CN113997205B - 一种高压脉冲磨料射流发生装置及方法 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种高压脉冲磨料射流发生装置及方法，属于喷射装置技术领域，解决了传统的截断式脉冲射流装置截断设备使用寿命低的问题，包括混合室，混合室与磨料供给机构和供水机构连接，混合室的出口与掺气室连接，掺气室与喷嘴连接，掺气室还通过脉冲发生元件与气源设备连接，气源设备能够通过脉冲发生元件向掺气室内通入用于对进入掺气室的磨料射流束进行分隔的气泡，本发明的发生装置使用寿命长。

Description

一种高压脉冲磨料射流发生装置及方法

技术领域

本发明涉及喷射装置技术领域，具体涉及一种高压脉冲磨料射流发生装置及方法。

背景技术

这里的陈述仅提供与本发明相关的背景技术，而不必然地构成现有技术。

文献《超高压水射流破岩及切割实验研究》中表明，高压水射流是指压力高于35Mpa的射流，在冲击破碎岩体的过程中高压水射流具有高效、无尘、低热等特性，因此该技术被广泛的应用于矿山开采、石油钻探、巷道挖掘、硬岩破碎等领域。脉冲射流根据生成方式的不同可分为挤压式、自激式和截断式。挤压式脉冲射流装置的运作方式是冲击动力源先将能量传递给冲击活塞，冲击活塞高速运动与静止的挤压活塞发生碰撞，挤压活塞获得动量后迅速挤压腔体内的水并将水挤出，将机械能转化为水的内能和动能的过程。挤压式脉冲射流具备原理简单，能形成大直径、高速度的脉冲水射流等优点，如公布号为CN107930871B的发明专利公开的挤压式脉冲射流发生装置等。然而，其形成过程较为复杂，涉及相关参数多，装置的设计优化是其应用的一大难题。自激式脉冲射流是以流体共振、流体弹性学等为基础发展起来的一种高效脉冲射流发生模式，具有无附加驱动机构、脉冲射流频率高、可靠性好等优点，如公布号为CN102069049的发明专利公开的自激吸气式脉冲射流喷嘴等。但由于其存在发生机理复杂、对喷嘴材料性能要求高等问题，如何更为高效使用仍是个难题。

在脉冲射流生成方式中，截断式脉冲射流是先形成连续射流，然后在喷嘴前方放置孔盘对连续射流阻挡，最终产生一段段射流，形成脉冲射流，而高压脉冲射流则是对高于35MPa压力的连续射流进行截断。与其他脉冲激发方式相比，截断式脉冲射流装置简单、易调节、脉冲效果好等优点，是当前工程中被广泛采用的脉冲激发方式。如公布号为CN109530110A的发明专利公开的螺旋分布的径向多孔截断式脉冲射流发生装置，通过螺旋分布的圆孔对射流进行截断，从而形成高频率、小体积、可调控的脉冲射流。但发明人发现，该方案的问题是没有避免射流直接冲击截断装置，射流的冲击作用会造成截断设备的老化、破损，对后续脉冲射流的质量造成影响，尤其是为提升破岩效率在射流中加入磨料时，设备的老化和磨损问题会加剧，其使用寿命将成为其一大短板。

发明内容

本发明的目的是为克服现有技术的不足，提供了一种高压脉冲磨料射流发生装置，避免了传统采用截断设备的脉冲发生装置存在的老化迅速和磨损剧烈问题。

为实现上述目的，本发明采用如下技术方案

第一方面，本发明的实施例提供了一种高压脉冲磨料射流发生装置，包括混合室，混合室与磨料供给机构和供水机构连接，混合室的出口与掺气室连接，掺气室与喷嘴连接，掺气室还通过脉冲发生元件与气源设备连接，气源设备能够通过脉冲发生元件向掺气室内注入气泡以对进入掺气室的磨料射流束进行分隔。

可选的，所述脉冲发生元件采用脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀与控制系统连接，由控制系统控制其工作。

