黃中華,謝 雅

(1.湖南工程學(xué)院機械工程學(xué)院,湘潭411101;2.中南大學(xué)機電工程學(xué)院,長沙410083;3.湖南工程學(xué)院計算機與通信學(xué)院,湘潭411104)

0 引 言

隨著陸地礦產(chǎn)資源的日趨枯竭,許多國家開始重視深海資源的開發(fā)和利用.深海鈷結(jié)殼是賦存于水深0.8～3 km的海山上的一種多金屬礦物,由于富含Co和Pt等稀貴金屬,被廣泛認(rèn)為是大洋底部最具吸引力的礦產(chǎn)資源之一[1-2].鑒于深海鈷結(jié)殼資源的經(jīng)濟價值和戰(zhàn)略意義,國內(nèi)外許多學(xué)者對深海鈷結(jié)殼資源的開采技術(shù)進(jìn)行了研究.研究的熱點之一是關(guān)于鈷結(jié)殼礦物的切削方法[3～7].文獻(xiàn)[8]認(rèn)為水射流破碎耗能太高,不適合于深海鈷結(jié)殼的切削.文獻(xiàn)[9]認(rèn)為螺旋滾筒式截齒切削是較好的鈷結(jié)殼破碎剝離方法.

就鈷結(jié)殼實際開采而言,既要考慮切削過程的能耗,又要考慮切削的效率,還需要考慮鈷結(jié)殼破碎時產(chǎn)生的振動沖擊對集礦機行走安全性的影響.文獻(xiàn)[10]通過仿真研究發(fā)現(xiàn),采用純刀具切削鈷結(jié)殼時產(chǎn)生的過大沖擊載荷會嚴(yán)重影響集礦機的安全行走.考慮到水射流切削時不會對集礦機產(chǎn)生反作用力,論文作者提出了水射流輔助刀具切削鈷結(jié)殼的方法.該方法通過水射流對鈷結(jié)殼的切削作用,達(dá)到有效減小刀具切削鈷結(jié)殼時產(chǎn)生的沖擊載荷.

為了獲取水射流系統(tǒng)參數(shù)與水射流切削鈷結(jié)殼性能之間的作用規(guī)律,有必要對水射流切削鈷結(jié)殼的過程進(jìn)行深入研究.為此,本文采用理論研究與實驗測試相結(jié)合的方法對水射流切削鈷結(jié)殼的過程進(jìn)行了研究.

1 水射流性能仿真

論文中高壓水射流系統(tǒng)使用的噴嘴為圓錐形收斂噴嘴,其結(jié)構(gòu)如圖1所示,其內(nèi)腔設(shè)計有圓滑的過渡面,擁有很好的流線性能,容易將射流形成包裹體,增加射流內(nèi)聚力,廣泛用于破碎作業(yè).噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有收縮角 2α、入口直徑 di、出口直徑d o、噴管長度l.

圖1 圓錐形收斂噴嘴結(jié)構(gòu)

考慮噴嘴結(jié)構(gòu)和射流條件的對稱性,為了減少計算工作量,加快仿真運算速度,只建立了噴嘴的1/2流體動力學(xué)模型[11～13].圖2是噴嘴的1/2仿真模型,圖中AB為噴嘴的壓力入口,BG為噴嘴的對稱軸,DE、EF和FG為噴嘴的壓力出口,AC和CD為噴嘴的固定邊界.

圖2 噴嘴仿真模型

仿真計算采用成熟的商業(yè)軟件FLUENT.仿真采用的參數(shù)如下:收縮角 2α=26°、入口直徑d i=12 mm,出口直徑do=1 mm、噴嘴長度t=5 mm.噴嘴入口的工作壓力為5～12 MPa,海水的密度取為1005.3 kg/m3,動力粘度取為0.00101 Pa.s.

圖3 是深海環(huán)境下入口壓力為5 MPa的噴嘴射流軸向速度分布仿真結(jié)果(圍壓為8 MPa),從圖中可以看出射流在經(jīng)過噴嘴時速度急劇上升,在噴嘴出口處達(dá)到最大值.射流離開噴嘴后根據(jù)其速度的變化可大致分為兩段,前一段為等速區(qū),在這段距離內(nèi)射流的速度基本保持不變,后一段為衰減區(qū),在這段距離內(nèi)射流的速度快速衰減.由于射流的破碎能力取決于射流的速度,因此等速區(qū)的長度決定了射流的有效作業(yè)距離.從圖3中可以看出,在入口壓力為5 MPa的情況下,噴嘴的有效作業(yè)距離大約為12 mm.

圖3 噴嘴射流軸向速度分布仿真結(jié)果(入口壓力5 MPa)

圖4 是入口壓力為5～12 MPa下噴嘴射流軸向速度分布仿真結(jié)果(均為8 MPa),從圖中可以看出,在不同入口壓力下射流軸向速度的變化趨勢一致,隨著入口壓力的增加,射流的最大速度相應(yīng)增大;不同入口壓力下射流的等速區(qū)長度基本相同.由此可見,增加噴嘴的入口壓力有助于提高射流的切削能力.

