專利名稱：水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)的制作方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，，屬于水射流
背景技術(shù)：
國際上，淹沒磨料射流技術(shù)的研究已經(jīng)有過一些成功的例子，80年代末，德國漢諾威大學(xué)利用淹沒磨料射流對鋼材進(jìn)行了切割試驗，以尋找淹沒射流的有效參數(shù)。90年代初，德法兩國研究者用遠(yuǎn)程控制技術(shù)將磨料切割頭放置于水下15米處進(jìn)行實驗，用于驗證切割的控制技術(shù)、磨損的狀態(tài)及切割的效果。2000年11月，在俄羅斯“庫爾斯克”號核潛艇打撈救援中，事先需要在核潛艇的不同船艙體外壁上鉆或切割一個孔口，以探測核潛艇內(nèi)有無核泄漏。由于工作環(huán)境在水下100多米，不允許采用任何熱切割的方式，這成了技術(shù)上的難題。最后，英國Oil States MCS有限公司成功運用了淹沒磨料射流的切割技術(shù)，現(xiàn)場成功地在艙體外切割出幾個孔口，滿足了這一高難度的現(xiàn)場操作要求，為該項技術(shù)的進(jìn)一步完善和推廣提供了典范。這一事件也證明了淹沒磨料射流在水下應(yīng)用的可能性與重要性，水下的特殊環(huán)境決定了水下工程技術(shù)的困難性和復(fù)雜性，也使得陸上的一些加工技術(shù)不適宜在水下應(yīng)用。在國內(nèi)，1997年，重慶大學(xué)設(shè)計了前混合磨料射流水下切割試驗系統(tǒng)并進(jìn)行了水下切割鋼板的試驗研究，探討了射流壓力、靶距、噴嘴橫移速度與切割深度之間的關(guān)系。1998年，寧波高等?？茖W(xué)校研究了前混合淹沒磨料射流的沖蝕特性，對影響淹沒磨料射流性能的諸因素，如靶距、系統(tǒng)工程壓力、磨料濃度和噴嘴橫移速度進(jìn)行了分析，為進(jìn)一步研究淹沒磨料射流提供了實驗依據(jù)。2001年，石油大學(xué)利用PTV測速技術(shù)對淹沒條件下磨料漿體射流中，對流體及磨料的速度與PAM濃度關(guān)系進(jìn)行了系統(tǒng)的測量研究以及在淹沒和非淹沒的條件下旋轉(zhuǎn)磨料射流沖蝕套管的試驗研究。國內(nèi)的這些研究，充分展現(xiàn)了磨料射流在水下的沖蝕性能，極大地豐富了磨料射流的發(fā)展，同時也為新型的加工工藝和增加環(huán)境效應(yīng)提供了新的思路。隨著人類開發(fā)海洋的日益興起，水下切割技術(shù)在水下工程中有著廣泛的應(yīng)用前景，是21世紀(jì)的關(guān)鍵核心技術(shù)之一。然而水下壓力的變化、水下高壓影響以及水下工作環(huán)境的不同，使得傳統(tǒng)的加工方法在水下工況應(yīng)用時變得越來越困難以至于不能適應(yīng)了，因此，研究水下切割機(jī)理、尋找新型的水下成型加工工具是許多研究人員目前所面臨的重要課題。然而，目前，尚無可以實現(xiàn)任意水深的水下后混合磨料射流切割環(huán)境模擬的實驗裝置。

發(fā)明內(nèi)容
本發(fā)明的目的是為了提高射流在水下的切割效果，實現(xiàn)任意水深的水下切割環(huán)境模擬，提供一套水下高圍壓后混合磨料射流實驗裝置系統(tǒng)，可以實現(xiàn)任意水深的水下切割環(huán)境模擬，并且能解決水下高圍壓條件下磨料的供給及回水兩大難題。在此基礎(chǔ)上可進(jìn)行沖蝕實驗，系統(tǒng)地探索磨料射流在水下的切割性能，為其在大水深、高圍壓背景下的應(yīng)用提供依據(jù)。
