專利名稱：水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置的制作方法
技術領域：
本實用新型涉及一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，屬于水射流技術領域。
背景技術：
國際上，淹沒磨料射流技術的研究已經有過一些成功的例子，80年代末，德國漢諾威大學利用淹沒磨料射流對鋼材進行了切割試驗，以尋找淹沒射流的有效參數。90年代初，德法兩國研究者用遠程控制技術將磨料切割頭放置于水下15米處進行實驗，用于驗證切割的控制技術、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，現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場操作要求，為該項技術的進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的困難性和復雜性，也使得陸上的一些加工技術不適宜在水下應用。在國內，1997年，重慶大學設計了前混合磨料射流水下切割試驗系統(tǒng)并進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系。1998年，寧波高等?？茖W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行了分析，為進一步研究淹沒磨料射流提供了實驗依據。2001年，石油大學利用PTV測速技術對淹沒條件下磨料漿體射流中，對流體及磨料的速度與PAM濃度關系進行了系統(tǒng)的測量研究以及在淹沒和非淹沒的條件下旋轉磨料射流沖蝕套管的試驗研究。國內的這些研究，充分展現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，水下切割技術在水下工程中有著廣泛的應用前景，是21世紀的關鍵核心技術之一。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用時變得越來越困難以至于不能適應了，因此，研究水下切割機理、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)明內容
本實用新型的目的是為了提高射流在水下的切割效果，實現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，可以實現任意水深的水下切割環(huán)境模擬，以能解決水下高圍壓條件下磨料的供給及回水兩大難題。在此基礎上可進行沖蝕實驗，系統(tǒng)地探索磨料射流在水下的切割性能，為其在大水深、高圍壓背景下的應用提供依據。
本實用新型的理論依據是根據加拿大M.M.Vijay及Vicker等人創(chuàng)立的人工淹沒射流狀態(tài)，經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理論，當淹沒水深H與噴嘴直徑D之比H/D大于100時，就可以認為此時的淹沒狀態(tài)為完全淹沒狀態(tài)，即此時的射流可以被認為是水下射流。本發(fā)明就是據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。根據流體力學的基本原理，由于水深的變化所產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為一個標準大氣壓，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為一個標準大氣壓時，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M.M.Vijay等人創(chuàng)立了人工淹沒射流理論，此工況已經屬于完全淹沒狀態(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。
根據上述理論，本發(fā)明的技術方案是一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，它主要由水下環(huán)境模擬裝置和水下磨料射流切割裝置組成，其特點是，水下環(huán)境模擬裝置置有密閉容器，置有用來對密閉容器內的空氣進行壓縮，模擬任意深度的水下環(huán)境的空氣壓縮機及精確檢測密閉容器內部壓力的精密壓力表，裝置置有通過水位檢測用于對淹沒水深控制的水位計，裝置還置有用于對密閉容器密封、排氣及維護系統(tǒng)安全的針形閥和消聲器、安全閥、止回閥、視鏡孔；水下磨料射流切割裝置包括高壓水發(fā)生裝置、水射流管路系統(tǒng)、磨料射流噴嘴裝置、水下磨料供給裝置、流量測試儀，所述的高壓水發(fā)生裝置主要由高壓泵源組成，水射流管路系統(tǒng)是連接高壓水發(fā)生裝置與水下環(huán)境模擬裝置的管路部分，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，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。
磨料射流噴嘴裝置主要包括磨料噴頭、噴嘴座、靶距調節(jié)裝置，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，靶距調節(jié)裝置位于壓力容器內部靠近操作口處，由試樣下面置于工作臺上的一系列調整墊片組成。
水下磨料供給裝置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，與密閉容器內高圍壓相平衡。
流量測試儀由渦輪流量變送器、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，高壓水經過高壓管路送至磨料噴頭，射流未進行時槍閥是關閉的，此時高壓水從卸荷閥回流。射流進行時槍閥開啟，高壓水經槍閥流過高壓軟管到達磨料噴頭，水流通過噴嘴后形成高速射流，從而對試件材料產生沖蝕作用。它可以實現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。在此基礎上進行了沖蝕實驗，系統(tǒng)地探索磨料射流在水下的切割性能，為其在大水深、高圍壓背景下的應用提供依據，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。實踐表明，該實驗裝置設計合理，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結構示意圖；圖3為靶距調節(jié)裝置示意圖；圖4為組合式磨料噴頭結構示意圖具體實施方式
由圖1所示，主要由水下環(huán)境模擬裝置和水下磨料射流切割裝置組成，水下磨料射流切割裝置包括高壓水發(fā)生裝置、水射流管路系統(tǒng)、水下環(huán)境模擬裝置、磨料射流噴嘴裝置、水下磨料供給裝置、流量測試儀組成。
