姚遠(yuǎn)航,袁瑞甫,秦博，張志剛

(河南理工大學(xué) 能源科學(xué)與工程學(xué)院,河南 焦作 454000)

0 引 言

高壓水射流以水為介質(zhì)，利用液體增壓原理經(jīng)增壓設(shè)備或特定噴嘴將機(jī)械能轉(zhuǎn)換為壓力能，并經(jīng)噴嘴噴出形成具有較高能量的射流。在清洗、冷卻、拋光等多個(gè)領(lǐng)域，高壓水射流都具有極大的優(yōu)勢[1-3]。早在19世紀(jì)50年代中期，相關(guān)研究人員就利用水射流技術(shù)對(duì)非固體礦床進(jìn)行了開采試驗(yàn)[4]。20世紀(jì)60年代，高壓柱塞泵的出現(xiàn)和增壓設(shè)備的發(fā)明極大地推動(dòng)了水射流技術(shù)發(fā)展[5-7]。20世紀(jì)80年代，磨料射流、氣水射流、空化射流等的發(fā)展，將水射流技術(shù)推向了新的發(fā)展階段，在船舶重工、電力行業(yè)、化工機(jī)械、礦業(yè)能源領(lǐng)域廣泛應(yīng)用[8]。李波等[9]認(rèn)為高壓水射流的應(yīng)用為水力沖孔研究奠定了堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)；武美萍等[10]提出了水射流支撐細(xì)長軸加工的方法，可以很好地減小細(xì)長軸加工誤差。根據(jù)射流介質(zhì)不同，水射流技術(shù)可分為純水水射流和磨料水射流。純水水射流以水為介質(zhì)[11]；磨料水射流以高壓水為介質(zhì)，通過磨料發(fā)生裝置使磨料獲得能量，磨料與水的混合漿液從噴嘴噴射出來，形成能量高度集中的一股射流。磨料粒子本身具有一定的質(zhì)量和硬度，因此磨料水射流具有良好的磨削、穿透、沖蝕能力[12]。20世紀(jì)90年代開始，磨料水射流憑借其切割質(zhì)量好、冷切割的優(yōu)勢，與電火花切割、激光切割等切割技術(shù)形成互補(bǔ)[13]。磨料水射流中，根據(jù)磨料顆粒的加入方式分為后混合磨料射流和前混合磨料射流。后混合磨料射流是在射流形成之后加入磨料顆粒，主要依靠噴嘴處添加的混合腔，通過高壓水射流形成的負(fù)壓吸附能力抽吸磨料。在射流壓力相同情況下，前混合磨料射流比后混合磨料射流加工能力更高，切削速度更快，切削深度更深[14-16]。盧義玉等[17]研究了磨料水射流鉆進(jìn)破巖，對(duì)關(guān)鍵水力學(xué)參數(shù)、力學(xué)模型、設(shè)備參數(shù)等進(jìn)行了詳細(xì)研究，為磨料水射流鉆進(jìn)提供了理論基礎(chǔ)；李思等[18]通過研究高壓磨料水射流對(duì)低碳合金鋼切割，分析了水射流切割特性對(duì)切割效果的影響；周大鵬等[19-20]通過對(duì)前混合和后混合磨料射流能量傳遞和切割過程的分析，得到了兩者切割深度的對(duì)比方程關(guān)系并進(jìn)行了試驗(yàn)驗(yàn)證，認(rèn)為相同輸入能量條件下，兩者切割深度(對(duì)象為鋁板和不銹鋼板)的比例關(guān)系相差10倍以上，這個(gè)結(jié)論進(jìn)一步驗(yàn)證了前混合磨料水射流具有高效的切割能力。上述研究表明，前混合磨料水射流切割能力更強(qiáng)，但不同壓力、不同的磨料比例以及噴頭與切割目標(biāo)的距離對(duì)切割能力的影響需要更深入研究。因此，本文擬開展前混合高壓磨料水射流和高壓水射流對(duì)不同硬度混凝土塊在移動(dòng)切割和固定切割方式下的破壞試驗(yàn)研究，以期對(duì)提高切割效率、降低切割成本及后續(xù)研究提供參考。

1 試驗(yàn)

1.1 混凝土試塊制備

選用強(qiáng)度標(biāo)號(hào)為M7.5，M10，M15，M20，M30的正方體混凝土試塊，尺寸為100 mm×100 mm×100 mm，如圖1所示。為保證試塊強(qiáng)度均勻，試驗(yàn)中所需材料采購自同一廠家同一批次，每個(gè)標(biāo)號(hào)試塊全部一次配比制作完成。不同強(qiáng)度的混凝土試塊分別制作10塊，共50塊。

圖1 混凝土塊Fig.1 Concrete blocks

1.2 試驗(yàn)設(shè)備及磨料

選用高壓泵、QB-500L氣動(dòng)攪拌桶、自制切割實(shí)驗(yàn)臺(tái)，噴頭固定，混凝土試塊沿導(dǎo)軌水平移動(dòng)，移動(dòng)速度25 mm/s，高壓管路選擇φ24 mm的高壓耐磨膠管，選用1.5 mm內(nèi)徑鎢鋼噴頭，磨料選擇普通河砂和棕剛玉，兩種磨料粒徑均為60目，見圖2。

