磨料水射流与磨料气体射流破岩压力对比分析

为验证磨料气体射流破岩可行性,对比分析磨料水射流和磨料气体射流破岩效果。理论分析了磨料水射流和磨料气体射流中磨料加速机理,得出磨料动能与磨料水射流和磨料气体射流入口压力之间的数值关系。基于统一强度理论,建立了适用于磨料射流破岩的能量准则,得出了岩石破坏时所需的临界能量。根据磨料加速理论和岩石破坏临界能量计算了岩石破坏临界磨料速度以及所需入口压力。基于理论计算结果,试验验证了磨料水射流和磨料气体射流冲蚀灰岩的破碎效果。结果表明:当磨料速度达到270 m/s时,所需气体射流压力的理论值为15 MPa,水射流压力的理论值为45 MPa;两种磨料射流冲蚀坑形状相同,均呈现"V"型,磨料水射流的冲蚀坑形状相较于磨料气体射流具有"口小","坑深"的特征,磨料气体射流破灰岩形成的冲蚀坑体积要大于磨料水射流。     

基于CFD-DEM耦合算法的后混合磨料水射流数值模拟

为了更加准确地模拟磨料水射流在破岩时的内部混合及流动特性，基于CFD-DEM耦合的欧拉-拉格朗日算法，运用计算流体力学软件Fluent与颗粒流软件EDEM进行联合仿真计算。结果表明：射流出口处的磨料颗粒平均速度小于同位置的水相速度，大部分磨料颗粒受水射流的冲击作用后，与内壁及其他颗粒发生碰撞，导致能量损失较大，轨迹线呈现多处弯折；只有少数颗粒与水射流发生冲击碰撞后，同水射流速度方向保持一致，以接近水相的速度射出。采用欧拉多相流模型算法开展了对比试验，验证了CFD-DEM耦合算法可更准确地模拟后混合磨料水射流的混合及流动情况，可为后续研究并改进后混合磨料水射流技术提供一种更优的数值计算方法。     

后混式高压磨料水射流磨料分布规律分析

为了提高带钢后混式高压磨料水射流除鳞清理效率, 设计了磨料分布测试装置, 以试件表面磨料冲击坑数量来表征磨料在射流横截面上的分布, 研究了靶距和工作压力对磨料在射流横截面上分布的影响。结果表明, 磨料在射流横截面径向的分布服从正态分布规律, 靶距增大会导致磨料分布范围增大, 分布分散化、均匀化, 且磨料的分布范围与靶距成一阶线性关系; 工作压力与磨料的分布范围成正比关系, 且提高工作压力会增大喷嘴混合腔中有效混合的磨料总数。     

不同切割压力下后混合磨料射流切割深度和速度关系的实验研究

通过对后混合磨料射流产生过程的动力和能量分析,以及磨料水射流切割过程的能量转化分析。得出了后混合磨料射流切割过程中切割深度和速度的乘积与切割压力的关系。并通过对304不锈钢的切割实验验证了上述理论。同时通过实验确定了后混合磨料射流切割304不锈钢时切割深度和速度与切割压力的关系的定量关系,建立了切割压力、切割速度和切割深度的关系模型。     

磨料水射流切割煤岩的机理研究

从建立单个质点的冲击模型及冲击力分布出发，结合煤岩的脆性特性，分析研究了磨料水射流切割煤岩的特点和机理及提高磨料水射流切割效果的基本方法。     

磨料空气射流破煤冲蚀模型研究

进行预抽煤矿瓦斯时,采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象,降低瓦斯抽采率。为此,提出磨料空气射流破煤增透措施,提高钻孔利用率。为明确磨料空气射流破煤参数,采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算,分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响,考虑了反弹磨料二次冲蚀作用,建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型,采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟,分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律,建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统,使用(Laval)喷嘴,在不同气体压力条件选用标准的180μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验,获取了单位能量破碎体积参数,建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法,进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验,利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验,验证了冲蚀模型的准确性。对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析,结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力扩散角磨料密度磨料粒径磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中,未将受压条件放入模型中,今后将会进行相关实验,把受压条件作为修正系数,进一步完善该冲蚀模型。     

