本發(fā)明涉及流體機(jī)械領(lǐng)域，具體是一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)及方法。

背景技術(shù)：

磨料水射流技術(shù)是近代發(fā)展起來的新技術(shù)，在工業(yè)切割、巖石掘進(jìn)、表面清洗和鉆探開采等方面具有廣泛應(yīng)用。根據(jù)加料方式不同，磨料水射流分為前混合磨料水射流和后混合磨料水射流。由于后混合磨料水射流不能使磨料與高速流動(dòng)的水進(jìn)行充分的混合，明顯地降低了水介質(zhì)對磨料的傳輸效率，在相同的耗能的情況下，后混合磨料水射流的切割深度只能達(dá)到前混合磨料水射流切割深度的一半，且在巖石掘進(jìn)、鉆探開采等方面，由于后混合磨料水射流的破巖能力差，外加上工程環(huán)境的限制，無法使用后混合磨料水射流。因此，前混合磨料水射流的研究尤為重要，但是限制前混合磨料水射流大規(guī)模應(yīng)用的一個(gè)關(guān)鍵難題就是磨料連續(xù)供料問題。

在現(xiàn)有技術(shù)中，前混合磨料水射流的供料裝置大部分采用單料罐的前混合式磨料射流供料裝置。如CN 103100984 B公開的一種磨料自動(dòng)供給裝置及使用方法，涉及的前混合磨料水射流供給磨料的磨料自動(dòng)供給裝置，該裝置主要由料斗、射流泵、高壓磨料罐、安裝在高壓磨料罐上部的閥座及下部的混合腔構(gòu)成，閥座上連接有加沙管路、高壓水管路、低壓水管路和安全閥，混合腔上亦連接有高壓水管路、磨料管路和磨料水射流管路。這種供料系統(tǒng)存在如下問題：(1)系統(tǒng)中由于磨料的自重造成板結(jié)及其他結(jié)構(gòu)問題，出料口和管道易造成堵塞。(2)由于只采用一個(gè)料罐，在料罐中磨料用完后必須停機(jī)再裝磨料，不能連續(xù)供料，影響生產(chǎn)效率。

另外，目前也出現(xiàn)了一種前混合式磨料射流雙罐連續(xù)供料裝置，如CN 2574834Y公開的混合式磨料射流雙罐連續(xù)供料裝置，該裝置是由兩個(gè)由料罐、進(jìn)料管、進(jìn)水管和漿料管組成的前混合式磨料射流供料系統(tǒng)并聯(lián)成一個(gè)整體裝置。雖然該裝置能夠在一定程度上實(shí)現(xiàn)“不間斷”工作，但事實(shí)上它是一個(gè)料罐里的料用完后，再用另一個(gè)料罐里的料，而且料罐需要經(jīng)過泄壓—裝料—升壓—供料等復(fù)雜繁瑣的過程，不但需要承壓較高的料罐，而且每個(gè)料罐的裝料時(shí)間長，工作時(shí)間較短。特別是在兩個(gè)料罐交替過程中系統(tǒng)會(huì)出現(xiàn)供料的空檔期，所以該前混合式磨料射流雙料罐連續(xù)供料裝置不能完全實(shí)現(xiàn)連續(xù)供料。

又如CN 104552027 A公開的一種前混合磨料射流連續(xù)供料系統(tǒng)，該系統(tǒng)包括主水箱、高壓泵、低壓泵、連續(xù)供料系統(tǒng)和混合腔，該裝置可以連續(xù)供料，但是結(jié)構(gòu)復(fù)雜，不便于維護(hù)。

為了能促進(jìn)前混合磨料水射流在工程上的應(yīng)用，提出結(jié)構(gòu)簡單的前混合磨料射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)顯得十分有必要。

技術(shù)實(shí)現(xiàn)要素：

本發(fā)明的目的在于提供一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)及方法，其能夠解決現(xiàn)有技術(shù)中磨料不能連續(xù)供料的問題。

