高压水射流技术及应用（精选7篇）
高压水射流技术及应用 篇1
摘要：该文介绍了高压水射流切割技术的基本概念、工作原理、技术特点、同其他典型切割方法的技术比较以及这项技术的最新发展动向,并根据其技术特点和技术优势介绍了高压水射流切割技术在航空制造和维修领域的应用情况。
关键词：高压水射流,切割技术,航空制造维修
1 什么是高压水射流切割技术
高压水射流切割技术简称水切割(以下同),又称为水刀,即以水为刀。作为一种冷切割工艺,这项技术于20世纪70年代在美国发展起来,用以切割各类金属或非金属、塑性或脆性材料。随着现代装备制造业及数控技术的日新月异,水切割技术近年来也得到了飞速发展,并以其独有的优势在众多领域得到广泛的应用。
1.1 工作原理
水切割是把普通的水经过发生器(增压系统)将压力提升到几十至几百MPa,然后再通过内孔极小的束流喷嘴(直径约0.15~0.35 mm)喷射形成每秒近千米的高速水射流,利用这种高速水射流的动能对工件的冲击破坏作用,达到切割成型的目的。
1.2 技术特点
水切割技术主要有以下几个特点:(1)是真正的冷态切割。因为采用水和磨料切割,加工过程中基本不产生热效应,工件无受热变形,不会改变物理和化学性质,受热影响大的材料比如钛尤其适用。(2)可切割范围广。不论是金属还是非金属材料几乎都可以切割,如不锈钢、铜、铝、各种合金、陶瓷、玻璃、复合材料等,而且不受厚度限制。(3)切割精度高。切割面整齐平滑,不会在切割过程中使被切割物体有任何损伤,可以完成许多切割工具无法实现的切割作业;割缝极小,可以降低材料浪费率。(4)适应性好。生产效率高,切割可从工件上任意点开始,向任意方向进行,结合数控技术CNC可实现复杂形状工件的批量生产。而且一个喷嘴可以加工不同类型的材料和形状,无需更换刀具,节省了时间和成本,提高了生产效率。(5)安全性和环保性高。切割过程中不产生有毒烟雾,而且无火花、无热效应、振动小,是安全环保的切割工艺,特别适合有特殊要求的危险作业环境。
2 同其他切割方法的技术比较
同其他切割方法比较,水切割有着自身独特的优势。
2.1 与激光切割比较
激光切割是一种非常先进的切割技术,其切割速度快、精度高,但局限性在于多用于薄钢板、部分非金属材料的切割,而且切割时在切缝处会引起热效应,对铝、铜等有色金属、合金切割效果不理想,对厚度较大的金属板材,切割速度慢,甚至无法切割。水切割几乎适用各种材料,切割厚度大,无热效应,基本没有激光切割的局限。但水切割的切割速度没有激光切割快。
2.2 与等离子切割比较
等离子切割是利用高温等离子电弧进行切割,热效应明显,精度不高,切割过程产生大量有毒烟气,环保性差。属于冷态切割的水切割,不产生热变形,切割精度好,安全环保。
2.3 与线切割比较
线切割属电加工范畴,对金属加工有很高的精度。缺点是只能切割导电的金属材料,且速度慢、效率低,有时需要提前在工件上打出工艺孔,用来穿丝,切割用的电极丝易断,而且切割尺寸受到很大局限。水切割不受材料限制,切割速度快、效率高,加工尺寸可选余地大。
2.4 与其他传统切割方法比较
火焰切割常用于金属板材的切割,与水切割相比其热效应明显、切割表面质量和精度较差,一般需要二次加工;冲剪加工,效率高、速度快,一般适用于大批量的小件加工,缺点是需要特定的模具和刀具,而且很难或无法对厚度大、硬度高的材料加工。水切割不受材料形状、厚度、硬度等的影响,通用性更好。
3 高压水射流切割技术的发展动向
3.1“水切割”数控机床的出现,使加工的定位精度、切割速度和补偿间隙,都得到了极大的提高
通过采用高精度测量器具检测机床的几何精度,并给予精度修正,可以制造出高精度的水切割设备。
3.2 斜度切割由于五轴控制技术的出现而得以实现
原理是在原有X、Y、Z三轴平台的基础上,增加两个旋转轴,使喷嘴可向任意方向摆动,并利用在系统中预先设置的斜度模型,通过对切割轨迹的实时分析及计算,再考虑对被切工件的材料与厚度进行修正,在切割过程中不断摆动切割头,使得切割出来的工件达到完美的斜度(或角度)。
3.3 六轴水切割即空间曲线水切割系统,俗称“机器人水刀”,具备更高的灵活性,而且切割精度更高,可以切割任意空间曲线
目前,这项技术已趋成熟,在空间曲线构件的加工上得到了广泛应用。
3.4 影响水切割切割能力的主要参数是压力和输出流量,水射流能量越大,切割效果越好
提高系统压力可以使切割能力得到增强,但同时会带来许多技术难题,相比之下,增加系统的流量会容易一些。另外,在压力不变的情况下,采用多增压器并联技术提高射流的功率,同样可使切割能力得到提高,增大喷嘴口径进行切割,水射流有效切割能量更大,效果更好。
4 高压水射流切割技术在航空制造和维修中的应用
随着航空工业的迅猛发展,各种新材料、新工艺、新结构得到广泛采用,因此迫切需要寻求制造和维修的新方法。对于飞机上各种合金材料和复合材料切割精度和切割时应有的热度等都有很高的要求。而水切割技术,以其切割精度高、适用材料广、切割厚度大以及特有的冷态切割不会产生热变形等优势,可以在航空制造和维修中得到广泛的应用。
(1)飞机的机身多采用钢、不锈钢、钛合金、铝合金及碳纤维材料制成,针对这些材质部件的制造,可以应用大型水切割机,采用大功率高压系统、五轴控制切割头进行切割加工。
(2)飞机内饰、座椅等部件多采用铝合金、工程塑料制作承重部分,采用泡沫塑料为衬垫,用化纤织品、皮革、人造革为包皮,可采用机器人水刀(六轴控制)、中小功率高压系统,纯水切割头进行切割加工。
(3)飞机门窗以及内隔屏等都采用玻璃和夹胶玻璃制成。可采用中小型切割机,小功率高压系统,通用水切割头或水切割加工中心进行切割加工。
(4)在飞机结构战伤抢修领域,应用水切割技术可以快速切除损伤、变形的结构,并且获得光滑、美观、无损伤的边缘,为实施修复创造施工条件,节省宝贵时间。用在战伤抢修中可采用便携式水切割机和小型化的、可用于损伤部位的运动控制和执行系统。
(5)在飞机修理中,利用高压水切割的喷流清洗,是一种非常理想的表面涂层消除方法。对于飞机机体和结构部件,其表面喷涂了各种合金、陶瓷涂层,在对其表面重新加工前,必须清除原有涂层,相比传统磨削、浸酸等方法,用高压水射流清除,可控制清除深度、不损伤表面,而且大量节省修理时间。
5 结语
近年来,高压水射流切割技术不断成熟和发展,相关设备的国家标准已于2011年正式执行。随着技术创新的持续升级、应用领域的进一步深入拓展、专业认知度的不断提高,高压水射流切割技术凭借其独有的优势,必将在各个行业,尤其在航空制造和维修领域发挥越来越重要的作用。
参考文献
[1]孙家骏.水射流切割技术[M].中国矿大出版社,2007.