可选的，脉冲电磁阀的出口通过管路与掺气室连接，掺气室与管路之间设置有密封元件。

可选的，所述磨料供给机构包括用于盛放磨料浆的第一箱体，所述第一箱体通过第一驱动泵与磨料罐的进口连接，磨料罐的出口与混合室的进口连接。

可选的，所述第一驱动泵与磨料罐之间的管路上设置有第一开关元件。

可选的，所述磨料罐与混合室之间的管路上设置有调压元件。

可选的，所述供水机构包括用于盛放水的第二箱体，所述第二箱体通过第二驱动泵与混合室的进口连接。

可选的，所述第二驱动泵与混合室之间的管路上设置有第二开关元件。

可选的，所述气源设备采用气泵，所述气泵的出气口通过管路与脉冲发生元件的进口连接。

第二方面，本发明的实施例提供了一种第一方面所述的高压脉冲磨料射流发生装置的工作方法：磨料供给机构向混合室内送入磨料，供水机构向混合室内送入设定水压的水，混合室内的磨料和水混合后产生磨料水射流，磨料和水的混合物进入掺气室，气源设备通过脉冲发生元件向掺气室内注入具有设定气压的气泡，气泡将进入掺气室的磨料射流束进行分隔，产生的脉冲式磨粒射流束由喷嘴喷射出。

本发明的有益效果：

1.本发明的高压脉冲磨料射流发生装置，能够通过气源设备和脉冲发生元件向掺气室内注入气泡，进而对掺气室内的磨料射流进行分隔，形成脉冲磨料射流，利用气泡进行分隔，无需设置截断设备，避免了传统的脉冲磨料水射流发生装置工作时直接将射流束冲击截断设备而造成的能量浪费、设备易磨损老化，使用寿命低的问题。

2.本发明的高压脉冲磨料射流发生装置，脉冲发生元件采用脉冲电磁阀，脉冲电磁阀与控制系统连接，能够进行产气量及气泡间断时间的调整，能够高效、简便地控制脉冲射流的频率和射流束的长度，提高了整个装置的适用性。

3.本发明的高压脉冲磨料射流发生装置，通过第一开关元件、调压元件及第二开关元件的设置，能够方便快捷的调节磨料射流的压力，自动化程度高，装置的适用性强。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的限定。

图1为本发明实施例1整体结构示意图；

其中，1.混合室，2.第一箱体，3.磨料罐，4.低压泵，5.第一开关元件，6.调压元件，7.第二箱体，8.高压水泵，9.第二开关元件，10.掺气室，11.脉冲电磁阀，12.送气管路，13.高压气泵，14.喷嘴，15.岩石。

具体实施方式

实施例1

本实施例提供了一种高压脉冲磨料射流发生装置，高压脉冲磨料射流中的“高压”是指射流能够产生高于35Mpa的压力，如图1所示，包括与混合室1连接的磨料供给机构及供水机构，磨料供给机构能够向混合室1内注入设定压力的磨料，供水机构能够向混合室1内注入设定压力的水，磨料和水在混合室1内混合，形成磨料射流，产生的磨料射流束通过混合室1的出口流出。

所述混合室1具有两个进口和一个出口，其中一个进口与磨料供给机构连接，用于磨料进入混合室1内部，另一个进口与供水机构连接，用于设定压力的水进入混合室1内部，设定压力的磨料和水能够在混合室1内部混合，形成磨料射流束由混合室1的出口流出。

本实施例中，所述磨料供给机构包括第一箱体2，所述第一箱体2用于盛放磨料浆体，所述第一箱体2通过管路与第一泵体的进口连接，第一泵体的出口与磨料罐3的进口通过管路连接，所述磨料罐3的出口通过管路与混合室1的一个进口连接。

所述第一泵体采用能够输出第一设定压力的低压泵4，能够将磨料从第一箱体2中送入磨料罐3内部，并对磨料进行加压，磨料罐3内的磨料能够在压力的作用下通过管路进入混合室1。

