CN107695895A - 一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置及方法 - Google Patents
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Abstract
一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置及方法，所述装置包括第一高压管路、第二高压管路、导流部、混合部和喷嘴；导流部包括导流固定筒和套接于导流固定筒内部的气体输送通道，导流固定筒和气体输送通道之间预留有间隙，间隙内设有呈螺旋状的导流叶片，导流叶片沿气体输送通道长度方向设置；导流叶片与导流固定筒内壁和气体输送通道外壁连接；第一高压管路与气体输送通道连通；第二高压管路与间隙连通；混合部包括混合腔，混合腔前端与间隙和气体输送通道连通；喷嘴设于混合腔末端。本发明所述的装置及方法可以减少磨料射流对喷嘴的磨损、提高磨料射流的工作效率。
Description
技术领域
本发明属于高压磨料气体射流领域，具体涉及一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置及方法。
背景技术
磨料射流是利用磨料粒子的冲击动能实现对靶体材料的磨削加工和冲蚀破碎，相较于传统的纯气体射流和高压水射流具有作业效率高和射流能力强的特点。磨料射流的效果关键在于射流系统中流体介质的压能转变为磨料粒子的动能。
其中，喷嘴是决定射流工况的直接元件,是提高流体介质速度的主要装置。高压管路内的低速流体经过喷嘴时，在极短的时间内被加速，从而，带动磨料粒子在喷嘴出口处获得较大动能，实现磨料射流加工作业。因此，喷嘴是射流技术中获得高能量利用率的关键因素之一。
旋转射流是指在射流喷嘴不旋转的条件下，利用其内部结构在出口处产生具有三维速度并沿螺旋线轨迹运动的扩散式射流，也称之为旋动射流。这种射流相较于传统的圆柱状射流，其外形呈明显的扩张喇叭状，具有较强的扩散和卷吸周围介质参与流动的能力，能够形成较大的冲击面积。
但上述两种射流技术在实际应用中尚存在以下不足：
（1）圆柱状磨料射流技术存在射流喷嘴磨损严重以及有效冲蚀半径小的问题。喷嘴的磨损主要是发生在收缩段内，由于该段纵向截面沿喷嘴出口方向迅速收缩，硬磨料粒子沿轴向加速过程中会对喷嘴发生严重冲蚀剥削，扩张内壁半径，降低喷嘴加速能力，而磨料射流的冲蚀深度取决于磨料的切向速度，磨料颗粒与喷嘴收缩壁面发生碰撞后，其切向速度减小，降低了磨料气体射流的工作效率。并且受边界层影响，磨料、流体出喷嘴后的轴线速度沿径向呈指数减小。这会导致磨料射流冲击到靶体时，径向边缘冲击动能不足以提供加工所需能量，即有效冲蚀半径小。上述两种现象严重制约了磨料射流在工业上的推广应用。
（2）利用旋转射流进行加工作业时，会出现能量利用率低，靶体材料破坏形状不规则等情况。在离心力作用下，旋转射流流场特性不同于传统射流，其速度和压力高峰区形成在远离射流轴线的一定范围内，中心射流段为能量薄弱区。射流能量密集区域向径向边缘位置偏离，会降低能量利用率和转化率，中心能量薄弱，会造成靶体材料的冲蚀坑出现内凸锥形，不利于对材料的精确加工。
发明内容
本发明旨在提供一种使用效果好的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置及方法。
为解决上述技术问题，本发明提供了如下的技术方案：一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，包括第一高压管路、第二高压管路、导流部、混合部和喷嘴；导流部包括导流固定筒和套接于导流固定筒内部的气体输送通道，导流固定筒和气体输送通道之间预留有间隙，间隙内设有呈螺旋状的导流叶片，导流叶片沿气体输送通道长度方向设置；导流叶片与导流固定筒内壁和气体输送通道外壁连接；第一高压管路与气体输送通道连通；第二高压管路与间隙连通；混合部包括混合腔，混合腔前端与间隙和气体输送通道连通；喷嘴设于混合腔末端。