1、水下環(huán)境模擬裝置，如圖2所示，它由密閉容器15；置有用來對密閉容器內的空氣的空氣壓縮機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4是用來對密閉容器15內的空氣進行壓縮，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。該空壓機的型號為PU-1型，額定壓力為8kgf/cm2，即最大模擬水深可達80米。水位計5是用來對淹沒水深進行控制，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行拍攝，以便更好地觀察空化現象的產生和發(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行密封和排氣的，維護系統(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內溫度。
2、高壓水發(fā)生裝置與水射流管路系統(tǒng)，由圖2所示，高壓水發(fā)生裝置主要由高壓泵源1組成，高壓水發(fā)生裝置是整個實驗裝置的關鍵部分之一，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。。為了達到實驗的要求，本系統(tǒng)的高壓泵源由QL-615型高壓清洗機改裝而成，采用BZ-615型高速精密陶瓷柱塞泵，驅動電機是功率為4千瓦的Y112-4(T)型三相異步電動機，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閉時可以實現自動卸荷，從而保證了整個裝置的安全性。高壓泵的相關工作參數為額定轉速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、結構緊湊。
3、水射流管路系統(tǒng)是是連接高壓水發(fā)生裝置與水下環(huán)境模擬裝置的管路部分，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系到整個實驗能否順利進行。槍閥屬于一種用扳手來開關的單向控制閥，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。
4、料射流噴嘴裝置，由圖2、圖3所示，它主要包括磨料噴頭25、靶距調節(jié)裝置，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。靶距調節(jié)裝置位于密閉容器15內部靠近操作口16處，17為磨料輸送管，由試樣24下面置于工作臺30上的一系列調整墊片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，用于基本靶距的調節(jié)，另一組的厚度分別為1mm和2mm，用于靶距的微調。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厚度的調整墊塊即可達到靶距調整的目的。工作臺30的總體高度為130mm可實現的靶距調節(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，再利用數學上的組合概念形成不同的組合式磨料噴嘴；.噴嘴內部用WC，因在水下作業(yè)，所以外套用不銹鋼加工，這樣既節(jié)省成本，又易于對中。該組合噴嘴的設計既節(jié)省了成本，減少了加工周期，又易于在試驗中實現參數的優(yōu)化。例如假設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為N＝C21(C31+C32+C33)＝2(3+3+1)＝14但是按傳統(tǒng)的設計，就要加工14個磨料噴嘴。按照我們的設計思想，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，該設計的意義是十分重要的。
4、水下磨料供給裝置，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9，并增加一托盤以利引流。在輸送管路上設置一個氣閥11，用壓縮空氣來吹干輸砂管；在磨料罐的上方增加了一路壓縮空氣，與密閉容器內高圍壓相平衡。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。
5、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。
權利要求1.一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，整個裝置主要由水下環(huán)境模擬裝置和水下磨料射流切割裝置組成，其特征在于水下環(huán)境模擬裝置置有密閉容器(15)，置有用來對密閉容器內的空氣進行壓縮，模擬任意深度的水下環(huán)境的空氣壓縮機(4)及精確檢測密閉容器內部壓力的精密壓力表(8)、(18)，所述水下環(huán)境模擬裝置置有通過水位檢測用于對淹沒水深控制的水位計(5)，所述水下環(huán)境模擬裝置還置有用于對密閉容器密封、排氣及維護系統(tǒng)安全的針形閥和消聲器(14)、安全閥(6)、止回閥(3)、視鏡孔(20)；所述的水下磨料射流切割裝置包括高壓水發(fā)生裝置、水射流管路系統(tǒng)、磨料射流噴嘴裝置、水下磨料供給裝置、流量測試儀，所述的高壓水發(fā)生裝置主要由高壓泵源組成，水射流管路系統(tǒng)為連接高壓水發(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。
2.根據權利要求1所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，其特征在于，所述的磨料射流噴嘴裝置主要包括磨料噴頭、噴嘴座、靶距調節(jié)裝置。
3.根據權利要求2所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，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。
4.根據權利要求2所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，所述的靶距調節(jié)裝置位于密閉容器(15)內部靠近操作口(16)處，由試樣(24)下面置于工作臺(30)上的一系列調整墊片(29)組成。
5.根據權利要求1、2所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，其特征在于，所述的水下磨料供給裝置，它包括磨料罐(9)、壓力表(10)、氣閥(11)、磨料杯(12)和磨料閥(13)；磨料罐(9)的底部為錐形，并增加一托盤以利引流，氣閥(11)置于輸送管路上。
6.根據權利要求1、2所述的水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，其特征在于，所述的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。
專利摘要本實用新型涉及一種水下高圍壓后混合磨料射流模擬實驗裝置，它主要由水下環(huán)境模擬裝置和水下磨料射流切割裝置組成，水下磨料射流切割系統(tǒng)包括高壓水發(fā)生裝置、水射流管路裝置、磨料射流噴嘴裝置、水下磨料供給裝置、流量測試儀組成。它可以實現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B24C3/00GK2737500SQ0322929
公開日2005年11月2日 申請日期2003年3月7日 優(yōu)先權日2003年3月7日
發(fā)明者胡壽根, 丁勝, 寧原林 申請人:上海理工大學