[2]黄业平.水切割技术回顾与展望[C]//中国机械工程学会机械传动专业学会机构学专业委员会.2009.
高压水射流技术及应用 篇2
1 水射流技术和高压水射流技术
中国古代就有“天下莫柔于水, 驰骋天下之至坚“的名句及“水滴石穿“的成语, 这些都包含有以柔克刚的观念。水射流切割技术和高压水射流切割技术就是这一观念的延伸和实践。
水射流切割技术, 顾名思义就是利用水来切割某些物质的技术。这一技术的实现, 通常情况下要靠一些装置或设备来完成, 主要设备有发动机、增压器或者水泵、喷嘴、开关等。通过这几个装置之间动能的相互转化, 最终使水具有强大冲击力, 之后便可对特定物质进行切割。
高压水射流切割技术, 就是利用高压发生装置及恒压系统, 来进行水射流切割, 这种技术一般要增压器的增压能力要相当强大, 设备功率相对也就大, 同时为提高切割质量, 在高压水中添加了固体磨料, 达到了提高切割速度和质量的目的。
2 高压水射流切割技术的发展概况
采矿业是高压水射流切割技术的源头。在19世纪中叶, 高压水射流技术第一次被北美人用来开采质地较为疏松的矿床。而中国应用高压水射流切割技术来开采矿石, 要追溯到20世纪50年代, 当时前苏联和中国的专家们利用水射流的冲击和输送作用, 进行矿石的开发, 这些技术都大大提高了采矿业的工作效率。然而, 这一时期的水射流技术仍旧属于低压水射流。
20世纪60-70年代, 人们渐渐开始利用增压装置, 如增压器、高压泵、高压管件等, 来完成水射流技术由低压向高压的过渡。当然这一时期的水射流技术还是普遍在采矿业中使用。
到了70-80年代, 高压水射流技术才逐渐向清洗、切割等行业发展。随着人们研究的逐渐深入和科技的不断发展, 20世纪80-90年代, 水射流技术已经发展成为一种产品, 并且有各种方式, 主要包括磨料射流、自激振动射流、空化射流等。水射流技术成为一种可以面向市场直接销售的商品。
3 高压水射流切割技术的工作原理
高压水射流切割技术很大程度上是靠各种物理动能的相互作用和相互转化来完成。所以就应该有相应的设备, 这些设备主要有:发动机、转能设备、开关、喷嘴等。
那么这些设备是如何运作实现切割的呢?这就要说道高压水射流切割技术的工作原理:
首先, 要有一个发动机, 这个发动机可以是电机、内燃机, 或者是油料机, 通过一些高压泵或增压器等转能设备 (注:当压力小于70MP时, 用多级离心泵或者柱塞泵都是可以的;当压力大于70MP时, 就要用增压器或者动压式水炮。) , 将发动机的机械能转变成为压力能。
第二, 利用带有开关的喷嘴, 喷射出高速射流, 将压力能转化为动能。
最后, 材料被高压水射流冲击切割后, 动能直接转变为作用于被切割的材料表面的压力能。
实际上, 高压水射流切割技术就是利用水的射流 (0.80~1.50mm) , 通过压力发生装置, 使得水聚集, 通常情况下, 喷射速度可以达到600~800m/s, 已经大于2马赫。通过这些数据, 我们能够想象到当水经过加工后, 喷射出来时的冲击力完全可以对任何材料完成切割。
4 高压水射流切割技术的应用
4.1 高压水射流技术在机械制造业方面的应用。
随着高压水射流切割系统的不断更新发展, 经过增压装置加工后, 从喷嘴处射出的水速度相当快, 甚至可以达到音速的3倍。这种高速的冲击力完全可以切割各种各样的材料, 比如大理石、陶瓷、还有一些质地较好的金属等硬质材料;泡沫、塑料、橡胶等软质材料, 还有玻璃等脆质材料。经过高压水射流切割后, 切口处的材料结构组织性能不会改变。同时, 由于高压水射流是一种具备“冷、软“等加工性能的技术, 所以在切割的过程中, 没有传统切割机的热能高, 故而被切割的材料也不会发生热变形。在机械制造业中, 经常需要切割各种不同质地的材料, 并且因为行业本身对于切割标准的高要求, 高压水射流切割技术在机械制造业被广泛使用。
4.2 高压水射流切割技术在医学领域的应用。
当前在医学领域, 高压水射流技术应用还不太普遍, 但已经有了一定成果。在这些成果中, 最突出的应该是临床医学中的水射流手术刀和水射流无针注射器。这两项技术, 能够提高医院的工作效率。比如在注射预防针类的药水时, 水射流注射器在一个小时内, 就可以完成500多人的注射工作。并且不需要更换针头, 大大节省了患者和医生的时间。同时, 这种注射器与注射者不会有任何接触, 所以更加安全卫生, 降低了疾病传染的可能性。
4.3 高压水射流切割技术在军事和消防领域的应用。
军事和消防是两个危险性高、精确度要求也高的行业。高压水射流切割技术是一种独特的冷切割技术, 它通常被用来切割高温、易燃易爆、地雷、核武等不需要产生火花的地方。通过高压水射流的切割, 爆炸物的危险性会被解除的同时, 也能够降低操作人员的伤亡概率。
4.4 高压水射流切割技术在石油化工工业领域的运用。
石油化工工业危险系数也极高, 操作不当或者设备质量和技术不高的情况下, 往往会产生爆炸或者泄露, 严重威胁人的生命。在开采石油的过程中, 经常会遇到不同质地的岩石或海底礁石, 运用高压水射流切割技术, 可以进行高难度石油开采, 并且安全有效。化工工业就更需要高压水射流切割技术了, 各种化学物质在这里交织, 管道错综复杂, 而水几乎可以溶解各种化学物质, 所以利用高压水射流切割技术会更安全。
4.5 高压水射流切割技术在航空航天方面的应用。
航空航天业要求精准、无误差, 所以在选择切割技术时, 这是这个行业首先考虑的问题。航天材料经过高压水射流切割技术不会结构组织不会变。更不会发生热变化。我国航天航空部门, 曾经多次从技术先进的美国引进高质量的高压水射流切割系统, 主要用于切割航天玻璃、碳纤维、钛合金以及各种复合和特种材料。切割后, 可以保证质量, 同时也很经济。
结语
高压水射流切割技术在我国还是一项新的技术, 由于相关切割核心理论问题及耐超高压部件制造还未完全解决, 所以中国很多行业所用的高压水射流切割系统多是从外国引进的。所以相对于技术已经相对成熟的美国、日本等发达国家, 我们在高压水射流切割技术的发展和创新上, 还有很长的路要走。
摘要：本文主要介绍了高压水射流切割技术的发展概况、工作原理和在一些行业的应用, 同时期待中国的高压水射流切割技术能够进一步发展, 最终能够实现自主研发。
关键词：高压水射流切割技术,发展概况,工作原理,在行业的应用
参考文献
[1]杨志, 陈世明, 张毅君, 李满.高压水射流技术的发展及应用[J].机械管理开发, 2009, 24 (5) , 87-89.
