，并使磨料在水中充分加速，使其具有更高的動能。通過研究發(fā)現(xiàn)前混合式磨料水射流的磨料顆粒離開噴嘴的速度約為水射流的速度 75%，并且前混合式工作壓力是后混合式的 ， 前混合式具有系統(tǒng)簡單、功耗低的優(yōu)點。31西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）6圖 2.1前混合磨料系統(tǒng)簡圖2.2 磨料水射流前混合箱的方案設(shè)計磨料水射流的主要特征數(shù)據(jù)是工作介質(zhì)和磨料的引入方式，雖然磨料射流的種類很多，叫法也各不相同，但基本上可分兩大類，即前混合式磨料射流和后混合式磨料射流，由于工作介質(zhì)不同，前混合磨料包括：（1）以水-磨料兩相流為工作介質(zhì)的磨料水懸浮液射流（AWSJ）早期稱為前混合磨料水射流（DIAJET） ；（2）以水、高聚合物、磨料組成的非牛頓流體為工作介質(zhì)的磨料槳葉射流（ASJ） ，它是目前最廣泛的一種磨料射流。其它如磨料低溫射流、磨料脈沖射流、磨料空化射流等屬于后混合式磨料射流范圍。圖 2.2磨料射流的類型我們研究的課題是前混合式磨料水射流，對于前混合箱射流而言，影響作業(yè)的主要參數(shù)為磨料的壓力，前混合式磨料射流的加壓方式為直接泵送式但因受泵的壓力和壽命的關(guān)系，這種方式應(yīng)用不太多。第二種為間接泵送式，此系統(tǒng)的關(guān)鍵是帶活塞的貯液罐，來自高壓泵的高壓水用于推動活塞向下運動，使得混合液后的懸浮液被泵送至噴嘴。使用這一方法不可能在工作過程中改變磨料的含量。該系統(tǒng)的試驗壓力可高達 345Mpa，并且具有良好的切割性能，但噴嘴磨損很嚴重。第三種是旁路式。來自高壓泵的高壓水一部分用于懸浮液加壓，另一部分直接與懸浮液在管內(nèi)混合，壓送至噴西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）7(a)直接泵送式 （b）間接泵送式 （c）旁路式圖 2.3 前混合式磨料水射流的加壓方式通過對于三種加壓方式的分析我們選擇第三種方案旁路式加壓方式，因為它對于磨料水射流壓力大、易控制并且可調(diào)節(jié)磨料含量，所以應(yīng)用最為廣泛。2.2.1 前混合箱的作用磨料水射流前混合箱設(shè)計為了使磨料與水在前混合箱通過攪拌充分混合，磨料罐內(nèi)設(shè)有螺旋疏料桿，通過發(fā)動機的轉(zhuǎn)速帶動螺旋疏料桿轉(zhuǎn)動使磨料與水攪拌混合，此階段可稱為第一混合，該階段由于螺旋疏料桿轉(zhuǎn)速高而帶動磨料罐中的水旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生一股渦流力，在這股渦流力的帶動下可使磨料與水在前混合箱中再一次充分混合，此階段可稱為第二混合，通過在兩次混合使得磨料與水在充分混合的情況下保證了磨料懸浮在磨料罐中。磨料水射流中前混合箱是磨料水射流的重要環(huán)節(jié)，同時也是保證了磨料與水的均勻混合并且調(diào)節(jié)磨料流量并確保供料均勻流暢。前混合箱的設(shè)計不但要保證實驗裝置能阻擋射流濺射并且保護工作室內(nèi)壁，而且還要已實現(xiàn)磨料回收。圖 2.4混合箱的作用2.2.2 攪拌器的功能前混合箱設(shè)計的重點是攪拌系統(tǒng)的設(shè)計，攪拌是將兩種或多種不同物質(zhì)在西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）8彼此之中互相分散，從而達到均勻混合也可以加速度散熱過程。在磨料水射流中攪拌是為了使磨料與水充分均勻混合同時使末了懸浮在溶液中。攪拌操作分為機械攪拌與氣流攪拌，攪拌設(shè)備主要由攪拌裝置,軸封和攪拌罐三大部分組成。2.2.3 攪拌器的選型攪拌器的選型考慮到 1.攪拌的目的 2.物料粘度 3攪拌器容積的大小。選擇攪拌器除滿足工藝要求外還應(yīng)考慮到功耗低，以及制造、維護和檢修方便等因數(shù) 攪拌設(shè)備可以從不同的角度進行分類 ,如按工藝用途分 ,攪拌器結(jié)構(gòu) 形式分或按攪拌裝置的安裝形式分等. 以下僅就攪拌裝置的各種安裝 形式進行分類說明： a. 立式容器中心攪拌 將攪拌裝置安裝在歷史設(shè)備筒體的中心線上, 驅(qū)動方式一般為皮帶傳動和齒輪傳動,用普通電機直接聯(lián)接.