前混合磨料水射流喷丸强化技术的射流参数

基于对前混合磨料水射流喷丸强化技术的射流参数研究,对前混合磨料水射流的射流速度及射流冲击压力,进行了一定的分析和确定。实验结果表明,前混合喷丸技术提高了加工效率,降低了加工成本,环保节能。     

磨料属性影响高压磨料气体射流破岩效果的理论及实验研究

为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料射流冲蚀磨损率的理论计算模型,并利用高压磨料气体射流破岩实验结果对其进行了修正。研究结果表明,在固定气体压力条件下,冲蚀率随磨料粒径、密度的增加先增加后减小;粒径相较于密度对冲蚀率影响更为显著;在气体压力为20 MPa时,常用的磨料种类和粒径中80目石榴石为最优磨料;修正的磨料气体射流冲蚀理论模型数学形式简单,综合考虑了磨料的能量转化效率和磨料的破碎对冲蚀率的影响,与实验结果具有较好的一致性。     

前混合磨料射流数控切割机的开发

前混合磨料射流技术是近十几年迅速发展起来的新型射流技术。前混合磨料射流中以水为介质，磨料先和水在高压输入管中均匀混合成磨料浆液，然后经磨料喷头喷射形成磨料射流。前混合方式加强了磨料和水介质的混合效果，使磨料粒子在水介质中得到充分的加速，因此，前混合磨料射流中的磨料具有很高的动能，冲蚀物件的能力也大大提高；在同等条件下，所需要的工作压力比引射式磨料射流要低的多。     

磨料水射流切割煤岩的机理研究

从建立单个质点的冲击模型及冲击力分布出发，结合煤岩的脆性，分析研究了磨料水射流切割煤岩的机理，提高切割效果的基本方法。     

微磨料水射流对多晶硅切割的试验研究与模型分析

笔者根据材料冲蚀磨损原理,分析探讨了微磨料水射流切割多晶硅硅锭的机理。并运用后混合微磨料射流切割装置,对多晶硅硅锭进行了单因素切割试验,从而获得了切割性能曲线。研究结果表明,微磨料水射流对多晶硅的切割完全可行,射流压力和横移速度是重要的试验数据。通过对高压磨料水射流切割性能的预测和加工参数的优化,最终建立切割表面质量经验模型,根据模型分析得出射流压力、横移速度与切割质量之间的关系。     

前混合式磨料水射流喷嘴外流场仿真与实验

通过建立磨料水射流喷嘴有限元模型,对2种不同直径的前混合式磨料水射流的喷嘴外流场进行仿真分析.结果表明,在喷嘴其它几何条件相同的情况下,出口直径对喷嘴的出口速度影响比较大,出口直径越大,出口速度越小;在一定程度上将混合管适当地加长,可以提高磨料射流在喷嘴出口处的速度;磨料水射流最佳的切割距离为喷嘴出口直径的2.0～5.0倍.磨料水射流切割靶体实验结果与靶体冲击仿真结果基本吻合.     

基于BP神经网络的磨料水射流抛光质量研究

针对磨料水射流抛光质量与各工艺参数间,因复杂的非线性关系而无法用传统的数学方法建模的问题,基于BP神经网络理论,建立了磨料水射流抛光BP神经网络模型。以磨料水射流抛光铝合金轮毂为例,在考虑磨料浓度、入射角度、射流压力、靶距、横移速度5个工艺参数的情况下,通过正交实验收集27组样本数据,对样本数据进行方差分析和F检验,获得各工艺参数对表面粗糙度值影响的强弱,从而确定网络模型的输入参数为磨料浓度、靶距、横移速度与表面粗糙度,输出参数入射角度、射流压力,并将样本数据用于网络模型的训练和检测。在网络模型预测的入射角度与射流压力下进行抛光实验,测得铝合金轮毂表面粗糙度的实际值与实验值之间的相对误差最小为0.92%,最大为2.89%。结果表明:该网络模型能快速、准确地预测入射角度与射流压力,实现对抛光质量的间接控制。     