[2]刘忠伟.高压水射流技术综述[J].湖南冶金职业技术学院学报, 2005, 5 (3) , 330-333.
高压水射流技术及应用 篇3
1 高压水射流技术系统构成
高压水射流是运用液体增压原理, 通过特定的装置 (增压口或高压泵) , 将动力源 (电动机) 的机械能转换成压力能, 具有巨大压力能的水在通过小孔喷嘴后, 再将压力能转换成动能, 从而形成高速射流。因而高压水射流又常被称为高速水射流。
高压水射流系统如图1所示, 主要由增压系统、供水系统、增压恒压系统、喷嘴管路系统、数控工作台系统、集水系统及水循环处理系统等构成。油压系统低压油 (10~30MPa) 推动大活塞往复来回移动, 其方向由换向阀自动控制。供水系统先对水进行净化处理, 并加入防锈添加剂, 然后由供水泵抽取, 低压水从单向阀进入高压缸。增压恒压系统包括增压器和蓄能器两部分, 增压器获得高压原理如图2所示, 即利用大活塞与小活塞面积之差来实现, 理论上:S大活塞·P进油=S小活塞·P出水, P出水= (S大活塞·P进油) /S小活塞, 增压比即大活塞与小活塞面积之比, 通常为10:1~25:1, 由此, 增压器输出高压水压力可达100MPa-750MPa。活塞到达行程终端时, 换向阀自动使油路改变方向 (图中虚线箭头所示) , 进而推动大活塞反向行进, 此时高压水在另端输出。如果将此高压水直接送到喷嘴, 那么喷嘴出来的射流压力将会是脉动的, 而且这对管路系统产生周期性振荡, 为获得稳定的高压水射流, 常在增压器和喷嘴回路之间设置一个蓄能器 (即恒压装置) , 消除水压脉动, 达到恒压之目的, 控制脉动量一般在5%之内。
2 高压水射流技术加工机理
高压水射流加工技术作为一种新型的加工手段, 它既不同于传统机械加工的车、铣、刨、磨、镗需要有专用的加工刀具, 也不同于铸、锻成型工艺需要模具、胎具等。它是以水珠或者磨料通过加压后获得巨大的能量后, 从喷嘴中高速喷射出来的高能量水流束作为“刀具”来加工的。
高压水射流本身具有较高的刚性, 在与被加工对象碰撞时, 产生极高的冲击动压和形成涡流, 从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区 (有时可能为负值) , 因而高压水射流表面上虽为圆柱模型, 而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分, 刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少, 增大了冲击强度, 宏观上看起楔劈作用, 而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间, 起吸屑、排屑作用, 这两者的结合好像使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。
高压水射流技术破坏材料的过程是一个动态断裂过程, 对脆性材料主要是以裂纹破坏及扩散为主;而对塑性材料是以符合最大的拉应力瞬时断裂准则, 即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值时, 该点即发生断裂。根据弹性、塑性力学, 动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右, 主要是因为动态应力作用时间短, 材料中裂纹来不及发展, 因而这个动态断裂不仅与应力有关, 还与拉伸应力的作用时间相关。
3 高压水射流技术在舰船修理所中的应用
(1) 对船用钢板进行除锈作业。锈层实质上是附着于金属本体上的氧化层, 该氧化层对本体无任何保护作用, 其厚度还会随时间不断增厚。外层组织松散, 内层则与本体结合紧密。除锈目的是克服锈层与本体的附着力, 使其脱离。
船舶除锈一直是修船业的难题, 无论人工铲锤, 还是80年代国外引进的空气喷砂、喷丸除锈工艺, 都改变不了严重粉尘污染、噪音、劳动强度大、成本和工效的矛盾等。特别是喷砂除锈的粉尘污染和噪音是最致命的缺点, 使用Si O2石英砂磨粉易造成矽肺病, 使用铜矿渣时的污染问题也没有得到解决。高压水射流技术是近年发展起来的除锈技术, 由于其环保特性, 彻底改变了干喷砂的粉尘污染的除锈技术, 由于其环保特性, 彻底改变了干喷砂的粉尘污染问题, 而且除锈效率提高了2~3倍, 所以在国内外得到越来越广泛的应用研究;高压水射流除锈可分为两类:纯高压水和磨料射流。
纯高压水射流除锈的机理是将普通自来水通过高压泵加压到数百乃至数千大气压力, 然后通过特殊的喷嘴, 以极高的速度 (200~500m/s) 喷出一股能量高度集中的水流, 这一股一股的小水流如同小子弹一样具有巨大的打击能量, 它能够进行钢板切割、铸件清砂、金属除锈, 除去表面的盐、碱、垢等物。
磨料射流除锈的机理是在高压水加入磨料后, 除锈能力大约可提高7~10倍, 所以只需30~50MPa即可达到除锈目的, 结合磨料和高压水流进行除锈即为高压水磨料射流除锈。除锈后, 细磨料与物面碰撞为粉末, 便于随水流排放而不堆积。喷头生水楔, 楔入微隙, 扩展锈层裂纹。由于这种正向打击和切向楔击的作用, 加之水射流的连续性和集束性, 达到了传统方法难以实现的除锈质量。
(2) 对船用钢板进行切割作业。高压水射流切割是一种非传统的冷切割方法, 是利用高速水流对工件的冲击作用来去除材料的, 俗称水刀。采用水或带有添加剂的水, 以500~900m/s的高速冲击工件进行加工或切割。水经水泵后通过增压器增压, 储液蓄能器使脉动的液流平稳。水从孔径为0.1~0.5mm的喷嘴喷出, 直接压射在工件加工部位上。加工深度取决于液压喷射的速度、压力以及压射距离。被水流冲刷下来的“切屑”随着液流排出。与传统的切割工艺相比, 高压水射流切割具有如下优点:切割时几乎不产生热量因而不会造成金属变质;切缝窄且切割表面光滑;切割用水及磨料来源充足;无尘埃、无公害等。更重要的是此种加工方法很适合与计算机控制、机械手结合起来, 能满足特殊的或复杂的加工要求, 实现钛合金、复合材料等的高效切割。
(3) 对船体外壳垢层进行清洗作业。利用高压水射流技术对船体外壳进行清洗是一种高效高质量的快捷手段。舰船经过常年的航行后, 在其吃水线以下的船体外壳上会形成一层厚厚的垢层。这些垢层由藻类、贝类附着物等构成, 紧密而且坚硬。同时也不可避免地会产生大面积锈蚀的情况。因此, 对舰船进行大修时, 一般都要求将船体上的垢层、铁锈及旧的涂层去除, 经过修补后再涂上新的油漆, 这样才能保证舰船的正常航行和延长其使用寿命。目前, 修理所对船体外壳上涂层、垢层的清除, 还是手执锤子、铲子进行敲打和铲刮, 维修工期长, 劳动强度大。利用高压水射流技术对船体外壳垢层进行清洗作业, 在国外船舶维修行业广泛推广和采用。近几年来, 随着我国高压水射流技术的发展, 该项技术已广泛应用于地方修船行业。利用水射流的强大冲击力、冲蚀力和剥离能力, 能快速地将结垢、铁锈和油漆等去除干净, 为后续的修补焊接工作打下良好的基础。
4 结束语
高压水射流技术是一种符合当今可持续发展潮流的绿色加工技术。它是近20年来迅速发展起来的一门新技术, 其应用十分广泛, 越来越被人们所重视, 今后正向高效、多功能、智能化、高精度化、环保化方向发展。
参考文献
[1]华林, 王华昌.激光切割和水切割技术.机械制造, 1996 (2) .
