毕业设计（论文）基于前混式磨料水射流移动式切割机设计.doc
目 录摘要1关键词1Abstract1Key words11.课题背景及其设计内容11.1课题背景11.2课题意义11.3设计内容22磨料水射流切割原理以及前混合式与后混合式磨料水射流的比较22.1磨料水射流切割原理22.2前混合式与后混合式磨料水射流的比较22.2.1前混合式与后混合式磨料水射流工作原理比较22.2.2前混合式与后混合式磨料水射流特点比较33前混合磨料水射流移动式切割机的总体设计43.1总体方案设计43.1.1磨料水射流切割机系统设计方案的确定43.1.2前混合磨料水射流移动式切割机的组成及设计原理43.1.3前混合磨料水射流移动式切割机的设计技术参数选定53.2电动机、高压泵及自吸离心泵的选择53.2.1电动机的选择53.2.2高压泵的选择53.2.3自吸离心泵的选择63.3磨料罐的设计73.3.1选择合适的结构形式73.3.2选择合适的结构材料73.3.3满足结构强度的要求73.3.4磨料罐的设计要求83.3.5磨料罐的材料选择83.3.6磨料罐结构设计83.3.7 阀门的选择93.4喷嘴的设计103.4.1选用喷嘴的要素103.4.2磨料水射流喷嘴材料的选择103.4.3磨料喷嘴的主要参数的选择与计算113.4.4手持式喷嘴接管123.5高压管路的确定133.6移动拖车设计144切割机整体装配图145结论15致谢16参考文献:17附录：18附图1：基于前混合磨料水射流移动式切割机总装配图18附图2：电机安装尺寸图18附图3：高压泵安装尺寸图19附图4：自吸离心泵安装尺寸图19附图5：磨料罐装配图20附图6：喷嘴零件图20附图7：手持式喷嘴接管装配图21附图8：磨料喷嘴装配图21附图9：移动拖车装配图22基于前混式磨料水射流移动式切割机设计摘要：介绍了磨料水射流技术的背景，并分析了磨料水射流设备中磨料的前混合和后混合两种混合方式的工作原理、系统结构和特点,选择前混合方式对移动式水射流切割机的整体机械结构进行设计，主要内容包括对前混合磨料水射流移动式切割机的原理以及结构的介绍，对电动机以及高压泵的选择，同时也对磨料罐以及高压喷嘴进行了详细的设计，包括它的结构的设计以及材料的选择，并运用CAD、Pro-e软件画出来整体结构图以及零件图。关键词：磨料；前混合；水射流切割机；移动式 The design of based on pre -mixed abrasive water jet mobile machineAbstract:It describes the background of abrasive water jet technology, and analyzed before mixing abrasive water jet and abrasive device after mixing two hybrid approach works, the system structure and features, select the first hybrid approach for mobile water jet cutting machine as a whole mechanical structure design, the main contents include the introduction of pre - mixed abrasive water jet cutting machine moving principle and structure of the motor as well as the high-pressure pump selection, but also on the abrasive tank and a high pressure nozzles detailed design, including its structural design and choice of materials, and the use of CAD, Pro-e software overall structure drawn diagrams and parts diagram.Key words: Abrasive;Pre- mixed;Water jet cutting machine;Mobile1.