高围压下前混合磨料射流的切割机理及实验研究

摘要

高压水射流作为目前唯一的一种冷切割加工方式在各行各业得到了日益广泛的应用，前混合磨料射流可以切割材质的种类相当多。随着海洋开发力度的加大，水下切割作为一门新型水下成形加工技术开始得到研究和发展。然而，前混合磨料射流在高围压下的实验和理论研究甚少，针对这一情况，进行了该项研究。 本文主要围绕如何优化高围压下前混合磨料射流各切割参数，从而提高前混合磨料射流在高围压下的切割性能和工作效率，研究的内容包括：高围压下前混合磨料射流的穿透特性、切割及冲蚀机理研究，高围压模拟实验装置设计和高围压下前混合磨料射流的切割实验研究。 通过理论分析和实验研究，得出的主要结论如下： ①在围压下，随着围压的增加，环境介质密度ρenv随之增加，空化效果减弱；随着ρenv的增加，衰减系数ξ增加，环境介质对射流的阻力增强，导致射流轴线速度呈指数衰减，降低了围压下射流轴心动压，减小了射流核长度，降低了射流的切割和冲蚀性能。 ②前混合磨料射流在围压3.3MPa、5.3MPa和8.6MPa下的有效靶距喷嘴直径比Sv/d为8.3、5和3.3。随着围压Pw的增加，有效靶距与喷嘴直径比Sv/d呈指数衰减。 ③前混合磨料射流在高围压下切割时，对于切割一定的深度，开始的几次(4～8次)切割起主要作用，这与在空气中切割的情况类似。 ④在高围压下前混合磨料射流的切割深度随喷嘴横移速度的增加呈幂指数衰减，最佳横移速度为4～6mm/s。 ⑤随着围压的增加，切割深度衰减较快，切割性能有非线性减小的趋势，对于不同靶距其衰减规律类似。 本文在研究高围压下(围压达10MPa)前混合磨料射流的切割性能方面有所创新，丰富了前混合磨料射流的切割冲蚀机理，对拓宽水射流的应用领域具有重要意义，同时为前混合磨料射流在水下营救和打捞作业、水下修理、水下岩石取样、石油钻井、海上平台的拆卸、航船的水下作业和海洋工程等方面的深入应用奠定一定的理论和实验基础。

目录

文摘

英文文摘

1绪论

1.1高压水射流概况

1.2高围压下前混合磨料水射流的研究进展和现状

1.2.1前混合磨料水射流简介

1.2.2前混合磨料射流的主要应用领域

1.2.3高围压下前混合磨料射流的研究进展和现状

1.3该研究的目的和意义

1.4主要研究内容和研究方法

2高围压下前混合磨料射流的切割及冲蚀机理

2.1淹没状态下射流的一般特性

2.1.1射流边界扩展的直线性

2.1.2射流混合区速度分布的相似性

2.1.3射流的动量守恒

2.2磨料射流的切割机理

2.3围压下射流速度衰减的简化模型

2.4围压下磨料的供给

2.5围压下射流动压力的分布规律

2.6小围压下磨料射流的冲蚀机理

2.6.1靶距对冲蚀性能的影响

2.6.2围压对冲蚀性能的影响

2.6.3冲蚀时间对冲蚀性能的影响

2.6.4射流压力对冲蚀性能的影响

2.7围压下磨料射流的切割性能

2.8本章小结

3高围压模拟实验装置的设计

3.1高围压膜拟环境的实现

3.2实验装置系统的设计

3.2.1主体装置的设计

3.2.2液压系统设计

3.2.3电路控制系统设计

3.3前混合磨料装置系统

3.4整套实验装置的调试

3.5实验装置的调试

3.5.1主体装置的调试

3.5.2电路控制系统调试

3.5.3液压系统调试

3.6实验装置的主要功能

4高围压下前混合磨料射流切割性能的实验研究

4.1实验内容及实验方法

4.2高围压下各切割参数对切割性能的影响

4.2.1高围压下靶距对切割性能的影响

4.2.2高围压下重复切割次数对切割性能的影响

4.2.3高围压下切割速度对切割性能的影响

4.3围压对前混合磨料射流切割性能的影响

5结论及建议

5.1结论

5.2建议

致谢

参考文献

附：1.作者在攻读硕士学位期间发表的论文目录

附：2.作者在攻读硕士学位期间参加的科研项目情况