[2]刘忠伟, 邓英剑.水喷射加工技术及其在机械领域中的应用.制造技术与机床, 2004 (2) .
高压水射流技术及应用 篇4
自古以来，人们把水比做柔软的物质，而大雨过后田地间由雨水冲击山的水沟，河道山口久而久之便冲积成了三角洲，由河水长期冲击，形成的鹅卵石等现象使人们认识到水流能使材料破裂、流动、去除、抛光等。随着科学技术的发展，人们赋予比雨水和河水更为强大的冲击力使持之以恒才能观察到的现象在瞬间便可完成，这便是水射流。高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项新技术，是以水为介质，经高压发生装置使水获得巨大的动能，通过特定形状的喷嘴喷射出具有极高能级密度的射流。具有清洁、无热效应、能量集中、易于控制、效率高、成本低、操作安全方便等优点。目前，在机械制造业中高压水射流技术多见于切割、清洗、抛光及喷丸等领域。
2 高压水射流技术的发展
高压水射流技术这一概念发源于二十世纪五十年代的前苏联，到20世纪60年代初，美国、美国、英国、日本等国加大科研投入力度研究开发超高压水射流技术。历经多年科研攻关，1971年美国设计制造出了世界上第一台超高压纯水射流切割机，由于采用纯水射切割，切割能力受到很大的制约，其切割范围仅限于木材、泡沫、布匹、塑料、橡胶等软材质材料[1]。鉴于此，为提高高压水射流的切割能力、扩展应用范围，1982年美国设计制造出了超高压磨料水射流切割机，随后英国和意大利等国也相继制造出了磨料水射流切割机。这样高压水射流的应用范围从先前的软质材料切割拓展到了各种硬质材料，如各种金属、玻璃、陶瓷、硬质合金、大理石及花岗岩等几乎所有材料，并且成功地应用到抛光砖的切割过程中。
回顾水射流技术的发展历程，大体上可以分为5个阶段[2]。
第一阶段：20世纪60年代初，受当时纯水射流切割能力的限制，主要研究低压水射流采矿。60年代初，我国和前苏联将其应用于水力采煤，其中我国在开滦唐家庄矿成功地运用水射流的冲击和输送作用进行水枪落煤。
第二阶段：20世纪60年代至20世纪70年代初，高压泵、增压器和高压管件的研制得到了极大的发展，当时可生产400MPa以上的柱塞泵、1700MPa以上的增压器和与之相配套的高压管件。与此同时，高压水射流清洗技术得到了推广应用。
第三阶段：20世纪70年代至20世纪80年代初，由于高压水射流技术的突飞猛进，其应用领域由采矿、清洗发展到除锈、切割、抛光、喷丸等其它行业，大量利用高压水射流技术的切割机、抛光机、清洗机相继问世。
第四阶段：20世纪80年代至20世纪90年代中，为提高高压水射流的喷嘴出口压力及拓展应用范围，先后出现了前混合磨料水射流、后混合磨料水射流、空化水射流及自激振荡水射流技术，并研制成产出以高压水射流为核心技术成套设备，如前混合磨料水射流切割机、高压水射流钢管内磨机等。
第五阶段：20世纪90年代后机器人多维切割、井喷管口切割、干冰切割技术问世，更重要的是，此种方法能够进行计算机控制，实现切割的智能化和精准化，满足各种复杂的工况条件，实现了钛合金、复合材料等的高效切割。此外高压水射流技术在材料表面加工上的优势凸显，如水射流喷丸和水射流抛光等技术。
3 高压水射流在机械制造行业中的应用
3.1 水射流切割技术
水射流切割的可能性来源于苏联，但第一项切割专利技术却在美国产生[3]，即1968年由美国密苏里大学林学教授诺曼弗二兹博士获得，并用于麦卡特尼制造公司，第一台商用水射流切割装置产生于1971年，后来卖给田纳西州阿尔顿纸箱公司纸管车间，用于切割12mm厚的家具用压层纸管。1974年美国流体工业公司山售了第一套工业用水射流切割系统[4]，并于1983年率先研制成功磨料水射流切割技术及设备。目前已有3000多套水射流切割设备在数十个国家几十个行业得到应用，尤其在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术领域更显优势。尤其新材料(如陶瓷、复合纤维材料)的发展促使了水射流技术和设备的不断进步，已可切割500余种材料，其设备年增长率超过20%[5]。我国上世纪八十年代航空航天部引进了超高压水射流设备，仿制与研究相结合，用于加工航空复合材料及铁板等，上世纪八十年代后期和九十年代初国内自行研制成功了超高压水射流切割系统。
超高压水射流切割系统在切割过程中，水经增压装置加压后在喷嘴处出口速度可达音速的2倍～3倍，可切割各种金属材料、陶瓷、大理石等。与传统金属切割、火焰切割、线切割及等离子弧切割工艺相比，具有以下优点[6]：
(1)高压水射流切割效率高，切割材料范围广，可切割各种软、硬、韧、脆性材料，如加配软件可实现数控切割，切割精度高；
(2)高压水射流切割表面质量高，高压水射流切割为无接触的冷切割，被切割材料切口处组织结构性能不发生改变，切割表面光滑且切缝窄；
(3)高压水射流切割具有“冷、软”加工特性，由于高压水射流切割其切割介质为水，切割过程中无机械切削力，切割温度低，无热影响区和热变形；
(4)高压水射流切割易于实现数字化控制，高压水射流切割喷头质量小，便于实现数字控制，且水射流切割是全方位点切割器，无预制孔，控制系统简单，数控操作便利；
(5)高压水射流切割易于实现远距离独立操作，由于水射流切割最终执行机构是喷头，可利用高压管线与辅助设备相连，操作灵活；
(6)可实现绿色无污染切割，由于高压水射流切割介质为水，来源充足且对环境无污染、安全、绿色、环保。
正是由于高压水射流切割具有以上优势，目前其广泛应用于航空航天、汽车制造、军工、电子行业中，主要用于切割难加工材料、复合材料、层叠金属等常规切割工艺无法实现材料，另外还应用于切割炸药和废旧核设施的拆除。
3.2 水射流清洗技术