课题背景及其设计内容1.1课题背景 由于工业生产发展的迅速，研制出了好多性能很高的材料，其中有很多材料的结构比较特殊，尤其是用于航空航天及汽车制造所需要的材料，其具有复杂的形状，激光切割、氧切割、等离子切割等传统的加工方法很难加工，因为其切割材料时由于温度高而使材料的性能以及材料的组织结构遭到破坏,因而使用的范围有局限性，很难达到设计的要求。近年来发展起来的一种冷态切割新工艺就是高压磨料水射流切割，这种加工工艺方法是比较前卫的，使用高压射流是冷切割工艺，基本可以切割任何材料, 并且不会损伤材料的物理性能、机械性能, 尤其对于切割特种材料比如蜂窝状结构、合金材料、碳纤维 材料、 花岗岩等的效果更加的好, 所以可以说它是这些年来在切割领域里的一次质的飞跃。1.2课题意义 首先磨料水射流的工作介质价格低廉，磨料水射流以水作为主要的工作介质，不但很容易获得而且很便宜；降温、灭尘、润滑等作用也是磨料水射流具备的，所以其具有很高的安全性能，而且其切割没有明火产生，适用于禁止明火操作的区域，比方说石油钻井和切割油罐和油气输送管道等这些场合之下可保证作业安全，而且对于温度应力和变形现象也不会在精密加工中产生;还有体积、后坐力等这些指标在磨料水射流的机构中都很小，所以说移动起来是非常便利的，这样就能很方便的通过光控、数控或机械控制进行加工使用，而且用其来切割加工工件时具有更大的好处和作用。因为它是用高能量的射流束进行加工的，没有热量能够在切割过程中产生，也不会出现由于热量而产生的变形区，更不会产生受热的影响区，所以可以说对基本所有的金属和非金属材料都能用它来切割，尤其是可以切割无法用热切割来切割的各类材料，可以实现平整的切口，不会切出毛刺，有很小的切口宽度，而且对于材料上的任意地方进行切割并且在任意时刻都能结束。可以切割任何设计图形甚至更加复杂的图形1。同时柔性这一指标对于磨料水射流系统来说也是极好的，对于调节水射流的工作条件也很方便，只要改变射流的流量或者调节压力就行了，不同的作业要求都能很好地适配。所以在切割领域中磨料水射流技术的位置越来越重要2。其工作原理是：高压泵将水的压强提高到至几十至几百兆帕 ，磨料（诸如石英砂、金刚砂、石榴石、碳化硅等）在喷头与高压水混合后，经由喷砂管小孔，此小孔内径极小，因此能形成一集中了好多能量，水射流速度可以高达几百米每秒的混流束，当待切割工件强度比射流能量小时，通过移动喷头的位置来切割工件，因为此种加工方式是依靠冲击与剪切破坏和气蚀作用进行切割工件的，所以不会对材料的物理和化学性能造成改变。 传统的磨料水射流切割机由于体积过大，无法移动等原因，使用范围受到了很大的局限。本课题旨在设计出一种移动式水切割机，该切割机可以移动，操作简单，使用方便，应用范围广。1.3设计内容 本文主要研究基于前混式磨料水射流移动式切割机的整体结构的设计。 （1）查阅资料，了解前混式磨料水射流切割机的组成。 （2) 详细了解前混式磨料水射流切割机的工作原理。 （3）确定总体的设计方案。 (4) 完成前混式磨料水射流切割机主要组成部分的设计与计算。包括电动机、磨料罐、高压水泵、高压管路、水箱、喷嘴等。2磨料水射流切割原理以及前混合式与后混合式磨料水射流的比较2.1磨料水射流切割原理 磨料水射流的介质是水，加工方法是通过高压发生装置使水得到巨大能量，然后把磨料经过供料的装置加入到高压的水流束中，变成由固态和液态两相混合而成的射流，通过混合之后的射流，凭借对工件造成由磨料和高压水束产生高速的冲击和冲刷，从而对工件表面材料去除掉和对其进行修饰加工3。