【摘要】：超高壓磨料射流能夠滿足高強度高硬度新型材料的切割市場需求,使得企業(yè)紛紛在該領(lǐng)域投入大量資金進行研究和開發(fā)。目前,歐美國家的磨料射流切割裝備及備件占據(jù)全球85%以上市場份額。相對于國外,國內(nèi)磨料射流設(shè)備的關(guān)鍵部件如增壓器、切割頭噴嘴等還主要依賴進口,在理論研究方面也相對滯后。因此,本文從工程實際出發(fā),進一步研究超高壓磨料射流切割系統(tǒng)涉及的壓力脈動、超高壓密封及切割頭混合腔結(jié)構(gòu)等關(guān)鍵技術(shù)和理論問題。主要研究工作如下:分析超高壓系統(tǒng)壓力流量脈動特性,建立多種穩(wěn)壓穩(wěn)流量融合的時序控制技術(shù)。根據(jù)超高壓增壓系統(tǒng)工作原理,建立雙組增壓缸系統(tǒng)數(shù)學(xué)方程,并采用仿真技術(shù)分析評估柱塞運動相位差、蓄能器容積大小及雙泵組時序控制對系統(tǒng)壓力流量的影響,以確定時序控制對流量壓力參數(shù)的影響規(guī)律,實現(xiàn)雙組增壓缸超高系統(tǒng)單雙切割頭射流流量壓力的精確控制。利用間隙密封原理,設(shè)計一種圓筒形柱塞結(jié)構(gòu)的超高壓自補償變間隙密封。為規(guī)避接觸式密封件超高壓下摩擦力大、壽命低等缺陷,并解決恒間隙密封泄漏量隨工作壓力升高而增大問題,將高壓柱塞端部設(shè)計為圓筒形結(jié)構(gòu)。通過分析圓筒形柱塞變形理論,解析計算柱塞高壓端腔體受內(nèi)外壓力差作用產(chǎn)生的徑向彈性變形量,并迭代計算不同工作壓力、不同初始間隙下的間隙壓力分布、間隙量分布及泄漏量,在彈性變形范圍內(nèi)自動調(diào)節(jié)柱塞與襯套間的節(jié)流間隙,解決增壓缸高壓柱塞往復(fù)動密封技術(shù)難題。采用靜壓支承技術(shù)對圓筒形柱塞進行導(dǎo)向支承,確保超高壓變形柱塞與缸筒襯套在往復(fù)運動過程中同心對中。柱塞兩端導(dǎo)向套內(nèi)分別開設(shè)靜壓油腔,通過外部輸入的壓力油為柱塞提供支承力。當(dāng)柱塞承受傾覆力矩載荷時,在保持油腔支承間隙不變的條件下,分析圓柱形滑閥反饋節(jié)流器的靜壓支承靜動態(tài)特性,并設(shè)計一種圓臺形滑閥反饋節(jié)流器,使其進油變量指數(shù)等于支承油腔排油變量指數(shù),進一步提高靜壓支承系統(tǒng)抵抗偏載荷的響應(yīng)能力。研究高速射流下的磨料混合機理,并分析不同混合腔結(jié)構(gòu)對磨料射流參數(shù)的影響。通過數(shù)值仿真計算磨料水射流噴嘴內(nèi)各節(jié)點的速度等參數(shù)分布,分析單向進砂、周向進砂磨粒顆粒的混合及加速特性,并比較切割頭混合腔不同進砂方式的能量利用率情況。通過實驗方法分析超高壓射流增壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定性,并比較不同進砂方式對磨料噴嘴的磨蝕。通過設(shè)置不同的射流水壓、切割頭移動速度、磨粒流量、工件厚度及工件強度等參數(shù)進行系列切割實驗,探討建立雙向進砂磨料射流切割深度預(yù)測模型。
【學(xué)位授予單位】：武漢科技大學(xué)
【學(xué)位級別】：博士
【學(xué)位授予年份】：2018
【分類號】：TG48
【圖文】：