本發(fā)明的技術(shù)方案如下：

一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)，其包括射流泵和輸出高壓水的高壓泵裝置，所述高壓泵裝置通過高壓水管路與射流泵的輸入端連接，射流泵的吸料口連接有磨料罐，所述射流泵的輸出端通過磨料水射流管路連接有磨料射流噴嘴。

進(jìn)一步的，本系統(tǒng)還包括第一三通和第二三通，所述第一三通的一端與磨料罐連接，第一三通的另一端與射流泵的吸料口連接，第一三通的第三端與第二三通的一端管路連接；第二三通的另一端與磨料罐連接，第二三通的第三端連接有供水的水管；第一三通和第二三通的每個(gè)端口均安裝有閥門。

進(jìn)一步的，所述射流泵包括射流泵噴嘴、吸料口、負(fù)壓腔室、喉管和擴(kuò)散管；所述射流泵噴嘴的噴射端連接在負(fù)壓腔室的一端，射流泵噴嘴的入口端與所述高壓水管路連接；所述吸料口設(shè)置在負(fù)壓腔室的頂部，吸料口的中心軸與射流泵噴嘴的中心軸垂直；所述喉管的一端連接于負(fù)壓腔室的另一端，喉管的另一端與擴(kuò)散管連接；擴(kuò)散管、喉管、負(fù)壓腔室以及射流泵噴嘴的中心軸重合。

進(jìn)一步的，所述射流泵噴嘴的入口端內(nèi)徑為d0，射流泵噴嘴的噴射端內(nèi)徑為d1，所述吸料口的內(nèi)徑為d2，所述喉管的內(nèi)徑為d3，所述擴(kuò)散管連接喉管一端的內(nèi)徑也為d3，擴(kuò)散管另一端的內(nèi)徑為d4，所述負(fù)壓腔室的直徑為d5，則有：d12/d32＝K13，d5/d0＝K50，d4/d3＝K43，d2/d5＝K25，其中K13∈[0.208，0.28]，K50∈[1，6]，K43∈[2，4]，K25∈[0.2，0.8]。

進(jìn)一步的，所述射流泵噴嘴與所述喉管間的距離為L1，喉管的長度為L2，擴(kuò)散管的長度為L3，擴(kuò)散管的擴(kuò)散角為θ，則有：L1/d1＝Y(jié)11，L3/d3＝Y(jié)33，L4/d3＝Y(jié)43，其中Y11∈[0.5，1]，Y33∈[5，7]，Y43∈[2.9，10]，5°≤θ≤8°。

進(jìn)一步的，所述射流泵噴嘴采用圓錐收斂型噴嘴或流線型噴嘴。

進(jìn)一步的，所述磨料射流噴嘴采用圓錐收斂型噴嘴，其出口的內(nèi)徑為d6，其收斂段的長度為L5，其直線段長度為L6，其收斂段的收斂角為θ1，則有，d6/d3＝K63，L6/d6＝Y(jié)66，其中K63≥1，Y66∈[2.5，3]，13°≤θ1≤15°。

進(jìn)一步的，所述擴(kuò)散管與喉管為一體式整體加工而成。

進(jìn)一步的，所述射流泵噴嘴、喉管以及擴(kuò)散管均為硬質(zhì)合金材質(zhì)。

同時(shí)，本發(fā)明還提供一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)方法：首先，利用高壓泵裝置產(chǎn)生高速流動(dòng)的水；然后，使該高速流動(dòng)的水進(jìn)入射流泵形成負(fù)壓，利用卷吸作用及磨料的自重將磨料從射流泵的吸料口吸入射流泵，磨料與水在射流泵的負(fù)壓腔室混合后從射流泵的擴(kuò)散管進(jìn)入磨料水射流管路，同時(shí)對磨料罐進(jìn)行磨料的連續(xù)供應(yīng)；最后，混合后的磨料和水經(jīng)磨料水射流管路進(jìn)入磨料射流噴嘴進(jìn)行加壓和提速，加壓和提速后的混合液從磨料射流噴嘴噴出，形成前混合磨料水射流。

