CN101835562A - 流体/磨料射流切割装置 - Google Patents

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Abstract

一种高压切割装置通过混合液体流和浆体流而形成，该液体诸如水，该浆体包括悬浮在液体中的磨粒。能量通过第一赋能机构供应到液体流，诸如通过恒压泵。能量通过第二赋能机构供应至浆体，诸如通过由恒流泵供能的活塞。液体流和浆体流在切割工具中组合，被供应的能量的至少一部分被转换为切割工具的动能，以产生高速的液体和磨料混合流。

Description

流体/磨料射流切割装置
技术领域
本发明涉及通过包括夹带的磨料颗粒的液体射流进行的切割(例如金属的切割)。
背景技术
包括夹带的磨料颗粒的高速水射流用于切割目的自从1980已知。已知的切割水射流系统分为两类：磨料水射流(AWJ)系统和磨料浆射流(ASJ)系统。
AWJ系统通常以极高压力(150至600MPa量级)向喷嘴供应水。典型的WAJ喷嘴10在图1中示出。喷嘴10包括小孔12(直径为0.2mm至0.4mm)，该小孔通向混合腔室14。水由此以高速流动通过混合腔14。
小颗粒的磨蚀材料(通常是石榴石)通常通过重力馈入而穿过给料器16被供应给腔室。高速水18产生文氏管效应，磨蚀材料被吸入水射流。
水射流然后流动通过一定长度的管路，其已知为聚焦管道(focusingtube)20。通过聚焦管道的水和磨料通道用于使磨料颗粒沿水流方向加速。聚焦的水射流22然后通过聚焦管道出口24排出。水射流22——或者，更准确地，加速的磨粒——然后可用于切割材料，诸如金属。
孔12和聚焦管道20的出口24之间的喷嘴10中的能量损失可以很高。水的动能由于需要为磨蚀材料加速、为被文氏管夹带的空气加速而损失。由于磨粒在管道壁上“反弹”，在聚焦管道20中发生明显的摩擦损失。由于产生热，这导致能量损失。另外，该现象还导致聚焦管道的劣化，这通常需要在40小时的操作后替换该管道。
因此，已知的AWJ系统通常非常低效。
ASJ系统结合了两个流体流，液体(通常是水)流和浆体流。浆体包含磨料颗粒的悬浊液。两个液体流被设置在大约50至100Mpa的压力下，且被结合以形成单个流。组合流被迫通过孔，通常为1.0至2.0mm量级的直径，以产生具有夹带的磨料颗粒的水射流。
ASJ系统不像AWJ系统那样低效，因为在组合两种加压流时没有能量损耗。但是，已知的ASJ系统具有有限的商业价值。这部分地因为ASJ系统以比AWJ系统低得多的压力和射流速度操作，限制它们切割一些金属的能力。
ASJ系统还显示了操作中的明显难度，主要是因为加压磨料浆体的存在以及缺乏对其流动特性提供控制的有效手段。系统涉及泵送、运输和控制磨料浆体流动的部件经历极高的磨损率。这些磨损率随着压力增加而增加，限制ASJ系统可安全操作的压力。
更重要的是，起动和停止加压磨料流时存在固有的实际困难。当用于机加工，例如，切割水射流必须能够经常按指令起动和停止。对于ASJ系统，这需要阀顶住加压磨料流关闭。对于以此方式使用的阀的磨损率极高。应理解，在阀关闭时，流动的横截面积降低至零。该减少的流动面积导致在阀关闭时的流速相应增加，以及增加阀处的局部磨损。
在典型的工业CNC环境中，切割设备可用于非常频繁地起动和停止。这意味着阀顶住加压磨料流频繁打开和关闭，以及这些阀的快速磨损和劣化。因此，用于CNC机加工的ASJ系统的使用已知为本身不实际。
ASJ系统已经在现场环境，诸如油气安装和海下切割，在这种情况下，切割需要大体连续。ASJ系统已经不在工业CNC机加工中商业使用。
图2a和2b显示了已知ASJ系统的示意图。在基本单流系统30中，如图2a所示，高压水泵32推进浮动活塞34。活塞34对磨料浆体36加压并将其泵入切割喷嘴38。
简单的双流系统40如图2b所示。来自泵32的水被分为两个流，其中一个用于通过浮动活塞34以与单流系统30类似的方式加压和泵送浆体36。另一流，专用水流35在切割喷嘴38之前的汇接点与加压浆体流37混合。
