孫永猛 馮芳

【摘 要】首先分析了水射流粉碎的特點(diǎn)及其關(guān)鍵技術(shù)。闡述了水射流粉碎技術(shù)的研究現(xiàn)狀及應(yīng)用領(lǐng)域，工業(yè)機(jī)器人技術(shù)近些年發(fā)展迅速并廣泛應(yīng)用于各個(gè)領(lǐng)域，隨著水射流技術(shù)和機(jī)器人技術(shù)的不斷發(fā)展，水射流粉碎、解離技術(shù)必將有更廣闊的應(yīng)用前景。

【關(guān)鍵詞】水射流粉碎;水射流技術(shù);機(jī)器人;解離

1.引言

水射流粉碎礦物材料是礦物粉碎工藝中的新技術(shù)，這種技術(shù)是通過(guò)水射流的高速?zèng)_擊，在礦物材料內(nèi)部的解理面處產(chǎn)生一定的應(yīng)力，促使礦物材料沿解理面發(fā)生分離，從而達(dá)到粉碎、解離的效果。水射流粉碎技術(shù)提高了礦物材料的粉碎效率，具有保持礦物材料原始結(jié)晶形態(tài)和表面光澤度、解離性與分離特性好等優(yōu)勢(shì) [1，2]。

該技術(shù)最突出優(yōu)點(diǎn)是粉碎能耗低，水射流粉碎技術(shù)的顆粒破碎機(jī)理不同于傳統(tǒng)機(jī)械粉碎工藝。在水射流粉碎礦物顆粒的過(guò)程中，高壓水通過(guò)表面裂紋滲進(jìn)顆粒內(nèi)部的裂紋頂端，高壓水的存在減小了裂紋擴(kuò)展所需要的力，提高了顆粒的破碎效率。礦物顆在粒宏觀上的破碎實(shí)際是顆粒內(nèi)部微裂紋的生成、發(fā)育、擴(kuò)展的最終結(jié)果。顆粒受其內(nèi)部高壓水穿滲過(guò)程中產(chǎn)生的張應(yīng)力和沖擊力共同作用導(dǎo)致顆粒破碎，其粉碎能耗要遠(yuǎn)低于傳統(tǒng)的研磨工藝。

高壓水射流粉碎的另一個(gè)優(yōu)點(diǎn)是：水射流粉碎技術(shù)具有良好的選擇解離破碎性，即可使礦物材料中的不同礦物組份在原有顆粒的基礎(chǔ)上有效解離。高壓水射流沿顆粒的裂隙和不同礦物組份界面的穿滲效應(yīng)，使得水射流粉碎過(guò)程變成了一種高效的礦物分選過(guò)程。

最近幾十年，水射流技術(shù)和設(shè)備得到迅速發(fā)展，數(shù)控超高壓水射流切割、清洗、破碎及解離技術(shù)正在向超高壓、智能化、高精度方向發(fā)展。高壓水射流粉碎機(jī)器人是專門為有效的粉碎礦物材料而開(kāi)發(fā)的，通過(guò)更換不同的程序，即可進(jìn)行不同礦物材料的粉碎解離工作。又可以滿足對(duì)不同礦物材料的加工需要，最終實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化、智能化、標(biāo)準(zhǔn)化的工作模式。

2.國(guó)內(nèi)水射流粉碎技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

高壓水射流粉碎技術(shù)問(wèn)世于上個(gè)世紀(jì)80年代中期，當(dāng)時(shí)美國(guó)密蘇里—羅拉大學(xué)巖體力學(xué)及爆破技術(shù)研究中心的薩姆等利用水射流粉碎技術(shù)對(duì)一些產(chǎn)品進(jìn)行了粉碎試驗(yàn)，試驗(yàn)表明，與普通磨碎方法進(jìn)行比較，高壓水射流對(duì)木材纖維的粉碎作用具有明顯的優(yōu)勢(shì)[3]。

2007年，徐振亮[4]在前混合水射流超細(xì)粉碎煤粒機(jī)理與實(shí)驗(yàn)研究中得出了利用水射流對(duì)煤進(jìn)行粉碎與普通粉碎相比具有安全、能耗低、對(duì)煤表面晶體形狀破壞小的結(jié)論，在對(duì)煤進(jìn)行超細(xì)粉碎領(lǐng)域提供了一條新的途徑。