它综合了磨料射流和水射流两者之间的优点，而扩大其加工范围。2.2前混合式与后混合式磨料水射流的比较2.2.1前混合式与后混合式磨料水射流工作原理比较 磨料水射流混合方式分类是依据据磨料和水的混合方式来分的，可分为前混式、后混式两种磨料水射流4。前混合磨料水射流装置的结构包括：高压泵、磨料罐、混合腔、喷嘴、电动机、传动装置等。而后混合磨料水射流装置比前混合磨料水射流装置在结构上的区别是减少了一个混合腔，增加了一个磨料喷嘴，其他机构大体相同。两者最主要的区别在于水与磨料的混合室（混合点）是选在水喷嘴之前还是之后5。 前混合磨料水射流切割装置的工作原理是常压水送入高压泵，通过高压泵加压后，将高压水分成两路，一路进入砂罐内进行加压，通过高速流动水的作用，使砂与高压水充分混合，变成流态状态然后将流态状态的切割砂流入到混合腔；另外一路高压水则被直接送入到混合器中，使之与流态化的切割砂进行混合，然后混合后的流态状态的切割砂与直接被送入到混合器的高压水混合输送到调节阀。送入喷流嘴的流量大小由调节阀控制，喷出磨料水射流切割加工6。前混合磨料射流的原理图如图1所示。图1 前混合磨料射流的原理图 后混合切割装置工作时的压力相比于前混合磨料水射流切割装置就很高了，一般在100到400兆帕之间。水喷嘴(一级喷嘴)将高压水变成高速流束，然后通过高速流束的虹吸作用，使得一部分真空度在混合腔内产中，从能够作用于磨料的压力差形成于磨料箱与混合腔之间，磨料因此通过虹吸力被输送到混合腔，高速水射流与有很低的初始速度的磨料接触，磨粒通过边界层的（高速水射流的）紊动扩散作用与被吸磨料之间的动量交换而加速，而后形成磨料水射流从磨料喷嘴(二级喷嘴)中喷出。后混合磨料水射流装置的发生原理图如图2所示。 1 高压水泵 2 水喷嘴 3 磨料喷嘴 4 磨料罐图2后混合磨料水射流装置的发生原理图2.2.2前混合式与后混合式磨料水射流特点比较 由于后混合磨料射流中磨料要靠虹吸作用进入到喷嘴中喷出，因而会造成较大的能量，并且水射流的中央也是很难进入磨料的，因此将会大大的浪费射流的能量，泵的压力必须配置更高，但是磨料之于前混合式装置中能在水流中均匀的混合于喷射之前，使混合效果得到了改善，在喷射前得到的能量高，在完成同样的任务时不但使切割效率提高了，而且还降低了泵压。后混合式要比前混合式多消耗多一个数量级的能量。这样由于降低了系统压力从而对于设备来说减小了很多运转功率，这样就使得后混合系统的安全性问题得到解决并且解决了稳定性要求，同时喷嘴的使用年限和高压密封件两者的使用年限也得以提高，这样零部件可实现自主生产，使生产支出降低，而且磨料混合于水的方式机理的改变充分加速了磨料，增大了能量利用率，加多了磨料量，增强切割能力而且最重要的是结构变得跟加简单。表1给出了前混合与后混合之间工作参数对比。表1：前混合技术与后混合技术的对比由表1前混合技术与后混合技术的对比中看出前混合的优点，所以选择设计前混式磨料水射流切割机，由于设计的创新点在于设计移动式的切割机，便于移动和携带，所以要求设计的切割机的结构紧凑，以便于把切割机的整体装在可以移动的小车上。3前混合磨料水射流移动式切割机的总体设计3.1总体方案设计3.1.1磨料水射流切割机系统设计方案的确定 经过2.2中对于前混合式与后混合式磨料水射流的比较，最终选择前混合方式，设计前混式磨料水射流切割机，由于设计的创新点在于设计移动式的切割机，便于移动和携带，所以要求设计的切割机的结构紧凑，以便于把切割机的整体装在可以移动的小车上。3.1.2前混合磨料水射流移动式切割机的组成及设计原理本篇论文中的便携式切割机主要由隔爆型电机、高压水泵、高压磨料罐、高压喷枪等组成。