一般認為功率 3.7kW 一下為 小型,5.5-22kW 為中型。 b. 偏心式攪拌 攪拌裝置在立式容器上偏心安裝,能防止液體在攪拌器附近產(chǎn)生"圓 柱狀回轉(zhuǎn)區(qū)" ,可以產(chǎn)生與加擋板時相近似的攪拌效果.攪拌中心偏 離容器中心,會使液流在各店所處壓力不同,因而使液層間相對運動 加強,增加了液層間的湍動,使攪拌效果得到明顯的提高.但偏心攪 拌容易引起振動,一般用于小型設(shè)備上比較適合。c. 傾斜式攪拌為了防止渦流的產(chǎn)生,對簡單的圓筒形或方形敞開的立式設(shè)備,可將 攪拌器用甲板或卡盤直接安裝在設(shè)備筒體的上緣, 攪拌軸封斜插入筒 體內(nèi). 此種攪拌設(shè)備的攪拌器小型,輕便,結(jié)構(gòu)簡單,操作容易,應(yīng)用范圍 廣.一般采用的功率為 0.1~22kW,使用一層或兩層槳葉,轉(zhuǎn)速為 36~300r/min,常用于藥品等稀釋,溶解,分散,調(diào)和及 pH 值的調(diào)整等。d. 底攪拌攪拌裝置在設(shè)備的底部,稱為底攪拌設(shè)備.底攪拌設(shè)備的優(yōu)點是:攪 拌軸短,細,無中間軸承;可用機械密封;易維護,檢修,壽命長. 底攪拌比上攪拌的軸短而細,軸的穩(wěn)定性好,既節(jié)省原料又節(jié)省加工 費,而且降低了安裝要求.所需的檢修空間比上攪拌小,避免了長軸 吊裝工作,有利于廠房的合理排列和充分利用.由于把笨重的減速機 裝置和動力裝置安放在地面基礎(chǔ)上,從而改善了封頭的受力狀態(tài),同 時也便于這些裝置的維護和檢修. 底攪拌雖然有上述優(yōu)點,但也有缺點,突出的問題是葉輪下部至軸封處的軸上常有固體物料粘積,時間一長,西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）9變成小團物料,混入產(chǎn)品中 影響產(chǎn)品質(zhì)量.為此需用一定量的室溫溶劑注入其間,注入速度應(yīng)大 于聚合物顆粒的沉降速度,以防止聚合物沉降結(jié)塊.另外,檢修攪拌 器和軸封時,一般均需將腹內(nèi)物料排凈。e. 臥式容器攪拌攪拌器安裝在臥式容器上面,殼降低設(shè)備的安裝高度,提高攪拌設(shè)備 的抗震性,改進懸浮液的狀態(tài)等.可用于攪拌氣液非均相系的物料。f. 臥式雙軸攪拌攪拌器安裝在兩根平行的軸上,兩根軸上的攪拌葉輪不同,軸速也不 等,這種攪拌設(shè)備主要用于高黏液體.采用臥式雙軸攪拌設(shè)備的目的 是要獲得自清潔效果。g. 旁入式攪拌旁入式攪拌設(shè)備是將攪拌裝置安裝在設(shè)備筒體的側(cè)壁上來實現(xiàn)攪拌的, 所以軸封結(jié) 構(gòu)是罪費腦筋的. 旁入式攪拌設(shè)備,一般用于防止原油儲罐泥漿的堆積,用于重油,汽 油等的石油制品的均勻攪拌,用于各種液體的混合和防止沉降等。h. 組合式攪拌有時為了提高混合效率,需要將兩種或兩種以上形式不同,轉(zhuǎn)速不同 的攪拌器組合起來使用,稱為組合式攪拌設(shè)備。本課題對于磨料水射流采用立式容器中心攪拌。前混合式磨料水射流來自高壓泵或增壓器的高壓水與磨料在磨料噴頭內(nèi)混合，系統(tǒng)壓力可由高壓泵或增壓器調(diào)節(jié)。磨料的供給應(yīng)均勻、流暢、無堵塞。下圖是水射流結(jié)構(gòu). 圖 2.5 水射流結(jié)構(gòu)3 噴頭裝置的設(shè)計103 噴頭裝置設(shè)計 3.1 磨料噴頭高壓水射流成套設(shè)置以噴嘴為中心，因而噴嘴是形成水射流的直接工作元件，他所形成的結(jié)果直接影響系統(tǒng)的各個部分，因此噴嘴的完善是成套設(shè)備技術(shù)水平提高的重要標志之一。磨料噴嘴的結(jié)構(gòu)比較簡單，基本上有兩段構(gòu)成，即錐狀入口和柱狀出口，不同用途噴嘴其尺寸略有不同，見表 3.1。表 3.1不同用途磨料噴嘴尺寸參數(shù) 磨料水射流切割用 前混合磨料水射流切割用長度 L/mm 50-80 ＞15da出口直徑 da/mm （3-4）da 有機組流量、壓力定錐角 a/（） 10-45 30 左右圓錐收斂型噴嘴的幾何參數(shù)主要有噴嘴的收縮角 a，入口和出口過渡形狀即倒角的曲率半徑 和 ，出口直徑 d，圓柱段長度 L和直徑 d的比值，還有1r2噴嘴長度 L及內(nèi)壁表面粗糙度等，如圖 3.1。