高压水射流清洗技术是20世纪70年代在高压水射流技术上发展起来的一项新的清洗技术，是将携带高能的水射流喷射到被清洗物体基体上，使一种或多种材料(表层附着物)从另一种物体(基体)表面上脱离下来，完成清洗作业的技术。水射流清洗技术属物理清洗方法，可去除用化学方法不能或难以清洗的特殊垢层，也可根据不同清洗对象和要求，采用不同的射流形式和执行机构，利用高压水射流的冲击动能，连续不断地将污垢从基体表面剥离、切除，达到清洗基体的目的。主要用于水垢、尘垢、锈层、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、橡胶、石膏、塑料、微生物污垢、高分子聚合物污垢等。
与传统清洗方式相比其优势为：
(1)当选择适当的水射流喷射压力时，不会损伤被清洗基体；
(2)由于所使用的介质为不添加任何化学物质的常温水，被清洗基体不会产生腐蚀现象，清洗过后被清洗基体无需采用化学清洗后的二次清洗处理；
(3)能清洗形状和结构复杂的零件，由于水射流喷头质量小，可实现机械化、自动化和智能控制，易于清洗异形件和复杂结构件；
(4)清洗效果好、能耗比低、噪音小、不污染环境；
(5)清洗速度比传统的化学方法及机械方法高出5倍～10倍[7]；
(6)可在狭窄空间、环境复杂、恶劣有害的场所方便地完成常规清洗难以完成的清洗作业，如较长管道的内壁清洗除垢，小口径大容器的内部清洗以及有发生爆炸危险物的清洗等。
由于水射流清洗技术在工业清洗领域的独特优势，使其一经问世，便得到了高速发展，目前，在工业发达国家高压水射流清洗已经成为主要清洗技术，在清洗业市场上占据了主要份额。如美国石化企业在换热设备时，采用高压水射流清洗的占80%以上，而化学清洗的比例仅仅不足5%[1]，其在机械制造业中的应用主要有：机械加工设备及模具的清洗、发动机燃烧室壳体的清理、金属构件除锈、各种管路的清洗、铸件清砂、去毛刺及钢厂除鳞等。
3.3 水射流抛光技术
抛光技术又称镜面加工，是制造平坦而且加工变形层很小、无表面擦痕的平面加工工艺，抛光不仅增加工件的美观，而且能够改善材料表面的耐腐蚀性、耐磨性及获得特殊性能。传统的抛光技术在抛光工具头无法触及的异形曲面、细长管件或者特殊材料的工件时，实行抛光加工的难度极大，甚至无法加工，水射流抛光技术便因此孕育而生。水射流抛光技术多见于磨料水射流，其基本工作原理是混有细小磨料颗粒的抛光液通过喷头高速喷向工件表面，利用高速磨料颗粒的剪切作用，通过控制喷头喷射时的喷射压力、喷射角度、靶距及作用时间等工艺参数来完成工件表面的抛光。
与传统抛光工艺相比，水射流抛光技术具有以下特点：
(1)水射流抛光的磨具为液态磨具，不存在磨具磨损的问题，去除函数保持恒定，面形精度易于控制，可不破坏零件原有的尺寸精度，而达到较高的表面光度；
(2)由于水射流抛光头为液体住，容易对存在狭窄部位、深凹槽部位及特殊复杂表面进行抛光，抛光特性不受工件位置的影响，应用范围较广，既可用来加工金属材料，也可以加工非金属材料；
(3)水射流抛光属于冷加工范畴，加工时对材料无热影响，抛光时无火花，工件不会产生热变形和热影响区，对抛光热敏感材料尤为有利，同时由于在抛光过程中抛光液不断循环流动，可自动清除加工下来的碎屑[8];
(4)抛光时噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，抛光液基本不损耗，可重复使用，实现了绿色抛光；
(5)抛光“磨具”为高速高压液体，抛光过程中不会磨损，减少了磨具准备、刃磨等辅助时间，提高了抛光效率；
(6)设备维护简单，操作方便，可以灵活地选择抛光起点和部位，易于实现光控、数控及机械手控制，容易实现对复杂形状工件自动抛光，喷嘴与抛光表面无机械接触，可实现高速抛光。
3.4 水射流喷丸强化技术
水射流喷丸强化技术是20世纪80年代末由Zafred提出，之后各国水射流学者便纷纷开始研究，其中美国、日本、俄罗斯在此领域研究尤为突出。我国对水射流喷丸强化技术研究起步较晚，主要以纯水射流喷丸强化、前混合水射流喷丸强化，另有空化水射流口喷丸强化和后混合水射流喷丸强化，并以逐步形成体系。
高压水射流喷丸强化的基本原理，就是将携带巨大能量的高压水射流以特定方式高速喷射到金属工件表面上，使表层金属材料表层在再结晶温度下产生塑性变形(冷作硬化层)，呈现理想的组织结构(组织强化)和残余应力分布(应力强化)，从而有效控制了疲劳裂纹的萌生和扩展，达到提高金属零部件周期疲劳强度的目的。
高压水射流喷丸强化与传统喷丸强化相比具有以下优势[9]：
(1)受喷表面粗糙度值增加很小，减少了应力集中现象，提高了强化增益效果；
(2)容易对存在狭窄部位、深凹槽部位的金属零部件表面及微小金属零部件表面等进行喷丸强化；
(3)喷头体积小，反作用力小，移动方便，易于实现光控、数控及机械手控制，提高喷丸强化质量；
(4)纯水射流喷丸强化时，工作介质为水，无固体弹丸废弃物，符合绿色材料选择原则，同时，可以实现全覆盖率，且不会由于固体弹丸的破损而降低强化表面的可靠性；
(5)水介质和动力源来源广泛，可实现全强度喷丸和同时加工几个表面，比能耗和成本低、生产效率高；
(6)整套喷丸装置体积不大，可以装在机动车上进行远距离操作和外场作业；
(7)噪声低、无尘、无毒、无味、安全、卫生，有利于环境保护和操作者的健康，实现绿色喷丸强化。
4 结语
高压水射流技术正向着高效、多功能、智能化、精细化方向发展，研究和开发这项技术的前景十分广阔。高压水射流技术在机械制造业的应用领域还很多，新的应用手段也很多，如最近利用高压水射流进行去毛刺、打孔、开槽、细微雕刻、清焊根及清除焊接缺陷等，这说明高压水射流这项新技术在机械制造业具有广阔的应用前景。
摘要：高压水射流技术是一项迅速崛起的新技术、新工艺,采用高压、高速水(纯水或带有磨料)进行机械加工,在纯水(或纯水和磨料)的作下可进行切割、清洗、抛光、喷丸、或表面材料去除等机械加工。本文主要介绍了高压水射流技术的发展、分类及在机械制造业中应用现状。
关键词：高压水射流,应用,发展
参考文献
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应用超高压水射流切割木材的研究 篇5