磨料气体射流冲蚀磨损岩石特征分析

磨料气体射流在辅助钻孔和卸压增透时,能够避免塌孔,从而提高采出率。明确磨料气体射流破岩特征是推广磨料气体射流应用的重要理论基础。但目前的磨料气体射流冲蚀磨损模型忽略了反射磨料的作用。为此,开展了不同磨料种类和不同靶距条件下,磨料气体射流冲蚀灰岩实验,采用电镜扫描冲蚀坑不同区域的冲蚀特征进行分析,结合离散元模型分析磨料在冲蚀灰岩过程中的运动轨迹,明确磨料气体射流冲蚀磨损特征以及反射磨料的作用。得出磨料气体射流冲蚀灰岩时,冲蚀坑的形态大致为倒圆锥形,在冲蚀坑底部存在环形平台,环形平台下面为类球体状的冲蚀坑底部。造成这种冲蚀坑形态的主要原因为磨料气体射流流场结构的特殊性,在磨料气体射流轴心和边界处存在环形区域,环形区域内没有磨料存在。轴心处入射磨料是形成类球体的主要因素,磨料反射后趋向环形区域运动,在反射过程中,扩大了类球体和冲蚀坑直径,并形成了环形平台。类球体底部是以入射磨料的冲击应力波导致岩石破坏,类球体侧面是反射磨料造成的多次塑性变形,环形平台处存在入射磨料导致的塑性变形和反射磨料导致的疲劳破坏,冲蚀坑侧面主要以反射磨料产生疲劳破坏为主。磨料硬度对煤岩体冲蚀磨损诱因和磨损破坏特征没有影响。但较硬磨料冲蚀煤岩表面具有更高的粗糙度,同时具有更高的破岩效率。     

磨料射流束中磨料能量分布与切口形状的实验模拟研究

在研究磨料水射流对304不锈钢的切削过程中,发现切口形状与射流束中的粒子能量分布有很大关系。通过理论分析和数值模拟得出了粒子在射流束中的压力分布、速度分布和浓度分布规律。分析出射流束中粒子能量为双峰分布,同时通过Fluent仿真发现冲击过程存在水垫效应,磨料射流冲击材料表面时传递的能量是不均匀的,主要分布在距离中心一段距离的环形区域上。     

磨料水射流切割混凝土工艺规律分析

磨料水射流切割断面的质量通常用射流的最大切割深度与切割工件厚度的比值来表征。本文以磨料水射流切割混凝土为例,首先从理论上建立最大切割深度的计算表达式,然后通过实验分析了射流压力、进给速度、靶距、磨料流量、磨料粒径等工艺参数对最大切割深度的影响。     

前混合磨料射流在除锈中的应用

为了获得效率高、质量好的除锈方法,采用高压水射流前混合磨料射流设备对钢板样件进行表面除锈试验,对试验各项参数(压力、磨料浓度、靶距、移动速度)进行研究分析。结果表明,所采用的前混合磨料射流在压力20 MPa、磨料浓度25%、靶距70 mm、移动速度约500 mm/min时,除锈效率最高,同比其他除锈方法,前混合磨料射流对钢板表面处理具有除锈效率高、质量好、比能耗低及操作灵活、对环境污染小等特点。     

磨料水射流切割深度的神经网络模型

在磨料水射流切割混凝土实验基础上,应用BP人工神经网络理论,建立了基于射流压力、靶距、磨料粒径、磨料流量、磨料喷嘴直径、磨料喷嘴长度及横移速度等射流参数的磨料水射流切割深度模型,通过模型预测结果与实验结果的比较,验证模型具有一定的精度,为实际的运用和进一步研究提供了参考。     

基于磨料水射流的多晶硅车削试验与建模

笔者通过进行磨料水射流车削多晶硅片的试验研究,说明了磨料水射流车切多晶硅这类脆性材料的可行性。磨料水射流车削多晶硅的表面质量主要受射流压力、进给速度、靶距和主轴转速的影响。在正交试验设计的基础上,采用回归分析方法,在磨料水射流车削多晶硅过程中,建立了主要加工工艺参数对表面粗糙度影响模型。通过对该模型的相关指标的分析表明,回归方程有一定指导意义。该模型为合理选择磨料水射流车削工艺参数提供了理论基础,在半导体制造业具有较大应用价值。     

后混合磨料射流磨料混合过程能量损失的实验研究

通过对后混合磨料射流的形成过程及其形成过程的动量、能量转化进行分析,推导出后混合磨料射流能量损失的数学模型。通过具体实验分析,将各部分的能量损失量化。并通过实验研究,得出后混合磨料射流真正实现切割的有用能量仅占总能量的2%~2.5%的结论。