圖4 不同入口壓力下噴嘴射流軸向速度分布

圖5 是8～12 MPa圍壓下噴嘴射流軸向速度的仿真結(jié)果(噴嘴入口壓力均為10 MPa),從圖中可以看出,不同圍壓下噴嘴的軸向射流速度變化曲線是相同的,表明只要噴嘴前后的壓差保持不變,射流的速度特性就不會受環(huán)境壓力的影響.

圖5 不同圍壓下噴嘴射流軸向速度分布

2 實驗研究

開展了水射流切削鈷結(jié)殼模擬料性能實驗.由于深海鈷結(jié)殼礦物很難獲取,實驗時采用鈷結(jié)殼模擬料代替深海鈷結(jié)殼.鈷結(jié)殼模擬料采用沙子、石灰和石膏按一定比例制成[14].實驗時,鈷結(jié)殼模擬料的性能參數(shù)如下:鈷結(jié)殼模擬料的厚度為20 mm,抗壓強度在2～4 MPa之間,抗拉強度在0.1～0.2 MPa之間.水射流系統(tǒng)的切削能力通過測量水射流在鈷結(jié)殼中破碎孔的深度來衡量.

由水射流系統(tǒng)的性能仿真研究可知,影響水射流系統(tǒng)切削能力的參數(shù)主要有水射流系統(tǒng)的壓力和水射流作業(yè)時的噴距.

開展了水射流壓力與水射流破碎能力作用規(guī)律的實驗研究.實驗條件為:射流壓力分別為3 MPa、5 MPa、7 MPa、9 MPa、11 MPa 和 15 MPa.每個壓力等級下對5組鈷結(jié)殼模擬料進(jìn)行了水射流切削實驗.表1是水切削鈷結(jié)殼實驗的測量結(jié)果.從表中的實驗數(shù)據(jù)可以看出,當(dāng)射流壓力在3 MPa時,射流不能對鈷結(jié)殼模擬料產(chǎn)生切削作用,隨著射流壓力的增大,射流的切削能力快速增加.

表1 不同射流壓力下鈷結(jié)殼中破碎孔深度實驗結(jié)果

圖6 是水射流壓力與鈷結(jié)殼破碎孔深度的實驗曲線,從圖中可以看出,當(dāng)水射流壓力小于5 MPa時,水射流不能破碎鈷結(jié)殼,當(dāng)水射流壓力大于5 MPa時,鈷結(jié)殼開始產(chǎn)生裂紋.這表明水射流破碎鈷結(jié)殼時存在一個臨界破碎壓力.隨著水射流壓力的增大,鈷結(jié)殼的破碎深度急劇增加.這表明水射流的工作壓力越大,水射流的破碎性能越好.

圖6 水射流壓力與破碎孔深度實驗曲線

當(dāng)水射流壓力大于11 MPa后,鈷結(jié)殼模擬料已被射流完全擊穿,形成通孔,如圖7所示.

圖7 被水射流擊穿的鈷結(jié)殼模擬料

由此可見,提高水射流的工作壓力可以顯著提高水射流的切削能力.由于鈷結(jié)殼的厚度一般在2～4 cm之間,鈷結(jié)殼的下面是強度和硬度更高的基巖,對于鈷結(jié)殼的實際開采而言,存在一個合適的水射流工作壓力,既可以有效破碎鈷結(jié)殼,又可以減少水射流系統(tǒng)所需的能量.

開展了水射流切削能力與噴距作用規(guī)律的實驗研究.實驗條件為:射流壓力為11 MPa,噴距分別為5 mm、10 mm、15 mm 和20 mm,每種噴距下對5組鈷結(jié)殼模擬料進(jìn)行了射流破碎實驗.表2是破碎實驗測量結(jié)果.從表2中可以看出,當(dāng)噴距在5 mm時,水射流能夠擊穿鈷結(jié)殼模擬料,當(dāng)噴距為10 mm時,水射流只能在鈷結(jié)殼模擬料的表面打出淺孔,隨著噴距的增加,水射流的切削能力急劇下降,當(dāng)噴距為20 mm時,水射流對鈷結(jié)殼模擬料已經(jīng)沒有切削能力了.由此可見,控制好水射流的噴距對提高水射流的破碎能力具有重要的意義.

表2 不同噴距下鈷結(jié)殼中破碎孔深度實驗結(jié)果

3 結(jié) 論

對水射流系統(tǒng)參數(shù)與水射流切削性能的作用規(guī)律開展了仿真研究和實驗研究.

仿真結(jié)果表明:水射流的有效作業(yè)距離為水射流的等速區(qū)長度;水射流的工作壓力越高,其切削性能越好;噴嘴的軸向射流速度變化與圍壓無關(guān).

實驗結(jié)果表明:水射流切削鈷結(jié)殼模擬料時的門檻壓力為5 MPa時;隨著水射流壓力的增大,水射流的切削能力快速增加;當(dāng)噴距小于5 mm時,水射流能夠擊穿鈷結(jié)殼模擬料,隨著噴距的增加,水射流的切削能力急劇下降.

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