超高压水射流切割是利用具有很高动能的高速射流进行的(有时又称为高速水射流加工)与激光、离子束、电子束一样是属于高能束加工范畴。高压水射流切割作为一项高新技术在某种意义上讲是切割领域的一次革命,有着十分广阔的应用前景,随着技术的成熟及某些局限的克服,对木材切割加工工艺是一种完美补充。水切割工艺区别于其它切割方法的主要特点在于其为冷态点切割,由此带来一系列的性能优势。如精确度高,能精确切割任何复杂平面图形,切口光滑,一般无须再处理;无热效应和机械效应变形,避免了材料因受热而发生的物理化学变化;最小的浪费,切缝≤1mm,减少了材料浪费;良好的环保,因为所用工质为水和天然矿砂切割,所以加工过程中不会产生任何污染,以上这些优点对于应用到木材加工工艺中来将会带来加工方式的变革,从而适应木材不同加工多样化的需要。
超高压水射流切割机包括4个基本组成部分(如图1):压力发生装置提供切割动能,如:高强度的加压泵、蓄能器;水供给装置,如过滤器、输送管线;切割装置,如:控制阀门、喷嘴等;回收装置等。有的系统还具备精确控制装置;磨料供给装置等[1]。
高速射流本身具有较高的刚性,在与靶物碰撞时,产生极高的冲击动压(P=ρVC)和涡流的形成,从微观上看相对于射流平均速度存在着超高速区和低速区(有时可能为负值),因而高压水射流表面上虽为圆柱模型,而内部实际上存在刚性高和刚性低的部分,刚性高的部分产生的冲击动压使传播时间也减少,增大了冲击强度,宏观上看起快速楔劈作用,而低刚度部分相对于高刚度部分形成了柔性空间,起吸屑、排屑作用,这两者的结合正好像使得其切割材料时犹如一把轴向“锯刀”加工。高速水射流破坏材料的过程是一个动态断裂过程,对脆性材料(如岩石)等主要是以裂纹破坏及扩散为主;而对塑性材料符合最大的拉应力瞬时断裂准则,即一旦材料中某点的法向拉应力达到或超过某一临界值σ时,该点即发生断裂。根据弹塑性力学,动态断裂强度与静态断裂强度相比要高出一个数量级左右,主要是因为动态应力作用时间短,材料中裂纹来不及发展,因而这个动态断裂不仅与应力有关,还与拉伸应力的作用时间相关[2]。采用高压水射流木制工艺品如图2所示。
2 试验及分析
2.1 原料与方法
2.1.1 试验原料
硬阔叶材印茄木(拉丁名:Intsia spp.,绝干密度:0.86 g/cm2,产地:印尼)
2.1.2 试验仪器
TR110袖珍式粗糙度仪、南京理工大学制造的SQ-WJG40型高压水射流切割机、烘箱等。
2.1.3 试验方法
对实木进行切割,由于木材切割质量与水射流切割的压力、切割速度和切割木材的厚度关系密切,本试验采用不同的切割参数切割不同厚度印茄木,通过多次试验测定其表面粗糙度,研究切割压力、切割速度、切割厚度等因素对木材切割质量的影响。
研究方法是先设计L9(33)正交试验,然后用TR110袖珍式粗糙度仪来测量每一次切割平面的粗糙度,通过测量其表面粗糙度来表示切割质量的好坏,利用正交方差分析的方法研究切割压力、切割速度和切割厚度参数对切割质量的影响程度,最后得出较合理的切割参数。
2.2 实验结果及试验分析
2.2.1 试验分析
从图3可见,切割速度对切割表面质量的影响较大。随着染液速度的升高,切割表面粗糙度明显增加,水射流束具有相当大的能量,远超过木材的抵抗能力。木材抗压强度约为50 N/mm,因此水射流束能击破作用点材料深人工件,同时切割速度过快时,水射流束切入工件材料后在一定程度上展开成扇形,水射流束来不及充分切割表面,而形成扇形的“沟痕”,严重影响切割表面的粗糙度。当切割压力在200 MPa,加工厚度在15~25 mm,切割速度为100~150 mm/min时,加工表面质量较好。
从图4可见,切割压力大小影响切割表面的质量,切割压力增大,切割表面的粗糙度减低,切割质量提高。由于木材与水的亲合性,水射流束裁切存在一定问题,木材是一种轻质材料,但木材单位重量的强度却比较大,能耐较大的变形而不折断。这是因为木材是由细胞构成的,木材细胞基本上都是死细胞,它由细胞壁和细胞腔组成。细胞腔与细胞壁上的纹孔腔等构成木材中的大毛细管系统;而细胞壁内纤丝间的间隙形成微毛细管系统。可见,木材无论是宏观、微观还是超微结构上均显示出多孔性,它是一种“蜂窝状”结构,有较好的塑性,能够吸收能量的特性,在高压水射流割切时会吸收一部分能量;另一方面高压水射流切割介质水也是柔性介质。因此,压力过小,无法切透木材,压力过大,浪费能量且切割质量不高,一般选用200~250 MPa较适。
从图5中可见,切割厚度也影响切割表面的质量,特别是当厚度在25 mm以上时,切割厚度对切割表面的粗糙度影响明显。当工件厚度不大时,水射流束很容易穿透工件,切割表面质量较好。但切割较厚时,由于木材与水的亲合性以及水射流切割的特性,水射流束会通过木材中的孔道射出,从而影响切割表面的质量,因此木材加工中水射流束裁切仅应用于作用厚度不超过30 mm的场合。与此不同,水射流束裁切金属、石料、陶瓷和塑料等材料时不存在上述问题[3]。
2.2.2 切割参数对切割表面的粗糙度影响的方差分析
方差分析的结果表明在木材树种、密度和含水率不变的条件下研究考察的3个切割参数中,切割速度对切割质量的影响是显著的;其次,切割压力、切割厚度对切割质量的影响较小,是不显著影响因素。
F0.05(2,2)=19;F0.05(2,4)=6.94;F0.1(2,4)=4.32
3 结论
1)水射流切割速度对木材切割表面质量影响显著,切割压力和切割厚度对切割表面质量的影响较小,切割速度一般在100~150 mm。
2)水射流切割压力影响切割表面的粗糙度大小,但切割压力在220~260 MPa范围变化时,对切割表面的质量提高不明显。
3)水射流切割厚度较大时对切割表面的质量影响较大,切割厚度取25 mm以下较合适。
参考文献
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[2]董庆华.超高压水射流切割技术及其应用[J].焊接技术,2001,30(6):34-35.