其工作原理和操作流程是： 普通水通过过滤器过滤器变成清水然后通过高压泵将压力提升至70 MPa变成高压水，然后被高压水分配管路分成平衡水路和引射水路两路。高压水在引射水路中将高压磨料罐中的磨料变成流态，然后流入到混合腔，需要说明的是混合腔是位于磨料罐下方的，从另外一侧输出混合均匀磨料与高压水 ，汇合入平衡水路中的高压水， 然后将此高压磨料浆液输送至喷枪；喷嘴小孔（直径=1mm）将高压磨料浆液喷出，变成极高能量密度的高速磨料水射流，完成切割作业7。前混合磨料水射流移动式切割机原理图如图3所示：图3前混合磨料水射流移动式切割机原理图3.1.3前混合磨料水射流移动式切割机的设计技术参数选定本文设计的前混合磨料水射流移动式切割机亦由上述几部分组成，以下为切割机技术参数的选定： 工作压力/MPa 70 电机功率/kW 22 水泵流量/L/min 12 喷嘴直径/mm 1 磨料类型 石榴石 磨料粒度/目 120 磨料罐容积/L 503.2电动机、高压泵及自吸离心泵的选择3.2.1电动机的选择 其中： 。则。通过查阅资料选择YBK2-250M-8型号隔爆型三相异步电动机，额定功率22kW，传动效率89.3%.电动机实体图如图4所示：图4 电动机实体图3.2.2高压泵的选择 高压泵的本质是液压泵，功能是传递液态流体或增加液体压力。它能传递给给液体机械能或其他外部能量，增加液体能量。 高压水的供给是水射流的主要部分。决定切割性能最主要的指标就是水射流的压力。所以选择一款合适的增压泵是极重要的12。选用增压泵的主要根据和原则13有：(1) 变量指标 如果需要改变流量就用变量泵。(2) 工作压力 目前相对于其他各类液压泵来说额定压力最高的是柱塞泵。(3)工作环境 在较差的工作环境中要选择抗污染的齿轮泵。(4)噪音指标 啮合齿轮泵的噪音低，理论流量均匀低噪声液压泵是螺杆泵以及双作用的叶片液压泵。(5)效率 总效率最高的是轴向柱塞泵；因为对于大排量的同一种结构的液压泵会有较高的总效率；泵的总效率将在工作工况低于额定工况时下降。所以说液压泵的工况应该为额定工况或接近额定工况。 考虑到设计要求结构紧凑，额定工作压力为70Mpa，流量：12 L/min。通过查询资料，选择意大利UDOR公司生产VY-B 20/1000R型号 三缸卧式柱塞泵作为该切割装置的高压水动力源。其最大工作压力为100MPa，最大传动功率为36.8kW，最大流量为19.5 L/min。泵的外形尺寸：长×宽×高455×360×280mm。 高压泵实体图如图5所示：图5 VY-B 20/1000R卧式三柱塞泵实体图3.2.3自吸离心泵的选择 由于电动机的额定功率为22kW，传动效率89.3%；设计额定工作压力为70Mpa，流量：12 L/min，柱塞泵最大工作压力为100MPa，最大传动功率为36.8kw，最大流量为19.5 L/min。综合以上设计参数和实际选用电动机和高压泵型号，并考虑到设计结构紧凑要求，通过查询资料选择上海博禹泵业有限公司生产的25SFBX-13型号耐腐蚀自吸离心泵，其额定流量为6m3/h,扬程13m，配用功率0.55kW，转速2900r/min。自吸离心泵实体图如图6所示：图6 自吸离心泵实体图3.3磨料罐的设计3.3.1选择合适的结构形式 压力容器的设计首先要确定它的形式，使其能高效的完成预定的任务，在选择时，应考虑容器的功能，工作条件（压力、温度、介质特性等），选择合适材料充当结构，容器的尺寸，用什么样的方法加工制作，以何种的位置或姿态摆放于空间中等诸多影响因子。圆柱形、球形和椭圆形以及圆锥形的桶身是应用最多的，因为相较于其他形状的容器，这些形状的受的压力相较于其他形状的容器受力是最均匀的，其他截面为非圆形状的贮罐，受力就不太均匀了，不过一些压力小的场合用一下也还是不错的，毕竟制造简单，成本低，放置也比较方便14。3.3.2选择合适的结构材料 压力容器选用材料，一定要从容器的工作条件（如温度设计、 设计压力、 介质特性等）， 材料的机械、物理、耐腐蚀以及其他工艺指标、材料的晶相结构等要点考虑15。