圖 3.1 圓錐收斂型噴嘴的幾何參數(shù)通常情況下，磨料水射流的噴嘴的出口直徑 d取決于射流的流量與壓力，是設(shè)計噴嘴的原始數(shù)據(jù)。需要優(yōu)選的幾何參數(shù)有 a、 但高壓噴嘴的設(shè)計雖受某些結(jié)構(gòu)和尺寸的制約，其噴嘴的形狀會有些變化，但經(jīng)過大量的實驗證明 a為 13°―15°、 =2—4 時作業(yè)效果最佳，對噴嘴的磨損最小。dll西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）113.2 噴嘴的計算磨料水射流的基本參數(shù)包括射流壓力、射流流速、流動、功率、反沖力等動力學參數(shù)以及射流起始段長度、射流寬度等結(jié)構(gòu)參數(shù)。對連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點間應(yīng)用伯努力方程，忽略兩點間的高度差，可得出下列公式(3.1)式中： 、 -----------噴嘴內(nèi)外靜壓力1p2-----------------噴嘴內(nèi)外流體平均流速?在兩點間應(yīng)用連續(xù)方程可得(3.2) 1122A?????噴嘴流道為圓管形結(jié)構(gòu)，即 A= ，并假設(shè) ，有上列兩式的出21??(3.3)對工程應(yīng)用水射流，由于 ? ，由 ?1，同時將 =998 代入上1p2 ?式最后得出射流流速簡化表達式(3.4)t7.4??式中： ---------射流流速，tP--------射流壓力，MPa已知射流流速，可由 計算出射流流量，及射流流量等于射流出口Aq???速度乘噴嘴出口截面積，即---------射流流量，tqd--------- 噴嘴出口直徑，mm以上求出的是理論流 (3.5)pdqt21.?式中:速和流量，通過噴嘴的實際流速 u和流量 q要比該值小。將實際流量q與理論流量 的比值定義為流量系數(shù) ，則有t ?為經(jīng)驗常數(shù)，也可改寫為 tq???(3.6)????12241()vd??????????????412??????d3mkgminLsm?221????p西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）12tA??t???式中：A ------------ 射流的出口截面積----------- 噴嘴的出口截面積----------- 噴嘴界面收縮率?------------- 射流出口速度?------------- 射流出口理論流速t-------------- 噴嘴的速度系數(shù)?當流量和壓力定義后，也有以下關(guān)系式計算出射流功率P=16.67pq (3.7)式中：P-----------射流功率p-----------射流壓力q ----------射流流量，L/min或者 P=35.1 ，由此式可看出來水射流的功率對噴嘴直徑的變化比對壓力的變化敏感得多，水射流功率與噴嘴的直徑的平方成正比，而與壓力的 次冪成正比。高壓水射流用泵是基于正排量而設(shè)計的。這就是說單位時間內(nèi)泵總是以一個固定的流量凈排出管先進入噴嘴自噴孔流出形成的射流，沒有旁路的話，射流流量就是泵的流量泵所有流量通過噴嘴小孔須具備一定的流速，這就是泵要有做夠的壓力驅(qū)動，也就是說，當噴嘴孔的面積確定后，為是泵產(chǎn)生的流量全部經(jīng)噴嘴流出，隨著泵的流量和額定壓力參數(shù)的確定，與之相匹配的噴嘴孔徑尺寸也就唯一的確定下來。d=0.69 =0.69 (3.8)pq?412式中：d---------噴嘴孔出口直徑（簡稱噴嘴直徑） ，mmq----------射流體積流量， L/min---------噴嘴流量系數(shù)，是經(jīng)驗常數(shù)?P----------射流壓力，Mp噴嘴的流量系數(shù) 是通過噴嘴的實際流量 q 取決于噴嘴的幾何造型、內(nèi)表面粗糙度即內(nèi)部流流量狀態(tài)。它與其理論流量 的比值定義為噴嘴的流量系數(shù)t（參考下圖）該流量系數(shù)辯證了噴嘴的能量傳輸效率。