2010年，王瑞紅等[5]對(duì)前混合水射流超細(xì)粉碎煤粒自動(dòng)控制系統(tǒng)進(jìn)行了研究，通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)超細(xì)粉碎煤粒過(guò)程的計(jì)算機(jī)控制以及對(duì)漿料密度、壓力等參數(shù)的動(dòng)態(tài)監(jiān)測(cè)，控制精度高，能夠滿足工業(yè)生產(chǎn)的要求。

同年，牛助農(nóng)[6]對(duì)高壓水射流粉碎固體物料進(jìn)行了數(shù)值模擬和試驗(yàn)研究，研究表明，與傳統(tǒng)的粉碎相比，高壓水射流粉碎不僅可以滿足礦物具有原始結(jié)晶形態(tài)和光澤的表面形態(tài)，而且還可以得到質(zhì)量和純度都比較高的物料產(chǎn)品。

2013年，穆朝民[7]對(duì)高壓水射流沖擊下煤體破碎程度的確定做了相應(yīng)的研究，經(jīng)過(guò)數(shù)值模擬和模型試驗(yàn)得出了高壓水射流沖擊下煤體破碎的強(qiáng)度計(jì)算公式。

2016年，宮偉力等[8]采用高壓水射流粉碎工藝和傳統(tǒng)球磨機(jī)粉碎工藝對(duì)煤樣進(jìn)行粉碎，通過(guò)控制磨煤時(shí)間，在保證2種工藝制備的煤樣粒度基本相同的基礎(chǔ)上，對(duì)獲得的超細(xì)煤粉所需能耗進(jìn)行了分析。結(jié)果表明，高壓水射流粉碎技術(shù)不但達(dá)到了制備超細(xì)煤粉的粒度要求，而且其能耗僅為傳統(tǒng)球磨粉碎能耗的1/10～1/6;獲得的超細(xì)煤粉顆粒表面光潔、無(wú)雜質(zhì)粘附，顆粒之間無(wú)聯(lián)接，有利于分選，具有較高的成漿率和堆積效率。

3.國(guó)外水射流粉碎技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

2004年，H.Z. Kuyumcu[9]在高壓水射流粉碎的研究中提出了高壓水射流粉碎技術(shù)具有固體和液體相互作用的特點(diǎn)，具有能量可以破壞固體的形態(tài)，可以應(yīng)用于很多領(lǐng)域，特別是在環(huán)保和物料的再利用方面得到充分的利用。

2006年，Georgy Sankin[10]對(duì)高壓水射流粉碎作業(yè)工藝參數(shù)對(duì)粉碎效果的影響進(jìn)行了研究，分別對(duì)九個(gè)工藝參數(shù)：泵壓力、高壓管的長(zhǎng)度和直徑、煤顆粒的質(zhì)量流率、原料粒徑、靶距、加載時(shí)間、目標(biāo)的硬度和沖擊角做了相應(yīng)的分析研究，得到了九個(gè)參數(shù)的最優(yōu)組合。

2010年，Przemysaw Borkowski[11]在利用高壓水射流對(duì)煤進(jìn)行粉碎的研究中，采用水力噴射裝置對(duì)原煤進(jìn)行粉碎，并進(jìn)行了相應(yīng)的試驗(yàn)研究，得到了粉碎效果更好、細(xì)度更高的煤粒。綜上所述，現(xiàn)有研究成果采用的水射流粉碎技術(shù)可以對(duì)云母、永磁鐵氧體和煤等一些礦物材料進(jìn)行高效粉碎。

4.機(jī)器人技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀

機(jī)器人是科技不斷發(fā)展和人類文明不斷發(fā)展的產(chǎn)物，機(jī)器人的設(shè)計(jì)以及研發(fā)實(shí)際上是時(shí)代發(fā)展的必然產(chǎn)物，也能夠從很大程度上證明機(jī)器人的創(chuàng)造是能夠滿足人們生產(chǎn)以及生活利益的。因此，機(jī)器人的創(chuàng)造以及研發(fā)是一項(xiàng)必要的科學(xué)研究項(xiàng)目。