圖2 試驗(yàn)裝備及磨料Fig.2 Experimental equipment and abrasives

1.3 試驗(yàn)流程

步驟1 將純水倒入攪拌桶中。

步驟2 啟動(dòng)高壓泵，將水壓分別調(diào)至10，20，30 MPa，對(duì)混凝土試塊進(jìn)行移動(dòng)切割。

步驟3 按照水砂比4∶1(質(zhì)量比)配比水和河砂，將水砂混合漿液倒入攪拌桶中，啟動(dòng)攪拌桶進(jìn)行攪拌，使混合漿液攪拌均勻，再按照步驟2進(jìn)行混凝土試塊移動(dòng)切割。

步驟4 按照水砂比8∶1(質(zhì)量比)配比水和河砂，將水砂混合漿液倒入攪拌桶中，啟動(dòng)攪拌桶進(jìn)行攪拌，使混合漿液攪拌均勻，再按照步驟2進(jìn)行混凝土試塊移動(dòng)切割。

步驟5 將上述河砂換成棕剛玉，再進(jìn)行步驟3～4。

步驟6 將混凝土試塊移動(dòng)切割改為固定切割，重復(fù)步驟1～5。

2 結(jié)果與分析

2.1 移動(dòng)切割數(shù)據(jù)分析

將制備好的混凝土試塊放在實(shí)驗(yàn)臺(tái)上，噴頭與混凝土試塊的垂直距離用L表示，移動(dòng)切割試驗(yàn)中設(shè)計(jì)了兩種垂直距離，即L=50,100 mm，分別進(jìn)行純水、水砂比4∶1的切割試驗(yàn)，每個(gè)數(shù)據(jù)均取多次試驗(yàn)的平均值，試驗(yàn)結(jié)果見圖3。

圖3 兩種垂直距離下純水或磨料移動(dòng)切割深度Fig.3 Depths of pure water or abrasive mobile cutting depths at two vertical distances

純水壓力10 MPa時(shí)，L=50,100 mm切割深度無太大區(qū)別；當(dāng)水壓增加到20，30 MPa時(shí)，L=50,100 mm的切割深度開始出現(xiàn)明顯變化，相對(duì)于L=100 mm，L=50 mm在水壓20，30 MPa時(shí)切割深度差別更明顯。水砂比為4∶1且L=50,100 mm時(shí)，M10混凝土試塊在水壓20，30 MPa時(shí)被切穿，切割效果明顯。L=100 mm時(shí)，純水壓30 MPa下M10的切割深度與磨料切割10 MPa時(shí)的切割深度相差不大，磨料切割優(yōu)勢明顯。由于混凝土試塊高度只有100 mm，試驗(yàn)無法得出M10混凝土試塊在20，30 MPa情況下的實(shí)際切割深度。

不同切割距離下，磨料切割比純水切割的切割深度增加量如圖4所示。

圖4 兩種垂直距離下的移動(dòng)切割深度增加量Fig.4 Depths increases in mobile cutting at two vertical distances

由圖4可知，磨料切割對(duì)不同強(qiáng)度混凝土試塊的切割效果均有提升。當(dāng)混凝土試塊強(qiáng)度小于M15，L=100 mm，水壓為20 MPa時(shí)增加量最大；當(dāng)混凝土試塊強(qiáng)度大于M15,L=100 mm，30 MPa時(shí)增加量最大。L=50 mm時(shí)，M10，M15混凝土試塊在20 MPa下的切割深度增加量最大，是純水的3～5倍，M20，M30混凝土塊在30 MPa時(shí)切割深度增加量最大，20 MPa時(shí)次之，10 MPa時(shí)最小。L=100 mm，水壓為30 MPa時(shí)的切割深度增加量在不同強(qiáng)度混凝土試塊中最明顯，20 MPa次之，10 MPa最小。

將水砂比換成8∶1，噴頭與混凝土試塊的垂直距離調(diào)整為L=50 mm，進(jìn)行M20，M30混凝土試塊移動(dòng)切割，試驗(yàn)結(jié)果如圖5(a)所示；L=50 mm時(shí)，在30 MPa下且水砂比為8∶1以及水與棕剛玉比為8∶1進(jìn)行M10，M20混凝土試塊的移動(dòng)切割，試驗(yàn)結(jié)果如圖5(b)所示。

圖5 不同壓力不同磨料下的混凝土塊移動(dòng)切割深度Fig.5 Mobile cutting depths of concrete blocks under different pressure with different abrasive

由圖5(a)可知，M20，M30混凝土試塊在兩種切割條件下的切割深度30 MPa時(shí)最大，20 MPa時(shí)次之，10 MPa時(shí)最小，相同水壓下磨料切割深度比純水更深。M20混凝土試塊10 MPa時(shí)磨料切割與20 MPa時(shí)純水切割深度相差不大；30 MPa時(shí)磨料切割深度是純水切割深度的3倍多。20，30 MPa時(shí)M30混凝土試塊磨料切割深度是純水切割深度的2倍多，磨料切割優(yōu)勢明顯。由圖5(b)可得，在30 MPa時(shí)，磨料切割比純水切割深度增加明顯。M10的水砂磨料混合漿液與水和棕剛玉的磨料混合漿液的切割深度相差不大，但在M20時(shí)，水砂磨料混合漿液切割深度比水與棕剛玉磨料混合漿液切割深度更深。

