磨料水射流切割特性研究及其装置

李家豪

摘 要：本文通过拆解核心零件，逐一论述水射流切割的主要原理和构成，普及水射流切割这一新兴科技。同时综合了水射流装置制造的各项技术难点，总结了最优参数，为装置的后续研发带来帮助。

关键词：冷切割；最优化设计

一、背景

磨料水射流切割以其独有的冷态加工特点成为国际上公认的21世纪优先发展的主流切割技术。它与激光切割、氧气切割、等离子切割包括电弧切割相比较具有不产生热量和有害物质的特点，同时能够切割除了钢化玻璃等几种少数材料以外的绝大部分金属和非金属材料。考虑到在救捞行业，被切割的主要材料是钢板（航母的船体钢材强度通常为450MPa和550MPa，厚度达22-28mm），而且是在水下操作，所以选择磨料水射流切割十分合适。我从范吉瑞学长参与设计的磨料水射流切割装置出发，来对磨料水切割特性以及其装置进行更深入的了解。

二、切割原理

当射流射入密度较射流本身密度小的介质中称为非淹没射流；当射流射入密度较本身密度大或相等的介质中称为淹没射流。依据从易到难，由简单到复杂的原理，先讨论非淹没连续射流，再探究淹没连续射流的切割原理。

下图是用CAD画制的非淹没连续射流的水动力结构图：

0-极点 1-喷嘴 2-等速核 3-混合区 4-边界层

等速核是能量密集区，而混合区则是通过动量交换获得能量的混合介质，这两部分都对靶体材料有切割作用，但是因为等速核的动能更大，因此切割效果最好，所以靶距通常在等速核范围内。

靶体材料之所以会被切割主要就是因为吸收了介质的动能，从而产生冲击作用、剪削作用和空化作用，继而靶体材料产生割缝，达到切割的效果。

假设磨料水射流是不可压缩流体，速度全部反射那么知冲击力，

p为磨料水射流密度，D为喷嘴直径，v为水射流平均速度，q为水射流体积流量；

淹没条件下的水射流相对复杂，淹没射流依其射入边界条件，分为淹没自由射流和淹没非自由射流，其中淹没自由射流的水动力结构图如下所示：

淹没条件下的理论模型相对复杂而且很多参数需要假设，许多学者给出的物理模型不尽相同，其中我认为徐依吉的模型比较有代表性。

其中

其中-射流扩散角，d-喷嘴入口直径，d0-喷嘴出口直径，L-喷嘴长度等速核内速度：

式中v0-喷嘴出口流速，Q-体积流量，A0-喷嘴出口面积

A.Q米洛维奇借助气体射流的实验基本确定了射流基本段上的轴心流速沿着射流长度方向上的变化：

v-射流长度上的轴心速度，β-射流等速核长度系数

对于淹没非自由射流，由于边界上回流的影响，使得射流边界在距离喷嘴较远的地方向中心收缩，在一定的距离上，边界收缩到一点，射流消失，在边界之外，为上返的回流。

射流结构特点及其分布规律决定了射流中心动压力变化的规律。大量实验研究表明，不同结构喷嘴的射流中心动压力是不同的，但基本规律是一致的。

射流的流体具有一定的密度，射流又具有一定的速度，射流前进的方向上遇有障碍物时，射流就给它一个压力，这个压力就是射流的动压力，根据水力学原理可知，射流的速度越高，动压力越大。

在射流的初始段，由于速度不变，中心动压力也是不变的，在基本段内，由于中心的速度随着距离L而变化，使中心的动压力随L的增加而急剧降低。其变化规律可见下式：

Pm=λPo

式中： Pm-射流轴线动压力，Po-喷嘴出口处压力，λ-压力衰减系数。

三、影响水射流速度的因素

下图列举了一些参数，实际上切割过程中各种因素之间的相互作用关系复杂，参变量极多，并且呈现高度非线性关系，难以一一列举并建立一个涵盖所有的精确数学模型。同时，诸如转向速度、切割角度、往复次数等等机械因素也影响着水射流切割的最终效果，所以在讨论影响因素时候只讨论几个重要参数。如，喷嘴直径、靶距、射流压力、磨料浓度、移动速度等。

四、本射流装置的最优参数

1.射流效果最佳靶距：5mm。有实验研究证明了在非淹没的状态下来说，靶距为喷嘴直径的30倍左右为最好，而对淹没状态尤其是深海状态下的最佳靶距仍需要大量实验经验推导。

2.射流效果最佳磨料浓度：20%。磨料浓度过低时则破坏强度不够，切割效果不好；过高时，则因为磨料颗粒之间产生拥挤，能量损失大，所以切割效果也不好。

3.移动速度：20mm/min。移动速度越慢，则切割越充分，在该移动速度下时切割深度最大，为19.46mm。孙德清等人研究了高压水射流移动速度对岩石切割效果的数值模拟，对本装置的改进有指导意义。

4.射流压力：50MPa。压力越大则切割效果越好，但是考虑到装备自身的受压能力，相压不可能无限大。所以选择可承受范围内较大的压强。

5.倾斜角度： 12°。刘会霞等基于理论利用公式推导出了简便的切割模型，分析了磨料水射流的主要参数对切割性能的影响，实验证明了入口压强、磨料流量在一定范围内与切割深度成正比；同时证明喷嘴倾斜切割角度 12°，切割效率可提高 11.37%；