本發(fā)明的理論依據(jù)是根據(jù)加拿大M.M.Vijay及Vicker等人創(chuàng)立的人工淹沒射流狀態(tài)，經(jīng)過多年的研究與實驗，逐步完善成為人工淹沒條件射流技術(shù)理論，當(dāng)淹沒水深H與噴嘴直徑D之比H/D大于100時，就可以認(rèn)為此時的淹沒狀態(tài)為完全淹沒狀態(tài)，即此時的射流可以被認(rèn)為是水下射流。本發(fā)明就是據(jù)此理論建立水下磨料射流模擬實驗裝置，通過這個裝置在實驗室條件下模擬幾十米或更深的水下環(huán)境。根據(jù)流體力學(xué)的基本原理，由于水深的變化所產(chǎn)生的最直接的因素就是環(huán)境壓力的變化。水平面下任意深度h處的壓力可以表示為P＝P0+ρgh(1)這里ρ為液體的密度，P0為自由液面處的壓力值。對于海平面處的壓力值P0為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓，這樣就可以算出海平面下任意深度h處的壓力值。在常壓下，即P0為一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時，如果模擬水下100米的深度，僅僅通過改變h的大小來達(dá)到要求，這在實驗室條件下顯然是不切實際的。所以我們考慮可以通過改變自由液面處的壓力值來模擬水下環(huán)境。首先我們設(shè)想建立一個密閉容器，取噴嘴淹沒水深為100D(D為噴嘴直徑)，根據(jù)M.M.Vijay等人創(chuàng)立了人工淹沒射流理論，此工況已經(jīng)屬于完全淹沒狀態(tài)，不會影響射流的沖蝕性能。然后用空壓機(jī)將密閉容器的上半部分自由液面處的壓力增至10個或20個大氣壓，由公式(1)可知此時h不變，P0改變，相當(dāng)于噴嘴出口液面的水深增加了100m或200m，此時就可以較好地實現(xiàn)模擬高水深條件下的水下環(huán)境，為水下射流模擬實驗裝置的建立提供了理論依據(jù)。
根據(jù)上述理論，本發(fā)明的技術(shù)方案是整個系統(tǒng)主要由水下環(huán)境模擬系統(tǒng)和水下磨料射流切割系統(tǒng)組成，水下磨料射流切割系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生系統(tǒng)、水射流管路系統(tǒng)、磨料射流噴嘴系統(tǒng)、水下磨料供給系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)組成。
水下環(huán)境模擬系統(tǒng)置有密閉容器；置有用來對密閉容器內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，模擬任意深度的水下環(huán)境的空氣壓縮機(jī)及精確檢測密閉容器內(nèi)部壓力的精密壓力表；系統(tǒng)置有通過水位檢測用于對淹沒水深控制的水位計；系統(tǒng)還置有用于對密閉容器密封、排氣及維護(hù)系統(tǒng)安全的針形閥、安全閥、止回閥、視鏡孔、消聲器。
高壓水發(fā)生系統(tǒng)主要由高壓泵源組成，水射流管路系統(tǒng)是是連接高壓水發(fā)生系統(tǒng)與水下環(huán)境模擬系統(tǒng)的管路部分，它還包括注水管路、泄水管路以及管路中的槍閥、閘閥，槍閥位于噴槍和高壓泵源之間，用來控制高壓水的開啟和關(guān)閉，槍閥處裝有高壓精密壓力表，用于測量高壓泵源所提供的壓力。
磨料射流噴嘴系統(tǒng)主要包括磨料噴頭、噴嘴座、靶距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，磨料噴頭由水噴嘴和磨料噴嘴及噴頭體組成，通過一段不銹鋼管與高壓管路連接，靶距調(diào)節(jié)系統(tǒng)位于壓力容器內(nèi)部靠近操作口處，由試樣下面置于工作臺上的一系列調(diào)整墊片組成。
水下磨料供給系統(tǒng)采用由高壓水射流的引射來供給磨料的后混合干式輸料的方式供料，通過閥門控制磨料供給量，在輸送管路上設(shè)置一個氣閥，用壓縮空氣來吹干輸砂管；在磨料管的上方增加了一路壓縮空氣，與密閉容器內(nèi)高圍壓相平衡。
流量測試系統(tǒng)由渦輪流量變送器、頻率計和穩(wěn)壓電源組成，渦輪流量變送器直接連在高壓管路中。