此外材料价钱和获取途径也是值得考虑的，这样能减少不必要的经济开支。 压力受压元件选的材料要求更加的多了，比方说选择钢材就应该选择那些质量合格最重要的是要符合国家标准，而且这些钢材的冶炼要求也是比较高的，需要的冶炼方式有平炉或者电炉再比方说氧气转炉等的方式得到的钢材才能符合所要求的设计指标，在特殊的情况下或者换句话说有特殊 要求时要在图纸上注明技术要求、或者在其他的有关文件上标明。不得使用沸腾钢制造的受压元件为易燃或者有毒介质的容器16。 检验钢材是要符合相关规定。应进行超声波探伤是使用低温容器的钢板用于制造高压容器或使用温度-40时厚度大于20mm时。应进行超声波抽查的是使用低温容器钢板用于制造使用温度-40的厚度大于20mm时，并且需要抽查的数量应该要大于所用的材料总数目百分之二十的数目，当所用材料少于五张时，也就是说所用材料的百分之二十还不够一张的情况下，就凑整抽查一张，总之抽查的数量一定也要大于一。加工制作受压元件应使用经技术鉴定合格的新材料17。3.3.3满足结构强度的要求 压力容器各个结构需达到如下11要求： （1）强度方面 为保证压力容器的强度，需要根据要求计算所有零部件的尺寸。但是，也不能一味的通过加大结构尺寸的大小来保证需要的强度要求。照此下去不但大大的浪费了材料，也显得设备不够轻盈方便。在设计时，要在保证强度的基础上，使材料得到最大的节约。 （2）刚度 刚度顾名思义就是在外界对其造成力的作用下仍然能够达到形状的保持或恢复的一种能力指标。如果刚度达不到要求，那就会发生结构不稳的情形，这种现象工程上叫做失稳。所以说，对于结构的某一些尺寸来说，主要的就不是强度了，而确实刚度这一技术要求，比如说需要抗拉的情况等，这时刚度就是主要决定因素了。这种情况当然也存在于压力容器中了，比如说需要做成真空的容器中，其刚度往往就决定了其结构上的尺寸，至于其他方面，也需要按照设计相关的规范来选择壁厚的最小值以期达到设计的刚度要求。 （3）耐久性在设计和使用耐压容器时，被大家共同关注的一个问题就是关于压力容器使用耐用性和持久性。一般要求耐久性具有为10年到15年的年限。因制造成本高，所以对高压容器，要求耐久性具有为10年到15年的年限，耐久性对于压力容器来说在某些情况下也取决于抗疲劳指标，需要考虑疲劳失效的情况往往出现在压力容器的负载或者受到的温度的变化往复变化时。所以在设计时，要保证疲劳破坏现象不能出现在预定的工况下。综上所述，压力容器的使用年限和腐蚀情况，包括选材是否合适都是考虑容器耐久性值得注意的指标。 (4)密封性 压力容器安全工作的一个重要因素就是密封性。经常存在于压力容器内的易燃或有毒物料中，一旦泄漏，不仅浪费物料，而且会造成人员中毒，甚至有可能爆炸，危及生命和损失财产，所以说，密封性是尤为需要注意的问题。因此，密封结构的设计对于设计者来说要再三注意，一定要选用非常合适的材料来用于密封，确保其具有非常好的密封性。3.3.4磨料罐的设计要求 磨料罐的设计在前混合磨料水射流装置中是至关重要的技术部件，因此，必须要设计的部分之一就是磨料罐。对于磨料罐持续运行时间要求是能够连续供料，总重量控制在以内，18。3.3.5磨料罐的材料选择 容器的工作条件务必要全方位的考量以后再进行压力容器材料的选择。磨料罐的材料选择。要使这种钢材的强度比较高，可以选择在热轧和单独正火下使用，不过缺陷就是塑性和韧性较差，因此使用时要经过在正火加回火处理或经过调质处理后使用19，此时。该钢板的厚度一般在17mm到60mm之间，因此通常情况下能够达到设计要求。3.3.6磨料罐结构设计 （1） 磨料罐内径和高度： 依据传统磨料罐的形状，可根据最优高度和直径15的比例做初步的计算20：因为0.25Di²H=V，则有0.25Di²·5Di=V，解出Di将值代入得Di=240mm，取Di=240mm，式中： （2）磨料罐厚度： 因为，所以应选择符合的无缝钢管作为磨料罐的材料21。