所述低压泵4与控制系统连接，能够接收控制系统的指令进行工作。

进一步的，所述低压泵4的出口与磨料罐3的进口之间的管路上安装有第一开关元件5，所述第一开关元件5用于控制低压泵4与磨料罐3之间管路的导通和关闭，本实施例中，所述第一开关元件采用开关阀，所述开关阀与控制系统连接，能够接收控制系统的指令工作，优选的，所述开关阀采用电动球阀或蝶阀等。

进一步的，所述磨料罐3的出口和混合室的进口之间设置有调压元件6，用于调节磨料进入混合室的压力，使其达到要求的设定压力。

所述调压元件6采用现有的电动调压阀，其与控制系统连接，能够接收控制系统的指令进行工作。

进一步的，为了方便磨料罐3内的磨料流入混合室1，磨料罐3的出口处采用倒锥状结构。而且优选的，所述磨料罐3出口的安装高度高于混合室1进口的高度。

所述供水机构包括第二箱体7，所述第二箱体7用于盛放清水，所述第二箱体7通过管路与第二泵体的进口连接，第二泵体的出口通过管路与混合室1的另一个进口连接。

本实施例中，所述第二泵体采用能够输出第二设定压力的高压水泵8，其中第二设定压力大于第一设定压力，所述高压水泵8与控制系统连接，能够接收控制系统的指令工作。

进一步的，所述高压水泵8的出口与混合室1的进口之间设置有第二开关元件9，第二开关元件9用于控制混合室1与高压水泵8之间管路的导通和关闭。

所述第二开关元件9采用开关阀，优选的，所述开关阀采用电动球阀或电动蝶阀等。

所述混合室1的出口通过管路与掺气室10的进口连接，混合室1内产生的磨料射流束能够通过管路进入掺气室10。

进一步的，为了减少磨料射流束传输过程中产生的压力损失，所述混合室1出口处采用锥形结构。

本实施例中，通过开关阀、调压阀能够调节水和磨料的压力，进而调节磨料射流的压力。满足了不同工况下的需求，使得整个装置的适用性更强。

所述掺气室10具有两个进口和一个出口，其中一个进口通过管路与混合室1连接，另一个进口通过脉冲发生元件与气源设备连接，掺气室10的出口通过管路与喷嘴14连接。

本实施例中，所述脉冲发生元件采用脉冲电磁阀11，所述脉冲电磁阀11的进口通过送气管路12与气源设备连接，脉冲电磁阀11的出口通过送气管路12与掺气室10的另一个进口连接。

脉冲电磁阀11通过导线将电磁阀体内线圈输入正向脉冲信号，线圈产生的工作磁通，使动芯吸合，打开阀门。当停止正向脉冲信号输入时，动芯释放，动芯在弹簧力的作用下回复到初始状态，脉冲电磁阀11是利用电器的脉冲转化为机械的脉动，使得脉动气体的强大能量变成动量，在短时间内释放产生巨大冲力，用控制系统控制其脉冲的间隔应根据额定气体压力恢复时间来确定。

所述脉冲电磁阀11与控制系统连接，能够接收控制系统的指令进行工作。

在其他一些实施例中，脉冲发生元件也可采用其他类型的气体脉冲器，本领域技术人员可根据实际需要进行选择。

进一步的，为了防止气体及磨料射流束从掺气室内泄漏，所述送气管路与掺气室10的进口之间设置有密封元件，优选的，所述密封元件采用密封圈。

所述气源设备采用能够输出第三设定压力气体的高压气泵13，高压气泵13的出气口通过送气管路与脉冲电磁阀12的进口连接。

高压气泵13能够输出第三设定压力的气体，产生的气体被脉冲电磁阀11截断，使得脉冲电磁阀输出设定频率和压力的脉冲气体，在脉冲电磁阀11的作用下，脉冲气体进入掺气室形成具有设定气压的气泡，对进入掺气室的磨料射流进行分隔，使得掺气室输出脉冲磨料射流，并由喷嘴喷射出。