2323pdt西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）13圖 3.2 泵于噴嘴的關(guān)系圖查《高壓水射流技術(shù)與應(yīng)用》中噴嘴采用圓錐收斂性流量系數(shù)為 95.0??泵的壓力為 P 為 30MPa，q 為 12.5L/min 代入式子得 d=1.05mm。3.3 磨料噴嘴的材料高速磨料離子對噴嘴的磨損，性質(zhì)上屬于磨料磨損的范圍。磨料磨損包括有滑動磨料磨損、沖擊破損和高壓力輾碎式磨料磨損、沖蝕磨損等。對磨料噴嘴的磨損其決定作用的是滑動磨料磨損，磨損的主要方式有為切削、微變形和疲勞。它不僅于噴嘴的材料形狀有關(guān)，而且磨料的顆粒、形狀、硬度、滑動速度等都有其影響，因此磨料噴嘴的磨損過程十分復雜。因此，合理的選擇射流壓力、磨料材料和顆?？捎行У靥岣邍娮斓氖褂脡勖?；高壓水射流的壓力范圍很廣，因而噴嘴的材料種類也很多。一般來講，噴嘴材料必須具有高硬度、高耐磨性的材料，如下表 3.2。表 3.2 常見磨料噴嘴材料性能性能 密度 抗彎強度 維氏硬度 斷裂韌性 熱膨脹系數(shù) 熱導率 干砂輪 濕砂輪 ROCTEC 10014.8 1100 2650 5.3 4.5 38 600 148043NSi3.2 600 1600 5.5 3.5 33 36.8 4.1SiC 3.22 460 2800 2.8 4.0 127 150 7.832OAi3.89 379 1400 3.0 8.0 36 9.6 0.84Zr 6.02 900 1300 9.0~11.0 11.0 2 43.2 1.31CB42.52 345 3000 2.5 4.5 40 118.5 11從表 3-2中可看出，SIC、 硬度雖高，但耐磨性一般，而 、CB4 43NSi西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）13、 等硬度不夠，耐磨性更差，無法使用，唯鈷基碳化鎢的耐磨性僅32OAl2Zr次于 ROCTEC100，是目前國內(nèi)應(yīng)用最廣的而材料。4 磨料水射流的發(fā)生裝置144 磨料水射流的發(fā)生裝置4.1 動力部件設(shè)計4.1.1 泵泵的有關(guān)計算VVmVVvtv nZDZUZSDASnq ?????? 2408240n60 32?????（4.1）A= ψ=24D?3Um式中： --------泵的實際流量， /svq3-------泵的理論流量 /st--------泵的容積系數(shù)，v?2A---------柱塞截面積,mS----------柱塞行程 ,mn------------泵速，即單位時間柱塞往復次數(shù)，次/minZ------------柱塞數(shù)；D------------柱塞直徑，m---------柱塞平均速度，m/sUψ----------程徑比由此可見，要確定 ，必須確定 n、S、 D、 Z等結(jié)構(gòu)參數(shù)。一般vq=0.80~0.95壓力與流量對 影響很大。但水射流用泵特點高壓、小流量，因v??此 值較低。過大，泵的運動副，尤其是柱塞密封副的摩擦磨損嚴重，直接影響到流mU量與壓力的下降； 過小,D 值必然增大，柱塞力于 成正比，這樣就是泵m 2D的總體尺寸和質(zhì)量增大。 =1.1 左右為宜，n 取值范圍在 300~550次/minUs取 330、ψ 一般取值范圍在 1.0~3.5 取 2.0 、Z=3 、D=100mm 、S=100 =0.9 經(jīng)計算得到 =0.0116 。2vq2vqsm34 磨料水射流的發(fā)生裝置144.1.2 選擇電動機的容量標準電動機的容量有額定功率表示，一般電動機的功率為西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）15(4.2)kwpd??式中： --------------工作及實際所要的電動機輸出功率，KW；dp--------------工作及所需要的功率；w----------------電動機至工作機之間傳動裝置的總效率；?工作及所需要的功率 應(yīng)由機器工作阻力和運動參數(shù)計算求得wp(4.3)kwF??10?或(4.4)kTnpww95式中：F -------- 工作機的阻力，Nu --------- 工作機的線速度，T----------- 工作機的阻力距 mN?