本發(fā)明的基本原理是自來水通過高壓泵源增壓，高壓水經(jīng)過高壓管路送至磨料噴頭，射流未進(jìn)行時槍閥是關(guān)閉的，此時高壓水從卸荷閥回流。射流進(jìn)行時槍閥開啟，高壓水經(jīng)槍閥流過高壓軟管到達(dá)磨料噴頭，水流通過噴嘴后形成高速射流，從而對試件材料產(chǎn)生沖蝕作用。它可以實現(xiàn)任意水深的水下切割環(huán)境模擬，很好解決了水下高圍壓條件下磨料的供給及回水兩大難題。在此基礎(chǔ)上進(jìn)行了沖蝕實驗，系統(tǒng)地探索磨料射流在水下的切割性能，為其在大水深、高圍壓背景下的應(yīng)用提供依據(jù)，這對于水下加工乃至未來的海洋開發(fā)工程都將意義深遠(yuǎn)。實踐表明，該實驗系統(tǒng)設(shè)計合理，功能完善，可以用來模擬任意水深下的磨料射流沖蝕性能的研究。


圖1為一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)框圖；圖2為一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)結(jié)構(gòu)示意圖；圖3為靶距調(diào)節(jié)裝置示意圖；圖4為組合式磨料噴頭結(jié)構(gòu)示意圖具體實施方式

由圖1所示，主要由水下環(huán)境模擬系統(tǒng)和水下磨料射流切割系統(tǒng)組成，水下磨料射流切割系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生系統(tǒng)、水射流管路系統(tǒng)、水下環(huán)境模擬系統(tǒng)、磨料射流噴嘴系統(tǒng)、水下磨料供給系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)組成。
1、水下環(huán)境模擬系統(tǒng)，如圖2所示，它由密閉容器15；置有用來對密閉容器內(nèi)的空氣的空氣壓縮機(jī)4、精密壓力表8、18、水位計5、針形閥和消聲器14、安全閥6、止回閥3、視鏡孔20組成。密閉容器15是整個系統(tǒng)的主體，其設(shè)計壓力為1.6Mpa，屬中壓容器。最大壓力為2.5Mpa，外形尺寸為Φ1224mm×1800mm，制造材料為20號容器用鋼?？諝鈮嚎s機(jī)4是用來對密閉容器15內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，使得該處自由液面的壓力P0增大，從而來模擬任意深度的水下環(huán)境。該空壓機(jī)的型號為PU-1型，額定壓力為8kgf/cm2，即最大模擬水深可達(dá)80米。水位計5是用來對淹沒水深進(jìn)行控制，使得淹沒條件滿足H＞100D，符合完全淹沒狀態(tài)。視鏡孔20是用來對實驗過程進(jìn)行觀測，也可以使用高速攝影儀從視鏡孔處對整個實驗過程進(jìn)行拍攝，以便更好地觀察空化現(xiàn)象的產(chǎn)生和發(fā)展，以及對物料的沖蝕作用。精密壓力表是用來控制密閉容器內(nèi)的壓力，精確地模擬任意深度的水下環(huán)境，同時觀測在實驗過程中密閉容器內(nèi)部的壓力變化，并分析其影響。針形閥和消聲器14、安全閥6、止回閥3等組件是用來對密閉容器進(jìn)行密封和排氣的，維護(hù)系統(tǒng)的安全性和可靠性。熱電偶19和溫度測量系統(tǒng)26用來測量密閉容器15內(nèi)溫度。
2、壓水發(fā)生系統(tǒng)與水射流管路系統(tǒng)，由圖2所示，高壓水發(fā)生系統(tǒng)主要由高壓泵源1組成，高壓水發(fā)生系統(tǒng)是整個實驗裝置的關(guān)鍵部分之一，它直接決定了射流能量的大小，這將影響水下磨料射流的切割性能。為了達(dá)到實驗的要求，本系統(tǒng)的高壓泵源由QL-615型高壓清洗機(jī)改裝而成，采用BZ-615型高速精密陶瓷柱塞泵，驅(qū)動電機(jī)是功率為4千瓦的Y112-4(T)型三相異步電動機(jī)，同時還配有FH-165型泄荷閥。BZ-615型高速精密陶瓷柱塞泵采用精密陶瓷作柱塞，因其硬度特別高，表面又極其光滑，在使用中幾乎不磨損，所以柱塞壽命大大延長。FH-165型泄荷閥在噴嘴堵塞或槍閥關(guān)閉時可以實現(xiàn)自動卸荷，從而保證了整個系統(tǒng)的安全性。高壓泵的相關(guān)工作參數(shù)為額定轉(zhuǎn)速1450r/min，理論流量15.7L/min，額定工作壓力為13Mpa，最高壓力為15Mpa，配套功率為4KW。整個系統(tǒng)的特點是高壓、高速、結(jié)構(gòu)緊湊。