本实施例中，所述第一设定压力、第二设定压力和第三设定压力均根据实际需求进行设置，满足工作要求即可，在此不进行详细叙述。

控制系统能够控制脉冲电磁阀11动作，能够进行产气量及气泡间断时间的调整，能够高效、简便地控制脉冲射流的频率和射流束的长度，使得整个装置的适应性强。

本实施例中，所述控制系统的控制器采用PLC控制器或单片机控制器，控制器通过有线或无线的方式与上位计算机连接，工作人员能够通过上位计算机向控制器发送指令，同时为了进一步方便对整个装置进行控制，所述磨料供给机构及供水机构的管路上还安装有压力传感器、流量传感器，用于检测相应管路内介质的压力信息和流量信息，所述压力传感器、流量传感器与控制系统连接，能够将采集的信息传输给控制系统，并在上位计算机上进行显示，方便工作人员查看。

实施例2：

本实施例提供了一种实施例1所述的高压脉冲磨料射流发生装置的工作方法：

低压泵4驱动第一箱体2内的磨料通过磨料罐进入混合室1，高压水泵8驱动第二箱体7内的清水按照设定水压进入混合室1，磨料和水在混合室1内混合形成磨料射流，产生的磨料射流束进入掺气室10，高压气泵13通过脉冲电磁阀11向掺气室10内送入具有设定气压的气泡，送入的气泡将磨料射流束进行分隔，形成脉冲磨料射流，各射流段之间为一高压气泡，产生的脉冲磨料射流经过喷嘴14喷射出，对工件进行加工，本实施例的工件为岩石15或其他种类的工件。

通过控制系统调节脉冲发生器，能够调节气泡的产生频率，进而对相邻气泡之间射流束的长度进行调节。

采用本实施例的发生装置，利用气泡对磨料射流束进行分隔，无需设置截断设备，避免了传统的脉冲磨料水射流发生装置工作时直接将射流束冲击截断设备而造成的能量浪费、设备易磨损老化，使用寿命低的问题。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (9)

1.一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，包括混合室，混合室与磨料供给机构和供水机构连接，混合室的出口与掺气室连接，掺气室与喷嘴连接，掺气室还通过脉冲发生元件与气源设备连接，所述气源设备采用气泵，所述气泵的出气口通过管路与脉冲发生元件的进口连接，气源设备能够通过脉冲发生元件向掺气室内注入气泡以对进入掺气室的磨料射流束进行分隔。

2.如权利要求1所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述脉冲发生元件采用脉冲电磁阀，所述脉冲电磁阀与控制系统连接，由控制系统控制其工作。

3.如权利要求1所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，脉冲发生元件的出口通过管路与掺气室连接，掺气室与管路之间设置有密封元件。

4.如权利要求1所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述磨料供给机构包括用于盛放磨料浆的第一箱体，所述第一箱体通过第一驱动泵与磨料罐的进口连接，磨料罐的出口与混合室的进口连接。

5.如权利要求4所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述第一驱动泵与磨料罐之间的管路上设置有第一开关元件。

6.如权利要求5所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述磨料罐与混合室之间的管路上设置有调压元件。

7.如权利要求1所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述供水机构包括用于盛放水的第二箱体，所述第二箱体通过第二驱动泵与混合室的进口连接。

8.如权利要求7所述的一种高压脉冲磨料射流发生装置，其特征在于，所述第二驱动泵与混合室之间的管路上设置有第二开关元件。

9.一种权利要求1-8任一项所述的高压脉冲磨料射流发生装置的工作方法，其特征在于，磨料供给机构向混合室内送入磨料，供水机构向混合室内送入设定水压的水，混合室内的磨料和水混合后产生磨料水射流，磨料和水的混合物进入掺气室，气源设备通过脉冲发生元件向掺气室内注入具有设定气压的气泡，气泡将进入掺气室的磨料射流束进行分隔，产生的脉冲式磨粒射流束由喷嘴喷射出。

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