超高压磨料射流切割系统及其关键技术研究

发布时间：2020-07-08 00:22

【摘要】：超高压磨料射流能够满足高强度高硬度新型材料的切割市场需求,使得企业纷纷在该领域投入大量资金进行研究和开发。目前,欧美国家的磨料射流切割装备及备件占据全球85%以上市场份额。相对于国外,国内磨料射流设备的关键部件如增压器、切割头喷嘴等还主要依赖进口,在理论研究方面也相对滞后。因此,本文从工程实际出发,进一步研究超高压磨料射流切割系统涉及的压力脉动、超高压密封及切割头混合腔结构等关键技术和理论问题。主要研究工作如下:分析超高压系统压力流量脉动特性,建立多种稳压稳流量融合的时序控制技术。根据超高压增压系统工作原理,建立双组增压缸系统数学方程,并采用仿真技术分析评估柱塞运动相位差、蓄能器容积大小及双泵组时序控制对系统压力流量的影响,以确定时序控制对流量压力参数的影响规律,实现双组增压缸超高系统单双切割头射流流量压力的精确控制。利用间隙密封原理,设计一种圆筒形柱塞结构的超高压自补偿变间隙密封。为规避接触式密封件超高压下摩擦力大、寿命低等缺陷,并解决恒间隙密封泄漏量随工作压力升高而增大问题,将高压柱塞端部设计为圆筒形结构。通过分析圆筒形柱塞变形理论,解析计算柱塞高压端腔体受内外压力差作用产生的径向弹性变形量,并迭代计算不同工作压力、不同初始间隙下的间隙压力分布、间隙量分布及泄漏量,在弹性变形范围内自动调节柱塞与衬套间的节流间隙,解决增压缸高压柱塞往复动密封技术难题。采用静压支承技术对圆筒形柱塞进行导向支承,确保超高压变形柱塞与缸筒衬套在往复运动过程中同心对中。柱塞两端导向套内分别开设静压油腔,通过外部输入的压力油为柱塞提供支承力。当柱塞承受倾覆力矩载荷时,在保持油腔支承间隙不变的条件下,分析圆柱形滑阀反馈节流器的静压支承静动态特性,并设计一种圆台形滑阀反馈节流器,使其进油变量指数等于支承油腔排油变量指数,进一步提高静压支承系统抵抗偏载荷的响应能力。研究高速射流下的磨料混合机理,并分析不同混合腔结构对磨料射流参数的影响。通过数值仿真计算磨料水射流喷嘴内各节点的速度等参数分布,分析单向进砂、周向进砂磨粒颗粒的混合及加速特性,并比较切割头混合腔不同进砂方式的能量利用率情况。通过实验方法分析超高压射流增压系统压力稳定性,并比较不同进砂方式对磨料喷嘴的磨蚀。通过设置不同的射流水压、切割头移动速度、磨粒流量、工件厚度及工件强度等参数进行系列切割实验,探讨建立双向进砂磨料射流切割深度预测模型。
【学位授予单位】：武汉科技大学
【学位级别】：博士
【学位授予年份】：2018
【分类号】：TG48
【图文】：

前混合磨料射流,磨料射流

传统的机械加工方法难以满足其切削加工需求，这就使得新型切削加工技术压磨料射流切割技术应时而生[1][2]。超高水射流是使用增压设备产生 100～400MPa 超高压水，经过一定形状形成能量集中的高速水射流束。如若在水中混合高硬度的固体磨料颗粒如石石榴石、陶粒等，形成可用于切割各类材料的高速磨料射流[3]，称为超高磨料术。超高磨料射流切割具有无热变形、加工精度高、可切割各类硬脆材料等特根据磨料颗粒的引入方式，磨料射流一般分为前混合磨料射流和后混合流两大类。前混合式磨料射流是指磨料颗粒与高压水在磨料罐内和管道中先合，再送至喷嘴进一步混合和加速，如图 1.1 所示。此种方式能够使高压水与匀混合，但对管路和喷嘴磨损大，喷嘴寿命短，且系统工作压力受限。后混料射流是增压后的纯水经过水喷嘴形成高速射流，再与输送至混合腔内的固进行混合，并将能量传递给固体颗粒形成磨料射流束，如图 1.2 所示。该方式磨料流量，且可实现超高压力射流，但磨粒以较低初始速度进入混合腔，不速水充分混合。本文将超高压后混合磨料射流系统简称为超高压磨料射流切割

磨料射流

超高压,柱塞泵

级以上增压技术产品；JetEdge在2014 年推出柴油驱动的 5.1L/min 水射流超高压泵，用于移动水射流切割应用。国内山东大学、中国矿业大学、中山大学、南京理工大学、长沙矿山研究院等多所高校及研究机构一直致力于高压水射流技术的研究。宋清俊、雷玉勇建立了基于液压增压缸原理的增压系统数学模型，并应用动态仿真工具软件包 Simulink 仿真研究增压系统压力脉动[31]。侯健、王海波、薛胜雄等对系统压力稳定的主要因素如稳压器容积的大小、方向阀转换时间、喷嘴直径等进行了分析[32-34]，认为超高压增压器压力脉动主要由两因素引起，一是当液压油自液压活塞的一侧换向到另一侧时，高压柱塞运行换向引起输出为零的死点现象；二是初始增压时间导致系统排出压力延迟。柱塞运动的死点效应不能避免，可以通过非常灵敏的止回阀和油换向阀进行限制，油换向阀的极度灵敏可以使进入增压器的油液保持连续。系统的初始增压时间只能通过柱塞高速运动尽快达到设定压力，缩短系统增压时间。在国内科研机构的推动下，中国出现上海金箭和南京大地等射流切割设备供应商。

【参考文献】