對(duì)比水砂比分別為4∶1和8∶1的試驗(yàn)效果，對(duì)M20、M30的混凝土試塊在L=50 mm時(shí)磨料切割與純水切割的切割深度增加量繪圖整理，如圖6所示。

圖6 不同水砂比下的移動(dòng)切割增加量Fig.6 Mobile cutting depth increases under different water-sediment ratios

由圖6可知，M20混凝土試塊在10 MPa時(shí)，4∶1與8∶1水砂比下的磨料切割增加量相差不大，20 MPa時(shí)，8∶1水砂比的磨料切割比4∶1水砂比的磨料切割增加量大，30 MPa時(shí)，4∶1水砂比的磨料切割比8∶1水砂比的磨料切割量大。M30混凝土塊20 MPa時(shí)，4∶1與8∶1水砂比下的磨料切割增加量一樣，10，30 MPa時(shí)，4∶1水砂比的磨料切割增加量比8∶1水砂比的磨料切割增加量大。對(duì)比水砂比4∶1與8∶1的試驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)河砂量增加1倍，切割深度沒有成倍增加，甚至出現(xiàn)相等或減少。因此，水砂比8∶1是一種性價(jià)比更好的配比方案。

移動(dòng)切割混凝土試塊結(jié)果對(duì)比如圖7所示。

圖7 加砂和純水移動(dòng)切割混凝土試塊對(duì)比Fig.7 Comparison of sand and pure water mobile cutting concrete blocks

2.2 固定切割數(shù)據(jù)分析

設(shè)置L=500，1 000 mm，分別進(jìn)行純水、水砂比4∶1的20 s固定切割試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見圖8。

由圖8可知，L=500 mm時(shí)，M7.5混凝土試塊在10 MPa時(shí)磨料切割比純水切割深度增加明顯，是純水切割的2倍，在20，30 MPa時(shí)，純水切割與磨料切割相差不大，30 MPa純水切割與20，30 MPa磨料切割都可以將混凝土試塊切穿，M15，M30混凝土試塊在10，20，30 MPa下磨料切割比純水切割深度增加明顯。L=1 000 mm時(shí)，M7.5混凝土試塊在10 MPa下磨料切割比純水切割深度增加明顯，是純水切割的2倍，M15混凝土試塊在10，20 MPa下磨料切割比純水切割增加明顯，30 MPa下純水切割與磨料切割都可以將混凝土試塊切穿，M30混凝土試塊在20 MPa時(shí)，磨料切割比純水切割深度增加得最多，是純水切割的3倍以上，且在20 MPa磨料切割下混凝土試塊被切穿，M7.5混凝土塊在L=500，1 000 mm時(shí)，磨料切割都可以將混凝土試塊切穿，在噴頭距離增加1倍的情況下，磨料切割能力并沒有減弱，M15，M30混凝土塊在L=1 000 mm時(shí)磨料切割依然效果很好。

圖8 兩種垂直距離下的純水或磨料固定切割Fig.8 Pure water or abrasive tixed cutting at two vertical distances

固定切割混凝土試塊結(jié)果對(duì)比如圖9所示。

圖9 加砂和純水固定切割混凝土試塊對(duì)比Fig.9 Comparison of sand and pure water fixed cutting concrete blocks

3 結(jié) 論

(1)在移動(dòng)切割條件下，磨料切割效率是純水的2倍以上；在固定切割條件下，磨料切割深度是純水的1倍左右，前混合高壓磨料切割對(duì)混凝土試塊的切割能力強(qiáng)于純水切割。

(2)在移動(dòng)切割條件下，通過對(duì)比水砂比4∶1與8∶1的試驗(yàn)數(shù)據(jù)，發(fā)現(xiàn)砂量成倍增加，切割深度卻很少成倍增加，甚至出現(xiàn)相等或減少,水砂比8∶1是一種經(jīng)濟(jì)性好的可行方案。

(3)在移動(dòng)切割條件下，混凝土試塊強(qiáng)度小于M15，L=100 mm、水壓20 MPa時(shí)的切割深度增加量最大；混凝土試塊強(qiáng)度大于M15,水壓L=100 mm、30 MPa時(shí)的切割深度增加量最大；在固定切割條件下，靶距達(dá)到1 000 mm時(shí)，磨料切割效果仍然明顯。

(4)磨料切割與其他切割方式相比具有可切割范圍廣、環(huán)保、無熱加工等特點(diǎn)，試驗(yàn)所得結(jié)果對(duì)提高切割效率、降低切割成本具有一定參考意義。

(5)在固定切割試驗(yàn)中，由于設(shè)備故障等原因未進(jìn)行水砂比4∶1與8∶1切割深度的對(duì)比試驗(yàn)，將在后續(xù)試驗(yàn)中繼續(xù)完善。