現(xiàn)如今國(guó)外有很多機(jī)器人設(shè)備創(chuàng)造成功的實(shí)例，在創(chuàng)造過(guò)程中他們所使用的先進(jìn)的設(shè)計(jì)技術(shù)是我國(guó)無(wú)法比擬的，但是隨著我國(guó)科技的不斷發(fā)展與進(jìn)步，現(xiàn)如今有很多的高端設(shè)計(jì)研究方式正在投入應(yīng)用，對(duì)機(jī)器人的新的認(rèn)識(shí)也為今后機(jī)器人的設(shè)計(jì)提供很優(yōu)越的條件。機(jī)器人正在朝著高度的人性化方向發(fā)展，通過(guò)機(jī)器人內(nèi)部裝備設(shè)計(jì)的不斷更新而讓機(jī)器人擁有一定的思維，從而能夠自動(dòng)的操作，進(jìn)行工作。那么目前對(duì)機(jī)器人的發(fā)展將會(huì)有更高的要求，要求機(jī)器人不再是簡(jiǎn)單地由機(jī)械設(shè)備組成，而是模仿人類思維與模樣接近的具有人類相同思維的產(chǎn)物。

5.基本原理及系統(tǒng)組成

高壓水射流粉碎機(jī)器人系統(tǒng)，如流程圖1所示，它是將機(jī)器人控制系統(tǒng)加入整個(gè)水射流粉碎工藝中，按照一定的要求，控制整個(gè)粉碎流程，首先控制增壓系統(tǒng)，將水增壓到一定壓力使之產(chǎn)生高壓射流，然后將高壓水通入供料裝置，控制系統(tǒng)控制物料的混合比，最后通過(guò)噴嘴將壓力能轉(zhuǎn)變?yōu)楦叨染奂乃淞髂埽眠@種水射流對(duì)礦物進(jìn)行破碎、解離，破碎完成的礦物進(jìn)入收集裝置內(nèi)。

整個(gè)粉碎、解離工作過(guò)程，選用如圖2所示圓錐收斂型噴嘴，高壓水及礦物充分混合后通過(guò)入口直徑為7mm，圓錐收斂段長(zhǎng)度為9.3mm，圓錐收縮角為30°，圓柱段長(zhǎng)度為10mm，圓柱段直徑為2mm，圓錐擴(kuò)散段長(zhǎng)度為10mm，圓錐擴(kuò)散角為60°的剪切性噴嘴。當(dāng)混合流從噴嘴噴出時(shí)，完成礦物材料的粉碎解離。

在這個(gè)過(guò)程中，常采用前混合的方式將礦物材料和水進(jìn)行混合，前混合就是在水射流形成之前，使水、礦物材料均勻混合，之后在高壓下，水和礦物材料從噴嘴高速噴出，礦物材料和水具有相同的壓力及速度。礦物材料通過(guò)壓力釋放作用、微射流沖擊作用、水楔拉伸作用和摩擦作用最終實(shí)現(xiàn)礦物材料的破碎、解離。

6.結(jié)論

高壓水射流粉碎技術(shù)目前正沿著高效、多功能、智能化、精細(xì)化的方向不斷發(fā)展，與此同時(shí)機(jī)器人技術(shù)發(fā)展也比較迅速，高壓水射流粉碎機(jī)器人系統(tǒng)是水射流粉碎技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)的完美結(jié)合。其發(fā)展空間是巨大的，伴隨著高壓水射流粉碎機(jī)器人的智能化、模塊化和標(biāo)準(zhǔn)化程度的提高。高壓水射流粉碎機(jī)器人可以在提高整個(gè)粉碎系統(tǒng)的可靠性、功率及智能化水平方面發(fā)揮其重要作用。相信今后在高壓水射流粉碎技術(shù)的研究與應(yīng)用領(lǐng)域會(huì)有更多新的突破。

參考文獻(xiàn)：

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[10]Georgy Sankin. Evaluation of the microwave absorption property of flake graphite[J]. Materials Chemistry and Physics，2006，11（5）：696-698.

[11]Przemysaw Borkowski，Jozef Borkowski，Micha Bielecki. Coal disintegration using high pressure water jet[J]. Technical Gazette，2010，19（2）：367-372.

項(xiàng)目名稱：面向服務(wù)機(jī)器人的人機(jī)交互系統(tǒng)研究與應(yīng)用，項(xiàng)目號(hào)：2019JZZY010128

（作者單位：1.濰坊理工學(xué)院新松機(jī)器人學(xué)院;2.濰坊理工學(xué)院數(shù)理學(xué)部）