一般在工程实际中，其中： 。=36.8 。，K=D0/Di=320/240 =1.3(1.08，1.87)。为确保磨料罐安全性，还必须在加工完磨料罐后，做水压实验22。 磨料罐的实体图如图7所示，磨料罐的总体图如图8所示。 图 7 磨料罐的实体图 图 8 磨料罐的总体图3.3.7 阀门的选择根据资料选择型号为：。其公称压力为，适用温度，显而易见这完全能达到设计压力的要求。表2列出了一些在制造阀门过程中常用的主要零部件的材料：表2：阀门主要零部件常用材料3.4喷嘴的设计 磨料射流装置中喷嘴的设计也是一个极为重要的部分，是重中之重。本文中喷嘴的设计包括手持式喷嘴接管和喷头的设计。从原理上讲，水作为喷嘴的工作介质 ,经过高压泵把其压力增大，给予它的能量非常大 ,然后得到非常高的流速从一选定的喷嘴中喷出来，至于水能否得到很高的能量而且不浪费能量，那就要看喷嘴的设计是否足够合理了，喷嘴在水射流系统中能够进行能量的转换，也就是说能够把压能转换成动能，同时喷嘴之于水的能量利用程度来说是一个至关重要的部件，由此可见，喷嘴的设计是有多么之重要24。因此喷嘴设计的好坏会直接影响到切削质量。因为磨料射流加工时的压力很高，这势必会极大的损坏喷嘴，所以该怎样去减少射流对喷嘴的损蚀，同时提高磨料射流的加工质量已成为水射流加工的重要课题。3.4.1选用喷嘴的要素 喷嘴有很多的种类，所以在选择的时候就有很大的范围去选，比如说喷射型抗冲击力大的喷嘴可以用于脱脂或者水洗中：比如扇型（“V”型）喷嘴，应选择有较大冲击力量的60°喷射角度；离心喷嘴雾化好、有均匀细密的水粒、冲击力较弱，可用于磷化工序：比如锥形（“Z”型）喷嘴，为使其具有分散并且可以使液体雾化喷淋时可选择喷嘴离工件40cm50cm的最佳距离25。喷嘴在喷管上有并行和交叉两种排列方式，其中垂直交叉排列，可用于通道式喷嘴，可产生较好的喷淋效果。 选用喷嘴有如下相互影响，相互制约的一些因素，如流量，喷嘴压力，喷射角度，覆盖，冲击力，材料，应用等。流量与压力的关系是正相关的，同时喷雾角度也正比于其辐射的范围。任何喷嘴都要保证槽液工件连续接触，这方面流量比压力的影响更突出。槽液的化学特性也影响着喷嘴材料的确定，根据制造的难易程度，对非腐蚀性槽液可以选取青铜或塑料材料制造；非金属的材料可以避免腐蚀；耐酸的不锈钢喷嘴材料一般用于磷化槽液，不锈钢和尼龙材料可以制作防止锈蚀的喷嘴。 小角度、液柱流（即射流）喷嘴对于要求具有一定冲击力时效果最佳；对于漂淋、加湿、除尘时应该加装一个文丘里搅拌喷嘴（“H”型）于储漆缸、槽体中，该喷嘴中的具有一定压力液体以1比4的流量比例与引道口被吸入的液体混合并喷射而出，形成溶质无空气混合搅拌那样的效果进一步避免了沉淀，主要原因就是由于搅动，所以才能够保证化学溶液混合的均匀。3.4.2磨料水射流喷嘴材料的选择 要选择硬度高和耐磨性高的材料制作喷嘴来避免高速磨料粒子对喷嘴的磨损。当前当前主要用硬质合金、陶瓷、耐磨钢等来制造喷嘴，在要求较高的场合金刚石、宝石等也会用来作为喷嘴所使用的材料。在后混合系统一般选用宝石喷嘴,不过在前混合系统中也会用到,考虑到耐磨性和经济性能这些一般都是人造宝石，当然天然宝石也会有用到，最贵的喷嘴材料是金刚石,其非常耐用抗磨；硬度高的还有陶瓷材料，抗磨性和耐用性也很好, 也会在一定程度上提高喷嘴的使用时间，同时陶瓷种类众多，选择范围就大，有很好的应用前景。不过,陶瓷材料的硬度和耐磨性也受很多因素的影响，比如说纯度、粒度等，还有烧结工艺也会对其造成很大影响。甚至内表面的粗糙度也会影响它的耐磨性。还有一个问题就是国产陶瓷喷嘴在目前尚在试验阶段，通过一些喷嘴磨损试验,这些专业的工作人员还发现了一种硬度和耐磨性更要好的材料，那就是硬质合金,它有几十倍数值的耐磨性和硬度较之陶瓷材料。