五、水射流磨料混合模式

本装置是前混合式磨料水射流，即磨料箱设置在增压泵和喷嘴之间。但是相较于汤积仁在论文中提到的三根管道并联式的前混合式磨料水射流（如右图），显然我们的磨料水射流装备少了一根并联管道，因此在磨料箱内上部少了一个正压力。然而多了一个泄压阀，据此，我猜测是因为该装置选择的是封闭式磨料箱，由于底部的管道压力作用，箱体内部压力足够大，同时箱体本身材料的受压能力有限，因此不需要再并联一根增压管道，反而选择了泄压阀。

六、射流切割的几个关鍵问题

目前磨料水射流切割技术在应用中还处于探索和提高阶段，存在许多制约其发展的瓶颈问题。磨料水射流技术未来发展中所应解决的关键技术问题有：

1.加工机理。对数控磨料水射流切割技术在不同行业和不同材料中的加工机理问题进行研究，为研制更为通用，更为精密的磨料水射流切割设备提供技术支持。

2. 喷嘴设计。目前，喷嘴的耐磨性还很差，钛钢喷嘴只能使用几十小时左右，有必要对材料的耐磨性进行研究，研制出具有優良性能的耐磨材料，以提高喷嘴寿命。另外，磨料水射流切割性能在很大程度上取决于喷嘴结构参数，而喷嘴的结构形状和尺寸是如何影响射流参数的，目前只能从理论分析、动态仿真和大量的实验中得知，设计出结构合理的喷嘴组件较困难。丁圣银在传统的仿Laval喷嘴形式收缩-扩张的直线喷嘴的设计理念基础上，依据M.K.Jackson和T.W.Davie所提出的多项式曲线方程提出了如上图所示的拥有过渡流道型线的新型喷嘴结构。

另一方面加工喷嘴多采用焊接影响了强度，如果采用3D打印技术，会使得强度增加，但是同时成本也相应增加。

3. 高压水泵。

在深海中因为海水压力，所以相动压会减少，这就对泵产生压力的能力有更高的要求了。国外已研制出以水为介质的、压力为 280MPa、流量为 9L/min的超高压斜盘式轴向柱塞泵，而国内目前水泵的最高压力只有几十兆帕。因此，有必要对摩擦副、密封形式等水泵关键技术进一步研究，提出超高压水泵的设计方案，研制出超高压水泵。

4. 切割条件的数据库。要获得理想的切割效果，必须弄清射流参数和磨料参数对射流结构的控制作用以及射流切割的微观、宏观过程，进而从理论分析和实验中得到数据，建立水射流切割数据库，以便在切割加工时，只需根据深海条件和船体钢材的特性，就可以选择合适的切割参数，达到最佳切割效果。

5. 供砂系统。磨料供给状态、供给量、供给的稳定性及均匀性，直接影响到切割性能和切割质量。在深海切割过程中，软管供沙有在灵活性和稳定性上均有很大的限制，对软管抗压耐腐蚀要求也很高。所以针对软管材料和设计也要进一步探究。

6. 智能数控化。因为该装置主要执行切割功能，所以在精密度上要求不高。目前国内CNC系统控制比较常见，但是在深海显然CNC有其局限性，该装置需要能够在深海状态下自动定位靶距的智能数控化功能已达到更高效切割的目的。因此进一步完善专用的磨料水射流切割数控系统的功能，发展智能化控制，也是不可忽视的一部分。

七、结语

研究高压磨料水射流，尤其是在救捞装备方向研究更加高效轻便低成本的执行结构，对沉船打捞、人员救助等等各个方面都有着积极的作用。能够看到，这项技术目前发展水平还不高，有足够的空间可以提升，并且这是以流体力学为主地交叉学科，与我专业契合度相当高，因此我坚信经过我们一代代救捞人地不断努力，我们一定能够在这个方向上能够做出成绩。

参考文献：

[1]范吉瑞.深海高压磨料连续射流切割特性研究.2013，6.

[2]徐依吉.超高压水射流理论与应用基础研究.2004，6.

[3]H .H阿格罗斯金.水力学上册.石油工业出版社，1964.

[4]汤积仁.基于人工神经网络的磨料水射流切割模型研究.2010，5.

[5]孙德清，汪志明，于军泉等.高压水射流破岩规律的数值模拟研究[J].岩土力学，2005，26（6）：978～982.

[6]丁圣银.高压磨料水射流切割喷嘴流场分析及结构参数优化研究.2006，12，14.

[7] Akkurt A， Kulekci M K， Seker U， et al. Efect of feed rate on surface roughness in abrasive watejet cutting applications[J]. Journal of Materials Processing Technology，2004， （147）： 389～396.

[8] http：//chinaweld.com.cn/onews.asp？id=256.2015，1，1.

[9] 刘会霞， 丁圣银， 王霄等. 水射流切割模型及其性能分析[J]. 农业机械学报， 2006， 37（11）： 122～124.

[10]廖华林，李根生，牛继磊.淹没条件下超高压水射流破岩影响因素与机制分析.岩石力学与工程学报.2008，6.第6期.