高压水射流技术及应用 篇6
1 高压水射流技术在石化设备清洗中的具体应用情况
1.1 高压水射流在对石化设备进行清洗时的主要特点
高压水射流技术将水作为其发挥作用的主要介质, 有效通过射流的作用, 将高压泵、阀以及相关的自控系统等有机的融为一体, 利用高压发生装置, 增强水流的能量, 通过采用特定的流体运动方法将水流从小口径孔喷嘴当中高速喷射出来, 以此来产生具有高能量的水流。该技术之所以能够广泛的应用于各大领域中, 就是因为其具有多种优点, 在水固有的性质基础上, 通过高压水发挥出来的力学作用, 产生的清洗以及除锈效果相对比传统的人工、化学以及机械等各种方法更好, 不会对周围环境造成污染, 成本较低, 可以大量的节约能源的消耗, 对石化设备的腐蚀损伤程度较小, 并且实现了自动化与智能化的控制, 可以在一些环境恶劣、空间复杂的场合有效完成石化设备的清洗以及除锈作业。此外, 对于那些结构相对复杂的石化设备来说, 该技术的清洗和除锈效果更为明显。
1.2 高压水射流技术清洗的主要作用原理
在物理清洗技术中高压水射流清洗技术作为一种新型的石化设备清洗技术, 能够按照设备的具体构造情况采取最有效的射流方法, 通过高压水产生的巨大能量进行冲击, 持续稳定的对石化设备进行冲击清洗, 以达到清除污垢的目的。高压水射流技术主要按照下述原理完成设备清洗工作:当高压水射流冲洗到石化设备的表面时, 由于水流本身速度的大小以及方向都会出现一定程度的变化, 因此动量的大小也会随之改变, 这主要是由于射流和石化设备之间产生的相互作用造成的, 通过把一部分的动量转换成作用力传递到石化设备的表面上, 在水射流对设备表面进行连续稳定的冲击时, 就可以产生冲击力, 以此来除去过去采用化学方法无法有效清除的顽固污垢, 例如锈层、油渍、橡胶、混凝土涂层、水垢、微生物污染物以及石膏等物质。
1.3 高压水射流技术清洗的主要优势
该技术清洗设备的主要优势在于下述七个方面: (1) 首先在使用高压水射流技术清洗石化设备时, 在压力等级选择合适的情况下, 对石化设备本身并不会产生损害。 (2) 其次该技术不会造成污染, 而且也不会腐蚀到设备本身:高压水射流技术主要是将干净的自来水作为其发挥效用的介质, 不会对周围的环境产生任何的污染破坏, 射流在经过高压设备喷射出去并经过雾化以后还可以有效降低清洗设备粉尘浓度, 在清洗完成之后不需要进行进一步处理, 是一种非常环保的清洗技术。而且由于自来水当中没有添加任何化学物质, 不会对设备的零部件产生腐蚀。因此相比于化学清洗方法来说, 通过该方法不需要在清洗完成后采取相应的防腐蚀措施进行处理。 (3) 可以对形状各异、结构相对复杂的石化设备进行有效清洗, 并且在清洗的过程中具有自动化以及智能化控制的特点。 (4) 清洗成本相对较低:高压水射流技术主要是将清洁的自来水作为介质, 通过使用具有较高强度、良好耐磨性的喷头作为水流喷射的主要枪具, 对石化设备造成的磨损可以忽略不计, 其产生的综合成本还没有达到化学清洁方法的一半, 而且该技术主要是进行细射流喷射, 每小时所消耗的水量在3～8 m3之间, 不需要太大直径的喷咀, 因此该技术方法的清洗成本更加低廉。 (5) 具有较高的清洗效率:不管是什么类型的结垢物, 污垢程度有多严重, 只要在采用高压水射流技术的过程中能够确保水射流参数的合理性, 保证压力等级、水的流量功率以及喷头的直径大小都合适, 就能够对石化设备进行高效的清洗[2]。 (6) 对于其他常规清洗方式来说, 如果遇到了清洗空间较为狭小、环境条件较为恶劣的情况, 是很难顺利完成石化设备的清洗工作的。但是高压水射流技术由于具有一定的优越性, 即使在小口径大容器设备的内部进行清理时也能发挥出良好的清洗效果。
2 高压水射流技术在石化设备除锈中的具体应用情况
2.1 高压水射流技术除锈的主要作用原理
高压水射流技术对石化设备进行除锈时的主要作用原理为:在锈层的表面通过利用射流具有的打击力产生水楔作用, 进一步扩大锈层出现的裂纹, 然后利用水流进行冲刷来完成锈蚀的清除工作。由于该方法主要是湿法除锈, 并不会产生粉尘, 对环境造成的污染较小, 所以已经在石化设备的除锈领域得到了广泛的应用。
2.2 磨料射流技术
在有效提高石化设备除锈效果的同时, 还需要进一步降低高压系统的压力等级, 这就需要用到磨料射流技术。对于一些比较大型的石化设备来说, 由于其很容易受到空气的氧化作用而出现生锈问题, 因此在涂装工作之前一定要做好除锈工作。一般除锈处理包括两种情况:一种是对钢结构件通过人工砂纸打磨的方式进行除锈;另一种是对容器以及球罐等进行无损害检测, 确保焊缝表面的锈垢完全清除。到目前为止, 这类型的除锈作业一般都是通过人工砂纸打磨的方法完成的, 无法有效的避免轻微火化的问题, 所以在除锈范围内需要通过建设隔离墙来预防隐患, 这种方法成本过高, 而且处理效果也较差。因此针对上述两种除锈情况, 采用人工手持喷枪进行磨料水射流的方法完成除锈, 能够提高除锈效果, 加快除锈速度, 降低劳动强度。在采用磨料射流技术的时候主要选择了石英砂作为磨料, 而且磨料水射流技术在钢制表面进行打击的过程中并不会出现火花。因此该技术方法的优势之处主要体现在:采用的射流工况参数相对较低, 通常只需要将压力控制在70 MPa、机组的功率保持在55～110 kW之间即可, 但是该方法也存在一定的弊端, 在采用该原理进行除锈之前一定要保证磨料是干燥的, 而且为了供料时候能够保持均匀, 在砂桶距操作的过程中工作人员需要近距离工作, 因此远距离除锈作业将会受到极大的限制[3]。不过在喷枪上换上磨料喷头, 也可以达到良好的除锈效果。所以对于上述两种场合的除锈情况, 磨料射流技术具有较高的实用性。如下图1所示为磨料水射流技术的工作原理图。 (如图1)
2.3 爬壁机器人射流除锈技术
该技术适用于大面积钢制表面除锈工作。在除锈的过程中需要解决下述三个问题: (1) 行走:爬壁机器人在行走的过程中采用双回路电机进行驱动, 该机构可以把机器人的四个行走轮划分为两组, 确保其能够进行直线往复运动以及转向动作。 (2) 附壁:爬壁机器人主要依靠外来真空实现附壁, 确保真空吸力所产生的附壁扭矩比机器人本身的重量大, 在机器人拖带其他物体的时候能够和真空吸力所产生的摩擦力矩一起构成倾覆力矩, 以此来实现良好的附壁功能。通常机器人附壁真空腔都是采用橡胶材料制作而成的。 (3) 射流:爬壁机器人属于一种执行机构, 主要安装了超高压旋转接头, 并且其喷头是由四个喷嘴共同构成的。喷嘴射流产生的反冲力能够形成扭矩, 以此来实现喷头的旋转运动;而在平板间隙密封的作用下可以让喷头进行超高压自旋转, 提高了旋转接头的稳定可靠性。