喷嘴的内径从前之后先逐渐减小、后保持不变、随后逐渐增大。
混合部还包括连接于混合腔两端的前环形管和后环形管，导流固定筒设于前环形管内；前环形管内壁上设有卡槽，导流固定筒外壁上配合卡槽设有卡块，卡块卡设于卡槽内；后环形管与喷嘴连接。
第一高压管路包括依次相连的前水平管、倾斜管和后水平管；前水平管位于第二高压管路外侧；倾斜管插设于第二高压管路中，后水平管位于第二高压管路中；第二高压管路与后水平管同心。
倾斜管与第二高压管路焊接。
混合腔内径从前之后逐渐减小。
气体输送通道与后水平管的连接处设有密封环。
混合部还包括混合筒，前环形管、混合腔和后环形管均设于混合筒内；第二高压管路后部配合混合筒设有连接槽，混合筒前部连接于连接槽中。
一种利用上述装置进行的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的方法，该方法依次包括如下步骤：
（1）装置的装配：首先，将第二高压管路与倾斜管焊接，将导流部卡接于前环形管内；然后，将混合部的前部套接于第二高压管路中，在第一高压管路和气体输送通道之间设置密封圈；最后，将喷嘴与后环形管套接，完成装配；
（2）装置与外部器件连接：将提供高压硬磨料流体的高压硬磨料流体输送系统与第一高压管路的前水平管连接，将提供高压软磨料流体的高压软磨料流体输送系统与第二高压管路的前端连接；其中，软磨料与喷嘴的硬度比小于0.45，硬磨料与喷嘴的硬度比大于0.45；
（3）开始射流：首先，高压硬磨料流体从第一高压管路依次进入气体输送管道和混合腔中；同时，高压软磨料流体通过第二高压管路进入到间隙内，在间隙中经过导流叶片的导流形成旋转射流进入混合腔；然后，在混合腔内，高压软磨料流体在离心力作用下沿着混合腔以螺旋线形流入喷嘴内；高压硬磨料流体处于高压软磨料流体形成的空腔中，沿轴向加速运动；最终高压硬磨料流体和高压软磨料流体从喷嘴中喷出。
高压软磨料流体和高压硬磨料流体的混合比比为：0.8。
通过以上技术方案，本发明的有益效果为：
本发明所述的装置可以减少磨料射流对喷嘴的磨损、提高磨料射流的工作效率。相比较现有的磨料射流技术，本发明通过第一高压管路和第二高压管路输送两种具有不同性质的磨料颗粒，其中硬磨料直接通过第一高压管路经过气体输送管道输送至混合腔中心处；软磨料通过导向叶轮形成旋转射流，在离心力作用下沿混合腔内壁和喷嘴收缩段螺旋前进，在硬磨料到达喷嘴时与硬磨料发生碰撞，减少硬磨料与喷嘴收缩壁面的直接接触，从而减少喷嘴的磨损；同时，由于硬磨料没有受到导向叶片的阻挡，轴向速度受到影响较小，可以对旋转射流形成的能量薄弱区形成较强的冲击，进而提高旋转磨料射流的工作效率。另外，该装置能够大大延长喷嘴的使用寿命，结构简单，减少了人工工作量，降低了射流作业成本。
本发明所述的方法通过在射流系统中同时加入软、硬两种磨料，通过控制软磨料和硬磨料的硬度，同时控制软磨料和硬磨料的流量以及速度，保证软磨料沿喷嘴内壁作切向螺旋运动，起到保护喷嘴作用，硬磨料沿轴向作加速运动，提高旋转射流工作效率，进而通过本发明所述的方法可以减少磨料射流对喷嘴的磨损、提高磨料射流的工作效率。
附图说明
图1为本发明结构示意图；
图2为混合部结构示意图；
图3为导流部结构示意图；
图4为图3的左视图。
具体实施方式
一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，如图1~4所示，包括第一高压管路1、第二高压管路2、导流部3、混合部4和喷嘴5。
本实施例中，前后的定义方式为：沿磨料气体射流方向为从前到后。
其中，导流部3包括导流固定筒31和套接于导流固定筒31内部的气体输送通道33，导流固定筒31和气体输送通道33之间预留有间隙35，间隙35内设有呈螺旋状的导流叶片32，导流叶片32沿气体输送通道33长度方向设置；导流叶片32与导流固定筒31内壁和气体输送通道33外壁连接。导流叶片32用来生成环形旋转流体，使流体在混合腔22内壁沿螺旋线前进。