本發(fā)明針對前混合磨料水射流無法連續(xù)加料的難題，利用射流泵實(shí)現(xiàn)了前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)。本系統(tǒng)利用射流泵的卷吸作用和磨料自身的重量，能夠快速抽吸磨料罐中的磨料，磨料與水在射流泵中混合后，經(jīng)磨料射流噴嘴加壓和提速，噴出前混合磨料水射流。只要保證提供磨料的磨料罐中磨料不斷，就能形成穩(wěn)定的前混合磨料水射流。在本方案中，其吸料特點(diǎn)使得可以采用敞開式的磨料罐，從而保證磨料罐中磨料的連續(xù)供應(yīng)是非常容易實(shí)現(xiàn)的，這就使得本系統(tǒng)能夠連續(xù)供給前混合磨料水射流不間斷，為促進(jìn)前混合磨料水射流的工業(yè)化應(yīng)用提供了基礎(chǔ)。另一方面，采用磨料射流噴嘴與射流泵直連的方式，以及射流泵直接吸料的方式，使本發(fā)明前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)得到了大大的簡化。

本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單、維護(hù)方便，沒有氣動(dòng)球閥等氣動(dòng)元件，不需要額外的動(dòng)力系統(tǒng)提供動(dòng)力，在磨料添加過程采用射流泵的卷吸原理以及充分利用磨料自重，只需將磨料倒入磨料料斗即可完成加料作業(yè)，與其它裝置相比，大量節(jié)省人力和時(shí)間。

并在磨料罐與射流泵之間設(shè)置兩個(gè)三通結(jié)構(gòu)，便于作業(yè)前對系統(tǒng)進(jìn)行負(fù)壓測試，以及保證磨料卷吸的整個(gè)過程穩(wěn)定通暢。

本發(fā)明的方法舍棄了現(xiàn)有技術(shù)中高壓磨料罐這一環(huán)節(jié)，在保證磨料從射流泵持續(xù)吸入的前提下，從進(jìn)料斗吸入射流泵的磨料會(huì)與高速流動(dòng)的水在射流泵內(nèi)混合充分，并和高壓水一起經(jīng)過磨料水射流管路進(jìn)入磨料水射流噴嘴，在磨料水射流噴嘴內(nèi)進(jìn)一步加速后，直接從磨料射流噴嘴噴出前混合磨料水射流。

本發(fā)明的系統(tǒng)還對射流泵的結(jié)構(gòu)進(jìn)行的優(yōu)化，使射流泵的負(fù)壓吸料能力更強(qiáng)，磨料在射流泵中能夠混合得更均勻。

本前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)方法，過程簡單，省掉了現(xiàn)有技術(shù)中繁瑣的流程環(huán)節(jié)，實(shí)現(xiàn)了真正意義上的連續(xù)供料和前混合磨料水射流的連續(xù)作業(yè)，克服了現(xiàn)有技術(shù)中前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)時(shí)間短、工作過程中磨料斷料的現(xiàn)象，有利于前混合磨料水射流技術(shù)的工業(yè)化推廣。

附圖說明

圖1為本發(fā)明前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖2為圖1中射流泵的結(jié)構(gòu)示意圖；

圖3為圖2中射流泵噴嘴的一種具體實(shí)施例；

圖4為圖2中射流泵噴嘴的又一種具體實(shí)施例；

圖5為圖1中磨料射流噴嘴的一種具體實(shí)施例。

具體實(shí)施方式

下面結(jié)合附圖和實(shí)施例對本發(fā)明作進(jìn)一步的描述。

一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)系統(tǒng)，如圖1所示，其包括射流泵2和輸出高壓水的高壓泵裝置1，所述高壓泵裝置1通過高壓水管路5與射流泵2的輸入端連接，射流泵2的吸料口2-2直接連接磨料罐3，磨料罐3中盛裝有磨料，所述射流泵2的輸出端通過磨料水射流管路6連接有磨料射流噴嘴4。