3 结语
总而言之, 高压水射流技术正在不断的向着高效率、智能化的方向发展, 随着数字化以及机电一体化研究的不断深入, 该技术的应用前景将会更加光明。该技术的清洗以及除锈技术相比于传统的化学方法、机械方法以及人工方法来说具有多种优越性, 不仅可以对工业企业的石化设备进行有效的清洗和除锈, 还在多个领域中得到了广泛应用, 例如近几年来在水射流原理的基础上制造而成的新型牙刷以及医疗领域中无刀手术的成功推广等, 都说明高压水射流技术的高效性, 值得我们继续深入研发和推广应用。
参考文献
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高压水射流技术及应用 篇7
1 高压磨料水射流割缝卸压防突原理
1.1 装置系统
采用高压水泵供给高压水流,并在高压水流系统中加入磨料粒子,这些磨料粒子具有一定的浓度,二者在混合腔内经过充分混合,混合流经高压胶管流向高压喷枪,最后经喷嘴喷出,喷嘴喷出的极高速度的磨料粒子流就是磨料水射流[5,6,7]。射流中的粒子具有一定的硬度和质量,射流具有很好的穿透磨削、冲蚀的能力,能将煤层割出缝隙。高压磨料割缝装置系统[8]如图1所示。
1.2 卸压防突原理
在煤层钻进过程中,利用高压磨料水射流对两侧的实体煤进行冲蚀、切割,随着切割的深入,在两侧煤体内形成一条扁平槽缝,槽缝具有一定的深度,被切割下来的煤体随水流带出钻孔外。通过射流割缝,钻孔内煤体的暴露面积增加,一方面从保护层角度考虑,槽缝就相当于开采了一层很薄的保护层,从而层内自我解放,内部卸压,增大了煤层的透气性,为煤体内瓦斯流动和释放创造条件;另一方面,槽缝周围的煤体在地压的作用下向槽缝空间移动,扩大了卸压和排瓦斯的范围。因此,高压磨料水射流割缝卸压防突技术增大了煤层透气性,提高了抽采瓦斯的能力;同时又加大掘进面前方卸压区范围,起到防止突出的效果[9,10]。
2 卸压技术方案及工业性试验
2.1 工作面情况
试验地点选在平煤股份十二矿31010煤巷掘进工作面,该地点是十二矿规划的三水平首采工作面,位于三水平东翼上部,东邻八矿、南邻十二矿北山风井保护煤柱、西邻三水平三条下山、北面为未开采区域。工作面地表为高山,地面最高标高为+370 m。工作面回风巷设计1 065 m,胶带运输巷设计1 041 m,胶带运输巷瓦斯抽排巷1 034 m,切眼220 m。工作面设计可采走向长970 m,采高3.2 m,可采储量90万t。经测算,该工作面煤层瓦斯含量为22.5 m3/t,瓦斯压力为2.6 MPa。煤层顶、底板透气性较差,不利于瓦斯释放。
2.2 钻孔布置
在工作面施工排放孔完成以后,对其上排的1、3、5、7号孔,其第2排的10、12、14、16号孔,其第3排的17、19、21、23号孔,其第4排的26、28、30、32号孔,总共16个钻孔进行高压磨料水射流割缝(图2)。高压磨料水射流割缝有一定的影响范围,巷道两帮的割缝孔进行高压磨料水射流割缝后可影响到巷道轮廓线以外的范围。割缝时,要求相邻孔之间尽量割穿,以确保卸压效果。
2.3 安全措施
割缝前必须检查割缝钢管的密封及连接的可靠性,严禁使用有砂眼的钢管。割缝时,水压控制在25～30 MPa范围内,若水压高于30 MPa,应立即进行卸压[11]。当喷头进入孔内预定深度后,方可加压割缝。当割缝至距离钻孔孔口2 m处时,应停止割缝,以免高压水伤人。换孔割缝及拆卸割缝设备时,必须先将压力泵全部卸压停泵后进行。割缝工作现场必须由专人负责统一指挥,并且在掘进工作面吊挂便携瓦斯仪,当瓦斯浓度达到0.8%时,立即停止割缝采取措施,待正常时方可继续割缝。
2.4 试验过程
该试验选取Ø2.1 mm的喷嘴,水压控制在一定范围内,水压一般不大于30 MPa,磨料粒子供给量4 kg/min,泵供水流量为1.5 m3/h左右,割缝时喷枪伸入到钻孔内9 m处,两侧割缝高度约35 mm,割缝深度均约750 mm。准备好相关工作,开启高压水泵,割缝沿钻孔由里向外匀速割缝,割缝速度保持在1～2 m/min。1#孔割缝过程中,有大量煤粉从孔内排出,发现大量水从2#孔内流出,说明1#、2#钻孔已经割通。之后再对3#钻孔进行割缝,依次往下进行。
3 试验效果分析
3.1 瓦斯浓度变化情况
在割缝进行的过程中,卸压作用呈现显著,瓦斯涌出量也有较大幅度提高。割缝前,因受应力集中的影响,煤体内的裂隙闭合,大量吸附状态的瓦斯被封存。在水射流的高压冲击下周围煤体卸压,裂隙迅速张开,透气性大大提高,吸附瓦斯迅速解吸,随着割缝的深入,瓦斯涌出量一直增加,割缝至孔底,瓦斯涌出量也达到最大值。割缝期间,巷道中瓦斯浓度最大值是之前的2倍左右,最大值为0.89%,稳定后的瓦斯排放也是之前的2倍左右,割缝前后巷道瓦斯浓度变化情况如图3所示。
3.2 有效影响范围
对煤体割缝过程中,随着槽缝的逐步形成,槽缝周边煤体内瓦斯的赋存状态遭到极大破坏,钻孔内瓦斯的涌出量会有较大的变化,基于此,可以通过测试钻孔内瓦斯涌出量的变化判断割缝的有效影响半径[12](图4)。
由图4可以看出,距缝槽中心4 m处瓦斯涌出量明显增大,而距离缝槽中心6 m处瓦斯涌出量与瓦斯原始涌出量变化不大。因此,根据判别指标认为割缝影响范围在4～5 m。根据巷道工作面钻孔布置,巷道两帮的钻孔进行割缝后可影响到巷道轮廓线以外的范围,降低了煤层巷道掘进工作面的突出危险性。
3.3 割缝前后含水量的变化
煤体经过射流割缝变得湿润,通过测试对比,割缝后煤的水分增加3%～5%,水对瓦斯起阻碍作用,瓦斯涌出量和速度都得到控制[13,14]。含水量的增加使煤的力学性质也发生了变化,塑性增大,弹性和强度减小,前方应力分布也发生根本变化,应力集中系数减小,高应力带转移至煤体深部。
3.4 割缝对放炮后巷道粉尘浓度的影响
对放炮25 min以后的粉尘浓度进行了测试,测试地点距工作面5 m处,测试数据见表1。
3.5 巷道掘进速度
工业性试验采用的高压磨料水射流割缝技术是平煤十二矿防突措施的有效补充,增强了防突措施的有效性,起到了提高瓦斯抽放浓度和防突的效果,并且大大缩短了措施执行时间,施工排放孔由原来的5个小班缩短到2个小班,提高了掘进速度。
4 结论
(1)高压磨料水射流割缝卸压防突技术一方面可以增大煤层透气性,提高瓦斯抽采能力;另一方面可以增大工作面前方卸压区范围,使煤体得到充分卸压,起到防止突出的效果。
(2)高压磨料水射流割缝技术及装备在平煤十二矿31010掘进工作面的应用,证明该技术可快速卸压、增透,能够提高掘进速度和掘进期间的安全性。