这两个系统都具有上述问题，并导致非常高的阀磨损率。其它问题包括因为管道和喷嘴中的极度磨损而导致的不恒定切割速度。
授予Krasnoff的4,707,952号美国专利中提出一种替换结构。Krasnoff系统50的示意结构在图3a中示出。Krasnoff系统与双流系统40类似，区别在于水流35和浆体流37的混合在切割喷嘴38内的混合腔室52中进行。
Krasnoff的混合腔室52的更详细视图在图3b中示出。喷嘴38提供了双级加速。首先，水流35和浆体流37通过通向混合腔室52的独立喷嘴加速。然后，混合的水和磨料流通过最终出口54加速。
Krasnoff系统被设置为以大约16MPa的压力操作，明显低于其它ASJ系统。同样，浆体流37的冲击(仍然对阀造成损坏)导致与更高压力系统相比减小的阀磨损率。推论当然是Krasnoff系统的动力输出明显低于其它ASJ系统，由此，其商业应用较少。申请人不知道Krasnoff系统已在商业上被应用。
本发明寻求提供一种系统，用于提供具有夹带的磨料颗粒的高压水射流，其至少部分地克服上述AWJ和ASJ系统的一些上述缺陷。
发明内容
实际上，本发明提供一种方法，其结合AWJ和ASJ系统的许多优点并减少每个系统的一些缺点。
根据本发明第一方面，提供了一种高压切割装置(arrangement)，包括液体流(liquid stream)和浆体流(slurry stream)，浆体包括悬浮在液体中的磨料颗粒，能量通过第一赋能机构供应到液体流，并通过第二赋能机构供应至浆体流，第一和第二赋能机构的每个都可选择地操作，其中，液体流和浆体流在切割工具中结合，被供应的能量的至少一部分被在切割工具中转换为动能，以产生高速的液体和磨料混合流。单独的赋能机构的使用允许对系统中的流进行控制。
优选地，由第一赋能机构供应的能量通过泵提供，更优选地，通过恒压泵提供，该泵对液体流加压。类似地，由第二赋能机构供应的能量优选通过泵提供，更优选地，通过恒流泵提供。该装置允许混合流的速度和体积速率通过恒压泵的压力的控制而被调整，而磨蚀材料的流速可通过控制恒流泵的流速独立地设定。系统功率的调整，或流体：磨料比，可由此容易地实现。在替换实施例中，可用单个泵为第一和第二赋能机构二者提供能量。
在优选实施例中，恒流泵为浮动活塞赋能，其由此对浆体流加压。在该实施例中，阀可设置在泵和浮动活塞之间，从而液体和由此能量从恒流泵到浮动活塞的流动可被即时防止。方便地，该阀还可用于防止液体从浮动活塞回流。以此方式，浆体流中的压力和流动可被允许变化，同时保持液体流中的恒定压力。该阀可简单地用于将恒定液体流从浮动活塞转移走，例如通过将液体返回到泵的储液器。
在其优选形式中，切割工具允许这些流以一方式混合，该方式是浆体流的压力主要通过液体流的压力控制。切割工具包括混合腔室，液体流在被赋能时以恒定的压力被提供到该混合腔室中；浆体流在被赋能时以恒定的速率被提供。在混合腔室的进入区域处的压力由此通过液体流的压力设定。浆体流到混合腔室中的进入点暴露于该压力，从而浆体流被防止进入混合腔室，除非浆体流中的压力略微高于混合腔室进入点处的压力。定容泵的动作在浆体流中形成压力，直到其到达该点。然后获得第一平衡状态，其中，浆体被以恒定流速和期望压力提供到混合腔室中。在这些条件下，定容泵有效地用作定量输送泵(constant displacement delivery pump)。
当第二赋能机构停止向浆体流供应能量时，例如通过在优选实施例中的泵和活塞之间的阀的关闭，混合腔室中的液体流的压力继续作用在浆体流上。来自浆体流的浆体继续进入到混合腔室中，直到浆体流中的压力略微降至混合腔室中的压力之下。此时，浆体流动停止，但浆体流中的压力被保持。这使得浆体流中的阀顶住静态、但加压的磨料流而被关闭。与顶住流动磨料流关闭的阀相比，此阀受到明显减小的磨损率。该阀的关闭确保到切割头的唯一一种流体就是水。阀在水流中的随后的关闭可防止液体通过切割头的所有流动。