---------- 工作機的轉(zhuǎn)速 wn----------工作機的效率?總效率 按下式計算=0.95×0.98×0.96=0.89 (4.5)?321?其中 、 、 分別是傳動裝置的每一傳動副（齒輪、蝸桿、帶或鏈）傳動效123率。 4.1.3 確定電動機的轉(zhuǎn)速和選擇電動機類型和結(jié)構(gòu)形式要根據(jù)電源（交流與直流） 、工作條件（溫度、環(huán)境、空間尺寸）和載荷特點（性質(zhì)、大小、啟動性能和過載情況）來選擇電動機的類型。對于用以類型的電動機，相同的額定功率有多種轉(zhuǎn)速可供選用。按照工作機轉(zhuǎn)速要求和傳動機構(gòu)的合理傳動比范圍，可以推算出電動機轉(zhuǎn)速的可選范圍，如(4.6)wniin)321(??mir式中：n ------------------ 電動機可選擇范圍---------- 各級傳動機構(gòu)的合理傳動比范圍。1ini?2sinr西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）16對于 Y系列的電動機并結(jié)合攪拌罐等特點，通常多選用 1000轉(zhuǎn)數(shù)的電動機。150~minrinr根據(jù)選定的電動機類型、結(jié)構(gòu)、容量和轉(zhuǎn)速，查表得出，一般沒有特殊要求用交流電動機。要帶動攪拌器所需功率查《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》可知選用 Y112M-4電機型號，其額定功率為 4KW，滿載轉(zhuǎn)速為 1440 。minr設(shè)計傳動裝置是一般按工作機實際需要的電動機輸出功率 計算，轉(zhuǎn)速則dp取滿載轉(zhuǎn)速4.2 聯(lián)軸器的類型和型號聯(lián)軸器除聯(lián)接兩軸并傳遞轉(zhuǎn)矩外，有些還具有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能，以及具有緩沖、吸震、安全保護等功能。因此要根據(jù)傳動裝置選擇聯(lián)軸器。通過對軸和攪拌桿的聯(lián)接，查表《機械設(shè)計課程設(shè)計手冊》可知聯(lián)軸器選用凸緣聯(lián)軸器并且根據(jù)軸的直徑是 24，從而選用聯(lián)軸器型號 YL3，公稱轉(zhuǎn)矩是25N*m許用轉(zhuǎn)矩為 10000 ，轉(zhuǎn)動慣量為 0.006。minr4.3 軸軸是組成機械的主要零件之一。一切作回轉(zhuǎn)運動的傳動零件，都必須裝在軸上才能進行運動及動力的傳遞，同時它也通過軸承和機架聯(lián)接。4.3.1 軸材料的選擇軸是機械設(shè)備中最為重要和非常關(guān)鍵的零件之一，軸質(zhì)量的好壞直接影響著磨料水射流的機械設(shè)備的壽命。同一軸如果采用不同的材料制作，則軸的尺寸、結(jié)構(gòu)、加工方法、工藝要求都會有所不同。機械上常用的材料有中碳鋼、合金鋼、鑄鐵等材料。在選擇材料上應(yīng)根據(jù)軸的工作條件和失效形式進行綜合分析，確定其強度、硬度、塑性、韌性、耐磨性和疲勞強度等機械性指標。然而軸的一般工作條件按受載狀態(tài)可分為 3種：一是承受交變扭轉(zhuǎn)載荷、交變彎曲載荷或拉壓載荷的軸；二是局部承受磨損和摩擦的軸，主要是軸頸或花鍵出應(yīng)有較高的硬度和耐磨性；三是大多數(shù)軸要承受的一定沖擊載荷。所以在對軸的選材很重要。本課題攪拌罐中攪拌軸主要承受交變扭矩作用，故對它的扭轉(zhuǎn)強度要求較高，因其工作在磨料漿液中，還需具備較好的耐磨性及較高的疲勞強度，故本課題中攪拌軸采用碳鋼制作，最常用的是 45號鋼。4.3.2 按扭轉(zhuǎn)強度條件計算這種方法是根據(jù)軸所受的扭矩來計算軸的強度，對于軸上還作用較小的彎西安工業(yè)大學北方信息工程學院畢業(yè)設(shè)計（論文）17矩時，通常是降低需用扭轉(zhuǎn)切應(yīng)力的辦法予以考慮。在做軸的結(jié)構(gòu)設(shè)計上時，常用以下方法估算軸頸。電機的額定功率為 P=4kW，主軸的轉(zhuǎn)速為 n=1440r/min，可