本系統(tǒng)只要保證磨料罐3內(nèi)的磨料不間斷，利用射流泵2的卷吸作用和磨料自身的重量，能夠快速抽吸磨料，磨料與水混合后，經(jīng)磨料射流噴嘴4加壓和提速，就能持續(xù)噴出前混合磨料水射流。而本系統(tǒng)磨料的流動(dòng)不需要額外的加壓，磨料罐3只起到暫存磨料的作用，因而對磨料罐3的壓力和密封性要求低，因而能夠很容易、很方便地往磨料罐3中添加磨料。同時(shí)，磨料在射流泵2中已經(jīng)能夠被混合均勻，因而，射流泵2的磨料混合液能夠直接通過磨料射流噴嘴4噴出，即射流泵2能夠與磨料射流噴嘴4直連也能噴出磨料射流，該種連接方式簡化了現(xiàn)有技術(shù)中需經(jīng)專門混料機(jī)構(gòu)來混合磨料的結(jié)構(gòu)，是本系統(tǒng)結(jié)構(gòu)簡單。

當(dāng)磨料罐3內(nèi)加入水后，磨料與水混合，可以使磨料罐3中的混合液更容易被射流泵2卷吸。

本系統(tǒng)還設(shè)置有第一三通7和第二三通8，所述第一三通7的一端與磨料罐3連接，第一三通7的另一端與射流泵2的吸料口2-2連接，第一三通7的第三端與第二三通8的一端管路連接；第二三通8的另一端與磨料罐3連接，第二三通8的第三端連接有供水的水管9；第一三通7和第二三通8的每個(gè)端口均安裝有閥門。在正式產(chǎn)生磨料水射流之前，需要對射流泵2內(nèi)的負(fù)壓進(jìn)行測試，此時(shí)，通過第二三通8往磨料罐3中注水，且磨料罐3與射流泵2之間導(dǎo)通，三通的其余幾個(gè)端口為閉合狀，若射流泵2內(nèi)的負(fù)壓達(dá)到一定值，則會(huì)將磨料罐3內(nèi)的水卷吸到射流泵2中。在射流泵2卷吸磨料初期，其內(nèi)的負(fù)壓需要一個(gè)過程才能達(dá)到預(yù)期值，前期需要外部向射流泵2的吸料口2-2開設(shè)和維持磨料射流的卷吸通道，使磨料射流能夠穩(wěn)定過渡增加到一定的卷吸量。此時(shí)，由第二三通8經(jīng)第一三通7向射流泵2注水，形成引導(dǎo)的水流通道，當(dāng)磨料卷吸量達(dá)到預(yù)期時(shí)，關(guān)閉第二三通8即可。

參見圖2，所述射流泵2包括射流泵噴嘴2-1、吸料口2-2、負(fù)壓腔室2-3、喉管2-4和擴(kuò)散管2-5；所述射流泵噴嘴2-1的噴射端連接在負(fù)壓腔室2-3的一端，射流泵噴嘴2-1的入口端與所述高壓水管路5連接；所述吸料口2-2設(shè)置在負(fù)壓腔室2-3的頂部，吸料口2-2的中心軸與射流泵噴嘴2-1的中心軸垂直；所述喉管2-4的一端連接于負(fù)壓腔室2-3的另一端，喉管2-4的另一端與擴(kuò)散管2-5連接；擴(kuò)散管2-5、喉管2-4、負(fù)壓腔室2-3以及射流泵噴嘴2-1的中心軸重合。所述擴(kuò)散管2-5與喉管2-4可以采用一體式整體加工而成。所述射流泵噴嘴2-1、喉管2-4以及擴(kuò)散管2-5均為硬質(zhì)合金材質(zhì)。

本系統(tǒng)利用高壓泵裝置1輸出的高速流動(dòng)的水，經(jīng)過射流泵2時(shí)在負(fù)壓腔室2-3形成的負(fù)壓，加之磨料的自重，使得磨料從磨料罐3吸入到射流泵2，并與高速流動(dòng)的水在射流泵2內(nèi)混合，磨料與高壓水形成的混合物經(jīng)過磨料水射流管路6進(jìn)入磨料水射流噴嘴，在磨料水射流噴嘴內(nèi)進(jìn)一步加速，最后從磨料水射流噴嘴噴出形成前混合磨料水射流。