优选地，液体流且由此浆体流以大约300MPa的压力操作。
应该理解，来自第二赋能机构的能量供应停止导致浆体几乎即时的停止，这是因为浆体在流动状态和静止状态之间的压力差很小。类似地，当第二赋能机构被激活，浆体到混合腔室中的期望流动几乎即时地实现。
优选地，切割工具包括混合腔室，该混合腔室具有设置为接收液体流和浆体流的进入区域，其中，进入区域中的压力由液体流中的压力确定，且进入区域中的压力作用在浆体流中的压力上以调整浆体流中的压力。
优选地，浆体流和液体流被设置为进入喷嘴，该喷嘴是细长的，且浆体流和液体流沿细长方向取向。这减小了在改变流向时产生的能量损失，特别是浆体改变流向时。
在优选装置中，该喷嘴具有中心轴线，浆体流沿中心轴线取向，且液体流绕浆体流被设置在环形结构中。这样的装置提供了一种将浆体流暴露至液体流压力的高效结构，且还减小了喷嘴侧部被磨损的倾向。
优选地，喷嘴是加速喷嘴，其出口的直径比进入区域的小。这允许这些流内的压力被转换为高速输出流。
通过将出口直径设置为比进入喷嘴的浆体流的直径小可进一步增强效果。
优选地，喷嘴在其外端部处具有恒定直径聚焦部分，且在进入区域和聚焦区域之间具有直径减小的锥形加速部分。这允许输出流具有期望的速度和方向。
加速部分的锥角可不超过27°。优选地，锥角可以是大约13.5°。这提供了高效加速和保持非紊流流动之间的良好平衡。
优选地，喷嘴的聚焦部分应该具有大于5∶1的长度∶直径比，优选为大约10∶1。还优选的是，长度∶直径比小于30∶1。
喷嘴可以是复合喷嘴，加速部分由比聚焦部分更硬的材料形成。
聚焦部分可具有等于或略微小于加速区域的最小直径的直径，以防止引入紊流。
出口可包括排出口倒角，其具有的锥角大约为45°。这样的角度足够以确保在出口处的流动分离。
附图说明
参考附图描述本发明，这些附图示出了本发明高压切割装置的优选实施例。其它实施例也是可行的，因此附图的细节并不应该理解为取代本发明前述描述的整体内容。在这些附图中：
图1是现有技术的AWJ系统的切割工具的横截面示意图；
图2a是现有技术单流体ASJ系统的示意图；
图2b是现有技术双流体ASJ系统的示意图；
图3a是现有技术双流体ASJ系统的示意图，其中，流体被注射到切割喷嘴中；
图3b是图3a的现有技术切割喷嘴的横截面视图；
图4是本发明的高压切割装置的示意图；
图5是来自图4的切割装置中的切割工具；
图6是图5的切割工具的一部分的横截面视图，包括喷嘴；
图7是图5的切割工具内的聚焦喷嘴的横截面视图；
图8是用于在图5的切割工具内使用的聚焦喷嘴的替换例的横截面视图；和
图9是用于在图4的切割装置内使用的切割工具的替换例。
具体实施方式
图4示出了高压切割系统100的示意结构。切割系统100具有切割工具110，两个输入线路附连至该切割工具：流体流或水流(fluid or water flowstream)112和浆体流(slurry stream)114。水流112和浆体流114的每个都在压力下供应至切割工具110。
压力通过第一赋能机构施加至水流112，该第一赋能机构是恒压泵116。在该实施例中，恒压泵116是增强器类型的泵。恒压泵116确保水流112中的压力保持在恒定期望的压力。期望的压力可通过控制恒压泵116而被改变。通常可用的压力范围从150MPa至600MPa。在通常的操作中，大约300MPa的水压可提供有用的结果。
压力通过第二赋能机构施加到浆体流114。第二赋能机构包括浮动活塞118，其由恒流水泵120提供能量。在本实施例中，恒流水泵120是多联泵。浮动活塞118沿浆体流114推动水中的高密度、低流速的磨料的悬浊液。浆体流114的流速被水122的流速控制，该水由恒流水泵120泵送。浆体的期望流速通过控制恒流水泵120改变。浆体的典型流速大约是每分钟一升。