3、水射流管路系統(tǒng)是是連接高壓水發(fā)生系統(tǒng)與水下環(huán)境模擬系統(tǒng)的管路部分，它還包括注水管路23、泄水管路21以及管路中的槍閥2、閘閥22等部分，其性能的好壞直接關(guān)系到整個實驗?zāi)芊耥樌M(jìn)行。槍閥屬于一種用扳手來開關(guān)的單向控制閥，槍閥位于噴槍和高壓泵源之間，用來控制高壓水的開啟和關(guān)閉，槍閥處裝有高壓精密壓力表，用于測量高壓泵源所提供的壓力，其精度達(dá)到1kgf/cm2，量程為200kgf/cm2，足以滿足實驗的精度。除泄水管路和注水管路由鐵管連接外，其余的管路系統(tǒng)由高壓軟管連接，并配有快速接頭，大大方便了整個系統(tǒng)的組裝和維護(hù)。
4、磨料射流噴嘴系統(tǒng)，由圖2、圖3所示，它主要包括磨料噴頭25、靶距調(diào)節(jié)系統(tǒng)，磨料噴頭由水噴嘴和磨料噴嘴及噴頭體組成，通過一段不銹鋼管與高壓管路連接，圖2中，17為磨料輸送管。靶距調(diào)節(jié)系統(tǒng)位于壓力容器內(nèi)部靠近操作口16處，由試樣24下面置于工作臺30上的一系列調(diào)整墊片29組成，最上一塊用于固定靶物即工件24。其余各塊分成兩組，一組的厚度分別為5mm和10mm，用于基本靶距的調(diào)節(jié)，另一組的厚度分別為1mm和2mm，用于靶距的微調(diào)。試驗時先使磨料噴頭25的噴嘴與靶物24接觸，然后按照所要求的靶距抽去相應(yīng)厚度的調(diào)整墊塊即可達(dá)到靶距調(diào)整的目的。工作臺30的總體高度為130mm可實現(xiàn)的靶距調(diào)節(jié)范圍為0～100mm，這對于小直徑噴嘴的淹沒水射流試驗而言，已經(jīng)足夠了。
磨料噴頭25為組合式磨料噴頭，由圖4所示，它包括聯(lián)接管31、水噴嘴32、噴頭體33、混合腔34、磨料噴嘴收縮段35、磨料噴嘴直線段36、鎖緊螺母37、快速磨料接頭38，磨料噴頭的磨料噴嘴為一種由各種不同收縮角α的收縮段35與各種不同長度的直線段36組合而成組合式磨料噴嘴。即是把磨料噴嘴的收縮段與直線段分開；加工出不同收縮角α的收縮段及各種不同長度的直線段，再利用數(shù)學(xué)上的組合概念形成不同的組合式磨料噴嘴；噴嘴內(nèi)部用WC，因在水下作業(yè)，所以外套用不銹剛加工，這樣既節(jié)省成本，又易于對中。該組合噴嘴的設(shè)計既節(jié)省了成本，減少了加工周期，又易于在試驗中實現(xiàn)參數(shù)的優(yōu)化。例如假設(shè)有同一直徑的收縮角分別為α1，α2的2個收縮段，以及長度分別為L1、L2、L3的3個直線段的磨料噴嘴，按照組合的思路，我們可以得到組合噴嘴的總數(shù)為N＝C21(C31+C32+C33)＝2(3+3+1)＝14但是按傳統(tǒng)的設(shè)計，就要加工14個磨料噴嘴。按照我們的設(shè)計思想，只需加工5個小件就可以得到14個磨料噴嘴。這就大大節(jié)省了成本及加工周期，由此可見，該設(shè)計的意義是十分重要的。
5、水下磨料供給系統(tǒng)，它采用由高壓水射流的引射來供給磨料的后混合干式輸料的方式供料，通過閥門控制磨料供給量，為改善磨料的流動性能，采用底部為錐形的磨料罐，并增加一托盤以利引流。在輸送管路上設(shè)置一個氣閥，用壓縮空氣來吹干輸砂管；在磨料管的上方增加了一路壓縮空氣，與密閉容器內(nèi)高圍壓相平衡。水下磨料供給裝置如圖9上部所示，它包括磨料罐9、壓力表10、氣閥11、磨料杯12和磨料閥13。
6、流量測試儀由渦輪流量變送器7、頻率計27和穩(wěn)壓電源28組成，渦輪流量變送器7直接連在高壓管路中。
權(quán)利要求
1.一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，整個系統(tǒng)主要由水下環(huán)境模擬系統(tǒng)和水下磨料射流切割系統(tǒng)組成，水下磨料射流切割系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生系統(tǒng)、水射流管路系統(tǒng)、磨料射流噴嘴系統(tǒng)、水下磨料供給系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)。