第一高压管路包括依次相连的前水平管11、倾斜管12和后水平管13，前水平管11前端连接提供高压硬磨料流体的高压应磨料流体输送系统；前水平管11位于第二高压管路2外侧；倾斜管12插设于第二高压管路2中，同时，倾斜管12与第二高压管路2焊接。后水平管13位于第二高压管路2中；第二高压管路2与后水平管13同心，从而保证高压硬磨料流体在混合腔22中位于高压软磨料流体形成的腔体内。
后水平管13与气体输送通道33连通，气体输送通道33与后水平管13的连接处设有密封环，从而防止气体泄漏。高压硬磨料流体从第一高压管路进入到气体输送通道33中。
第二高压管路2的前端连接提供高压软磨料流体的高压软磨料流体输送系统，第二高压管路2的后端与间隙35连通，从第二高压管路2出来的高压软磨料流体进入到间隙35内，在导流叶片32的作用下形成螺旋气流。
混合部4包括混合腔22，混合腔22内径从前之后逐渐减小，从而实现高压硬磨料流体的加速。混合腔22前端与间隙35和气体输送通道33连通；喷嘴5设于混合腔22末端，喷嘴5的内径从前之后先逐渐减小、后保持不变、随后逐渐增大，从而可以对进入到喷嘴5中的流体进行加速，提高工作效率。
分别从气体输送通道33和间隙35中出来的高压硬磨料流体和高压软磨料流体均进入到混合腔22中，导流叶片32生成的呈旋转状流体的高压软磨料流体在混合腔22内壁沿螺旋线前进；而高压硬磨料流体在高压软磨料流体形成的空腔中呈轴线前进。
为了便于连接，混合腔22两端分别设有前环形管21和后环形管23，导流固定筒31设于前环形管21内；在前环形管21内壁上设有卡槽，导流固定筒31外壁上配合卡槽设有卡块34，卡块34卡设于卡槽内，连接方便，拆卸容易；后环形管23与喷嘴5连接。
为了便于混合部4与第二高压管路2的连接，混合部4还包括混合筒6，前环形管21、混合腔22和后环形管23均设于混合筒6内；第二高压管路2后部配合混合筒6设有连接槽，混合筒6前部连接于连接槽中，混合筒6前部与连接槽卡接，拆卸方便，组装容易。
本发明通过第一高压管路和第二高压管路2输送两种具有不同性质的磨料颗粒。其中硬磨料直接通过第一高压管路经过导流部3的气体输送管道输送至混合腔22中心处；软磨料通过导向叶轮形成旋转射流，在离心力作用下沿混合腔22内壁和喷嘴5收缩段螺旋前进，软磨料在硬磨料到达喷嘴5时与硬磨料发生碰撞，减少硬磨料与喷嘴5收缩壁面的直接接触，从而减少喷嘴5的磨损。同时，由于硬磨料没有受到导向叶片的阻挡，轴向速度受到的影响较小，可以对旋转射流形成的能量薄弱区形成较强的冲击，从而提高旋转磨料射流的工作效率。另外，本装置能够大大延长喷嘴5的使用寿命，结构简单，减少了人工工作量，降低了射流作业成本。
本发明还公开了一种利用上述装置进行的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的方法，该方法依次包括如下步骤：
（1）装置的装配：首先，将第二高压管路与倾斜管焊接，将导流部卡接于前环形管内；然后，将混合部的前部套接于第二高压管路中，在第一高压管路和气体输送通道之间设置密封圈；最后，将喷嘴与后环形管套接，完成装配；
（2）装置与外部器件连接：将提供高压硬磨料流体的高压硬磨料流体输送系统与第一高压管路的前水平管连接，将提供高压软磨料流体的高压软磨料流体输送系统与第二高压管路的前端连接；其中，软磨料与喷嘴的硬度比小于0.45，硬磨料与喷嘴的硬度比大于0.45；
（3）开始射流：首先，高压硬磨料流体从第一高压管路依次进入气体输送管道和混合腔中；同时，高压软磨料流体通过第二高压管路进入到间隙内，在间隙中经过导流叶片的导流形成旋转射流进入混合腔；然后，在混合腔内，高压软磨料流体在离心力作用下沿着混合腔以螺旋线形流入喷嘴内；高压硬磨料流体处于高压软磨料流体形成的空腔中，沿轴向加速运动；最终高压硬磨料流体和高压软磨料流体从喷嘴中喷出。
在射流的过程中，高压软磨料流体和高压硬磨料流体的混合比比为：0.8。
本发明所述的方法在射流系统中同时加入软、硬两种磨料，通过控制软磨料和硬磨料的硬度，同时控制软磨料和硬磨料的流量，保证软磨料沿喷嘴内壁作切向螺旋运动，起到保护喷嘴作用，硬磨料沿轴向作加速运动，提高旋转射流工作效率，进而通过本发明所述的方法可以减少磨料射流对喷嘴的磨损、提高磨料射流的工作效率。