第二赋能机构包括阀124，该阀沿水流122定位在恒流泵120和浮动活塞118之间。阀124的关闭使水流122改向远离浮动活塞118，返回到恒流泵120。阀124的关闭由此立刻停止将压力供应到浆体流114。阀124还防止水从浮动活塞118回流到恒流泵120，并由此液压地锁定浮动活塞118，由此还防止浆体从浆体流114回流。
切割工具110包括大体柱形的主体部分126，该主体部分具有从其外端延伸的大体柱形喷嘴128。主体部分126的内端连接至两个喷射器：轴向浆体喷射器130和环形水喷射器132。喷射器被设置为使得水流和浆体流二者沿轴向方向进入主体部分126，水流环向地定位在浆体流周围。水喷射器132包括流动校直器，以便在进入主体部分126之前从水流中充分去除紊流。在附图的实施例中，水流沿径向方向进入水喷射器132，然后被轴向改向。作为多个小管道的流动校直器辅助去除通过此改向产生的紊流。
切割工具110包括定位在浆体喷射器130上游的浆体阀131，和定位在水喷射器132上游的水阀133。浆体阀131和水阀133每个都可独立操作，且可打开或关闭以允许或防止流动。
浆体阀131和浆体喷射器130之间的轴向连接部135具有可变长度。
喷嘴128在图6中最佳示出。喷嘴包括混合腔室134和聚焦区域136。混合腔室包括进入区域138。混合腔室134还可以是锥形加速腔室，锥角大约是13.5°。
聚焦区域136是喷嘴的紧靠近喷嘴出口140的恒定直径部分。聚焦区域具有的长度∶直径比至少为5∶1，优选大于10∶1。
进入区域138设置为通过直径大体恒定的轴向入口管道142接收浆体流。进入区域还设置为通过绕入口管道142轴向对齐的环状物144接收水。该环状物144具有的外直径大约是内管道142直径的三至四倍。环状物144以连续的方式连接混合腔室134的内壁，由此减小将紊流引入水流的任何倾向。
进入管道142以及由此进入区域138的位置是可变的。该位置可通过调整轴向连接部135而改变。进入区域138的轴向定位允许流动通过环状物144的水在其进入该进入区域138之前被加速到期望速度。这允许水流和浆体流的校准，且可允许操作者调整磨损或功率损失。
在附图的实施例中，聚焦区域136形成在单独的聚焦喷嘴146内，该聚焦喷嘴轴向地连接到混合腔室134。如图7所示，聚焦喷嘴146包括紧位于聚焦区域136之前的加速区域148。加速区域148具有大于或等于混合腔室134锥角的锥角。加速区域148在入口处的直径大体等于混合腔室134出口处的直径。期望的是，加速区域148的入口直径不显著大于混合腔室134的出口直径，以便减小将紊流引入水流的任何倾向。
聚焦喷嘴146可由比混合腔室134的材料更硬更抗磨的材料形成。同样，喷嘴128的各部分可以被设置为使得流体/磨料流在混合腔室中被加速到第一速度，例如250m/s，然后在加速区域148中加速到其最终速度。各速度可以根据在两个部分中所使用的材料的抗磨性来设计和选择。
在替换实施例中，如图8所示，聚焦喷嘴146是复合喷嘴，加速区域148由特别硬且抗磨的材料(诸如金刚石)形成，而聚焦区域135由另一适当的材料(诸如陶瓷材料)形成。在该实施例中，聚焦区域136的直径被设计为等于或略微小于加速区域148的最小(排出口)直径。
在两个实施例中，喷嘴128具有足够长度，以允许水/浆体混合物以期望的速度相遇，通常高达600m/s。应该指出，在附图的实施例中，这需要聚焦区域136的直径小于浆体入口管道142的直径。
喷嘴在出口140处包括倒角的排出口150。倒角的锥角足够以确保排出口150处的流动分离。在附图的实施例中，该角度是45°。
在另一替换实施例中，如图9所示，聚焦喷嘴146包含在外部保持器152内。在该实施例中倒角的排出口150形成在内部保持器152内。
在使用中，水通过恒压泵116加压到期望压力。其在该压力下泵送至切割工具110，通过环形水喷射器126，然后进入环状物144。从该环状物，其进到进入区域138中，然后在进入区域138中建立接近其被泵送的压力的压力。