所述射流泵噴嘴2-1的入口端內(nèi)徑為d0，射流泵噴嘴2-1的噴射端內(nèi)徑為d1，所述吸料口2-2的內(nèi)徑為d2，所述喉管2-4的內(nèi)徑為d3，所述擴(kuò)散管2-5連接喉管2-4一端的內(nèi)徑也為d3，擴(kuò)散管2-5另一端的內(nèi)徑為d4，所述負(fù)壓腔室2-3的直徑為d5，則有：d1²/d3²＝K13，d5/d0＝K50，d4/d3＝K43，d2/d5＝K25，其中K13∈[0.208，0.28]，K50∈[1，6]，K43∈[2，4]，K25∈[0.2，0.8]。上述比值的設(shè)定下，能夠保證射流泵2形成的負(fù)壓較大，使磨料順利通過進(jìn)料口進(jìn)入負(fù)壓腔室2-3且保證卷吸量足夠，避免影響連續(xù)加料效果。

所述射流泵噴嘴2-1與所述喉管2-4間的距離為L1，喉管2-4的長度為L2，擴(kuò)散管2-5的長度為L3，擴(kuò)散管2-5的擴(kuò)散角為θ，則有：L1/d1＝Y(jié)11，L3/d3＝Y(jié)33，L4/d3＝Y(jié)43，其中Y11∈[0.5，1]，Y33∈[5，7]，Y43∈[2.9，10]，5°≤θ≤8°。上述比值及擴(kuò)散角的設(shè)定下，能夠保證射流泵2形成的負(fù)壓較大，使磨料順利通過進(jìn)料口進(jìn)入負(fù)壓腔室2-3且保證卷吸量足夠，避免影響連續(xù)加料效果。

所述射流泵噴嘴2-1采用圓錐收斂型噴嘴或流線型噴嘴，如圖3、4所示。

所述磨料射流噴嘴4采用圓錐收斂型噴嘴，其出口的內(nèi)徑為d6，其收斂段的長度為L5，其直線段長度為L6，其收斂段的收斂角為θ1，則有，d6/d3＝K63，L6/d6＝Y(jié)66，其中K63≥1，Y66∈[2.5，3]，13°≤θ1≤15°。

基于同一思路，本發(fā)明還提供了一種前混合磨料水射流連續(xù)作業(yè)方法，其包括如下三個(gè)過程：

首先，利用高壓泵裝置1產(chǎn)生高速流動(dòng)的水。此處水壓可取值50～100MPa，這個(gè)壓力范圍根據(jù)具體切割對象來定。

然后，使該高速流動(dòng)的水進(jìn)入射流泵2形成負(fù)壓，利用卷吸作用及磨料的自重將磨料從射流泵2的吸料口2-2吸入射流泵2，磨料與水在射流泵2的負(fù)壓腔室2-3混合后從射流泵2的擴(kuò)散管2-5進(jìn)入磨料水射流管路6，同時(shí)對磨料罐3進(jìn)行磨料的連續(xù)供應(yīng)。此處水壓范圍為15～40MPa，這個(gè)壓力跟泵的壓力有很大的關(guān)系。

最后，混合后的磨料和水經(jīng)磨料水射流管路6進(jìn)入磨料射流噴嘴4進(jìn)行加壓和提速，加壓和提速后的混合液從磨料射流噴嘴4噴出，形成前混合磨料水射流。此處水射流的壓力范圍為15～40Mpa，這個(gè)壓力跟泵的壓力有很大的關(guān)系。

經(jīng)試驗(yàn)驗(yàn)證表明，本發(fā)明能夠真正意義上的連續(xù)供料，克服了連續(xù)作業(yè)時(shí)間短、工作過程中磨料斷料現(xiàn)象，有利于前混合磨料水射流技術(shù)的工業(yè)化推廣。