傳統(tǒng)的機械加工方法難以滿足其切削加工需求，這就使得新型切削加工技術(shù)壓磨料射流切割技術(shù)應(yīng)時而生[1][2]。超高水射流是使用增壓設(shè)備產(chǎn)生 100～400MPa 超高壓水，經(jīng)過一定形狀形成能量集中的高速水射流束。如若在水中混合高硬度的固體磨料顆粒如石石榴石、陶粒等，形成可用于切割各類材料的高速磨料射流[3]，稱為超高磨料術(shù)。超高磨料射流切割具有無熱變形、加工精度高、可切割各類硬脆材料等特根據(jù)磨料顆粒的引入方式，磨料射流一般分為前混合磨料射流和后混合流兩大類。前混合式磨料射流是指磨料顆粒與高壓水在磨料罐內(nèi)和管道中先合，再送至噴嘴進一步混合和加速，如圖 1.1 所示。此種方式能夠使高壓水與勻混合，但對管路和噴嘴磨損大，噴嘴壽命短，且系統(tǒng)工作壓力受限。后混料射流是增壓后的純水經(jīng)過水噴嘴形成高速射流，再與輸送至混合腔內(nèi)的固進行混合，并將能量傳遞給固體顆粒形成磨料射流束，如圖 1.2 所示。該方式磨料流量，且可實現(xiàn)超高壓力射流，但磨粒以較低初始速度進入混合腔，不速水充分混合。本文將超高壓后混合磨料射流系統(tǒng)簡稱為超高壓磨料射流切割

傳統(tǒng)的機械加工方法難以滿足其切削加工需求，這就使得新型切削加工技術(shù)壓磨料射流切割技術(shù)應(yīng)時而生[1][2]。超高水射流是使用增壓設(shè)備產(chǎn)生 100～400MPa 超高壓水，經(jīng)過一定形狀形成能量集中的高速水射流束。如若在水中混合高硬度的固體磨料顆粒如石石榴石、陶粒等，形成可用于切割各類材料的高速磨料射流[3]，稱為超高磨料術(shù)。超高磨料射流切割具有無熱變形、加工精度高、可切割各類硬脆材料等特根據(jù)磨料顆粒的引入方式，磨料射流一般分為前混合磨料射流和后混合流兩大類。前混合式磨料射流是指磨料顆粒與高壓水在磨料罐內(nèi)和管道中先合，再送至噴嘴進一步混合和加速，如圖 1.1 所示。此種方式能夠使高壓水與勻混合，但對管路和噴嘴磨損大，噴嘴壽命短，且系統(tǒng)工作壓力受限。后混料射流是增壓后的純水經(jīng)過水噴嘴形成高速射流，再與輸送至混合腔內(nèi)的固進行混合，并將能量傳遞給固體顆粒形成磨料射流束，如圖 1.2 所示。該方式磨料流量，且可實現(xiàn)超高壓力射流，但磨粒以較低初始速度進入混合腔，不速水充分混合。本文將超高壓后混合磨料射流系統(tǒng)簡稱為超高壓磨料射流切割

級以上增壓技術(shù)產(chǎn)品；JetEdge在2014 年推出柴油驅(qū)動的 5.1L/min 水射流超高壓泵，用于移動水射流切割應(yīng)用。國內(nèi)山東大學(xué)、中國礦業(yè)大學(xué)、中山大學(xué)、南京理工大學(xué)、長沙礦山研究院等多所高校及研究機構(gòu)一直致力于高壓水射流技術(shù)的研究。宋清俊、雷玉勇建立了基于液壓增壓缸原理的增壓系統(tǒng)數(shù)學(xué)模型，并應(yīng)用動態(tài)仿真工具軟件包 Simulink 仿真研究增壓系統(tǒng)壓力脈動[31]。侯健、王海波、薛勝雄等對系統(tǒng)壓力穩(wěn)定的主要因素如穩(wěn)壓器容積的大小、方向閥轉(zhuǎn)換時間、噴嘴直徑等進行了分析[32-34]，認(rèn)為超高壓增壓器壓力脈動主要由兩因素引起，一是當(dāng)液壓油自液壓活塞的一側(cè)換向到另一側(cè)時，高壓柱塞運行換向引起輸出為零的死點現(xiàn)象；二是初始增壓時間導(dǎo)致系統(tǒng)排出壓力延遲。柱塞運動的死點效應(yīng)不能避免，可以通過非常靈敏的止回閥和油換向閥進行限制，油換向閥的極度靈敏可以使進入增壓器的油液保持連續(xù)。系統(tǒng)的初始增壓時間只能通過柱塞高速運動盡快達(dá)到設(shè)定壓力，縮短系統(tǒng)增壓時間。在國內(nèi)科研機構(gòu)的推動下，中國出現(xiàn)上海金箭和南京大地等射流切割設(shè)備供應(yīng)商。

【參考文獻】

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本文編號：2745827