2.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述的水下環(huán)境模擬系統(tǒng)置有密閉容器(15)；置有用來對密閉容器內(nèi)的空氣進(jìn)行壓縮，模擬任意深度的水下環(huán)境的空氣壓縮機(jī)(4)及精確檢測密閉容器內(nèi)部壓力的精密壓力表(8)、(18)；系統(tǒng)置有通過水位檢測用于對淹沒水深控制的水位計(5)；系統(tǒng)還置有用于對密閉容器密封、排氣及維護(hù)系統(tǒng)安全的針形閥和消聲器(14)、安全閥(6)、止回閥(3)、視鏡孔(20)。
3.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述的高壓水發(fā)生系統(tǒng)主要由高壓泵源(1)組成，水射流管路系統(tǒng)是是連接高壓水發(fā)生系統(tǒng)與水下環(huán)境模擬系統(tǒng)的管路部分，它還包括注水管路(23)、泄水管路(21)以及管路中的槍閥(2)、閘閥(22)，槍閥位于噴槍和高壓泵源之間，槍閥處裝有高壓精密壓力表。
4.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述的磨料射流噴嘴系統(tǒng)主要包括磨料噴頭、噴嘴座、靶距調(diào)節(jié)系統(tǒng)。
5.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，所述的磨料噴頭包括聯(lián)接管(31)、水噴嘴(32)、噴頭體(33)、混合腔(34)、磨料噴嘴收縮段(35)、磨料噴嘴直線段(36)、鎖緊螺母(37)、快速磨料接頭(38)，其特征在于，磨料噴頭的磨料噴嘴為一種由各種不同收縮角α的收縮段(35)與各種不同長度的直線段(36)分體組合而成。
6.根據(jù)權(quán)利要求1、4所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，所述的靶距調(diào)節(jié)裝置位于密閉容器(15)內(nèi)部靠近操作口(16)處，由試樣(24)下面置于工作臺(30)上的一系列調(diào)整墊片(29)組成。
7.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述的水下磨料供給系統(tǒng)采用由高壓水射流的引射來供給磨料的后混合干式輸料的方式供料，通過閥門控制磨料供給量，在輸送管路上設(shè)置一個氣閥，用壓縮空氣來吹干輸砂管；在磨料罐的上方增加了一路與密閉容器內(nèi)高圍壓相平衡的壓縮空氣。
8.根據(jù)權(quán)利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，其特征在于，所述的流量測試系統(tǒng)由渦輪流量變送器(7)、頻率計(27)和穩(wěn)壓電源(28)組成，渦輪流量變送器(7)直接連在高壓管路中。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置系統(tǒng)，它主要由水下環(huán)境模擬系統(tǒng)和水下磨料射流切割系統(tǒng)組成，水下磨料射流切割系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生系統(tǒng)、水射流管路系統(tǒng)、磨料射流噴嘴系統(tǒng)、水下磨料供給系統(tǒng)、流量測試系統(tǒng)組成。它可以實現(xiàn)任意水深的水下切割環(huán)境模擬，解決了水下高圍壓條件下磨料的供給及回水兩大難題。實踐表明，該實驗系統(tǒng)設(shè)計合理，功能完善，可以用來模擬任意水深下的磨料射流沖蝕性能的研究。
文檔編號G09B23/06GK1526511SQ0311570
公開日2004年9月8日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權(quán)日2003年3月7日
發(fā)明者胡壽根, 寧原林, 丁勝, 蔣旭平 申請人:上海理工大學(xué)