被浮动活塞118赋能的浆体沿切割工具110被泵送，通过浆体喷射器130，进入入口管道142。
应该理解，当入口管道142中的压力超过进入区域138中的压力时，浆体仅行进到进入区域138。当浆体流动时，浮动活塞118(由恒流泵120供能)的动作用于增加浆体流的压力，直到其足够高以进入混合腔室134的进入区域138。应该理解，这略微高于水流在进入区域138中建立的压力。当在浆体流中建立该压力时，泵120的动作将导致浆体以恒定速度和压力供应到腔室134。
水和浆体沿腔室134快速地行进和混合。环形水流极大地保护腔室134的壁不受浆体的磨蚀作用，至少在喷嘴128的内部部分处。
到流体已经被加速到聚焦喷嘴146时，水和浆体将被很好地混合。聚焦喷嘴的至少进入部分因此必须由抗磨材料制成，诸如金刚石。
流体将通过出口140以极高的速度通过聚集喷嘴146排出，用于切割许多金属和其他材料。
当要停止切割时，阀124被激活以立即停止浮动活塞118的操作。应理解，阀124仅对水作用，而不是磨蚀材料，因此不会经历极高的磨损。
浮动活塞118的停止可导致能量被停止施加到浆体流114。这将导致浆体流114和入口管道142中的压力下降。
一旦入口管道142中的压力略微降至进入区域138中的水压之下，水压将防止浆体流动到进入区域138。应该理解，这通常在阀124激活时即时发生。输出射流将从水/浆体射流改变为仅有水的射流。
此时，浆体流114保持在高压、零速度的状态。在这些状态下，浆体阀131可被关闭，而不使阀131经历过大的磨损。
一旦浆体阀131已经关闭，水阀133可被关闭以便停止水流。阀关闭的这个顺序可被快速地控制，由此提供方便的方式来在切割头110起动和停止切割。
当切割重新开始后，阀控制顺序可反向实施，水阀133首先打开，然后是浆体阀131。阀124接下来的打开导致浆体流基本同时地即时重新进入混合腔室134。
对排出流的切割属性控制可通过多个手段实现，包括改变恒压泵116的操作压力、改变通过定容泵120供应的体积，以及改变供应到系统的浆体的密度。
对本领域的技术人员明显的修改和改变可视为落入本发明的范围。

Claims (10)

1.一种高压切割装置，包括液体流和浆体流，浆体包括悬浮在液体中的磨料颗粒，能量通过第一赋能机构供应到液体流，并且能量通过第二赋能机构供应至浆体流，第一和第二赋能机构的每个都可选择地操作，其中，液体流和浆体流在切割工具中混合，被供应的能量的至少一部分在切割工具中被转换为动能，以产生高速的液体和磨料混合流。
2.如权利要求1所述的高压切割装置，其中，由第一赋能机构供应的能量通过恒压泵提供。
3.如权利要求1或2所述的高压切割装置，其中，由第二赋能机构供应的能量通过恒流泵提供。
4.如权利要求3所述的高压切割装置，其中，恒流泵为活塞赋能，该浮动活塞由此对浆体流加压。
5.如权利要求4所述的高压切割装置，其中，阀可设置在恒流泵和所述活塞之间，从而选择性地防止能量从泵流动到该活塞。
6.如权利要求1所述的高压切割装置，其中，单个泵为第一和第二赋能机构二者提供能量。
7.如前述任一权利要求所述的高压切割装置，其中，切割工具包括混合腔室，该混合腔室具有设置为接收液体流和浆体流的进入区域，其中，进入区域中的压力由液体流的压力确定，且进入区域中的压力作用在浆体流中的压力上以调整浆体流中的压力。
8.如权利要求7所述的高压切割装置，其中，液体流以及由此浆体流中的压力大约为300MPa。
9.如权利要求7或8所述的高压切割装置，其中，浆体流和液体流被设置为进入喷嘴，该喷嘴是细长的，且浆体流和液体流沿细长方向取向。
10.如权利要求9所述的高压切割装置，其中，喷嘴具有中心轴线，浆体流沿该中心轴线取向，且液体流绕浆体流被设置在环形结构中。
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