Claims (10)
1.一种利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：包括第一高压管路、第二高压管路、导流部、混合部和喷嘴；导流部包括导流固定筒和套接于导流固定筒内部的气体输送通道，导流固定筒和气体输送通道之间预留有间隙，间隙内设有呈螺旋状的导流叶片，导流叶片沿气体输送通道长度方向设置；导流叶片与导流固定筒内壁和气体输送通道外壁连接；第一高压管路与气体输送通道连通；第二高压管路与间隙连通；混合部包括混合腔，混合腔前端与间隙和气体输送通道连通；喷嘴设于混合腔末端。
2.如权利要求1所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：喷嘴的内径从前之后先逐渐减小、后保持不变、随后逐渐增大。
3.如权利要求2所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：混合部还包括连接于混合腔两端的前环形管和后环形管，导流固定筒设于前环形管内；前环形管内壁上设有卡槽，导流固定筒外壁上配合卡槽设有卡块，卡块卡设于卡槽内；后环形管与喷嘴连接。
4.如权利要求3所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：第一高压管路包括依次相连的前水平管、倾斜管和后水平管；前水平管位于第二高压管路外侧；倾斜管插设于第二高压管路中，后水平管位于第二高压管路中；第二高压管路与后水平管同心。
5.如权利要求4所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：倾斜管与第二高压管路焊接。
6.如权利要求5所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：混合腔内径从前之后逐渐减小。
7.如权利要求6所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：气体输送通道与后水平管的连接处设有密封环。
8.如权利要求1至7任意一项所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的装置，其特征在于：混合部还包括混合筒，前环形管、混合腔和后环形管均设于混合筒内；第二高压管路后部配合混合筒设有连接槽，混合筒前部连接于连接槽中。
9.一种利用权利要求8所述的装置进行的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的方法，其特征在于：该方法依次包括如下步骤：
（1）装置的装配：首先，将第二高压管路与倾斜管焊接，将导流部卡接于前环形管内；然后，将混合部的前部套接于第二高压管路中，在第一高压管路和气体输送通道之间设置密封圈；最后，将喷嘴与后环形管套接，完成装配；
（2）装置与外部器件连接：将提供高压硬磨料流体的高压硬磨料流体输送系统与第一高压管路的前水平管连接，将提供高压软磨料流体的高压软磨料流体输送系统与第二高压管路的前端连接；其中，软磨料与喷嘴的硬度比小于0.45，硬磨料与喷嘴的硬度比大于0.45；
（3）开始射流：首先，高压硬磨料流体从第一高压管路依次进入气体输送管道和混合腔中；同时，高压软磨料流体通过第二高压管路进入到间隙内，在间隙中经过导流叶片的导流形成旋转射流进入混合腔；然后，在混合腔内，高压软磨料流体在离心力作用下沿着混合腔以螺旋线形流入喷嘴内；高压硬磨料流体处于高压软磨料流体形成的空腔中，沿轴向加速运动；最终高压硬磨料流体和高压软磨料流体从喷嘴中喷出。
10.如权利要求9所述的利用旋转磨料射流减少喷嘴磨损的方法，其特征在于：高压软磨料流体和高压硬磨料流体的混合比比为：0.8。
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