由于本文中用的是前混合方式的装置，工作压力为，流速为，同时由于本文所设计的喷嘴有较大的内径，所以磨料喷嘴所用的材料选取，即含的钨钴类硬质合金。3.4.3磨料喷嘴的主要参数的选择与计算（1）喷嘴内径的确定对于确定喷嘴出口直径需要从两个方面来进行考虑,第一个就是出口直径和磨料粒径的比例不能够太小,才能避免产生堵塞现象26。有一个由专业人员多年的试验获得的经验结论就是一般这个比值要大于3。不过特殊情况下也可在2.5上下浮动。第二个就是还应该根据系统工作压力和切割有关的参数和要求来确定出口直径27 , 即式中, （2） 喷嘴收缩角的确定 参考文献27所述的实验分析结果得知，收缩角大小对粒子的最终速度影响是微小的，只是收缩角小的其收缩段长度较收缩角大的相比要长的多。所以说主要应该从射流质量来考虑取多大的收缩角和多长的收缩段长度,换句话说，收缩角的大小适中就可以了。根据资料得知，一般收缩角取13°15°, 收缩段长度取1520mm 。在本设计中，择收缩角为13°，收缩段20mm长。（3） 喷嘴出口长度的确定 喷嘴出口经过收缩段后需要通过一个圆柱段才能产生射流束来加工工件28。设µ1为水流的速度常数，由文献27实验所述，在粒子达到0.9µ1的速度后，如果要增加速度，那么就需要更加长的圆柱段,当然圆柱段太长势必就会增加加工的难度。除此之外,圆柱段的长度还需要保证粒子要以不小0.95µ1的速度喷出。而通过计算得出，要使粒子以不低于0.95µ1的速度喷出时，圆柱段长度要达到2.5倍的喷嘴出口直径。因此,圆柱段长度最合适的大小就是2.54倍的喷嘴出口直径。 水流在圆柱段入口处的流速可由连续性方程来确定，方程如下： 其中， 在本文中选择的喷嘴出口直径 ，因此喷嘴的出口长度选为。喷嘴的零件图如图9所示：图9喷嘴零件图 （4） 喷嘴表面粗糙度的确定 喷嘴内孔表面的粗糙度将会对射流品质和喷嘴寿命造成直接影响。喷嘴内孔表面微小的凹凸不平对射流产生的扰动会对流体压力产生波动29，在流速高时,其会产生较大的空穴损蚀,要是选择了硬度比较差的喷嘴材料,那么将会因此损坏喷嘴。由文献27对粗糙度的变化分析得出,增加粗糙度会使磨料水射流趋于分散使削弱其切割能力,所以说应该使喷嘴内孔表面质量更好一些。对于本文中的喷嘴，其圆锥内表面粗糙度为, 圆柱段内表面粗糙度为。3.4.4手持式喷嘴接管 手持式喷嘴接管是将软管和喷嘴联接起来的一个装置，选择铬不锈钢作为其制作材料。 手持式喷嘴接管结构简图如图10所示下： 图10 手持式喷嘴接管结构图 磨料喷嘴的装配三维效果图如图11所示： 图11 磨料喷嘴的装配三维效果图 磨料喷嘴的装配图如图12所示： 图12 磨料喷嘴的装配图3.5高压管路的确定 在磨料水射流中颗粒的，所以为确保管路中的颗粒一直处于悬浮状态根据固液两相流理论可知，沉降速度为： 由液态和固态两相混流的理论得知,为防止管路中有沉积的磨料，就需要使在管路中流动的磨料浆液流速不小于临界流速故取计算速度为，则管路临界内径为： 通过上式计算结果选取内径系列的可以对系统中的冲击和振动进行吸收由钢丝编织而成的装配方便的高压胶管。但是在驱动压力偏低时，选择的输送管内径又不大，那么就会在管内造成很大的的沿程阻力损失，如此，喷嘴中射流还没有射出，能量就早早损失在管道内的流动过程中，造成切割力的丧失，所以最终决定选择三层钢丝编织高压胶管的。3.6移动拖车设计 “移动式水射流切割系统”，在反恐、救援、航空、石油、石化等领域中被广泛应用，这是一项新型、环保、实用的高新技术。它是高危作业领域唯一的冷切割设备，具有独特的安全性和适用性。国内外的水切割设备主要应用于大型机床设备、制造业和冶矿业等，体积和重量较大，价格昂贵。开发便携操作水切割系统，在成本和实战性有巨大提高。本文设计的移动式水射流切割机操作方便，性能可靠，工作效率较高。最大的优点就是可以适用于户外操作，极大地简化了切割任务，实现了高效安全生产。根据各个部件的尺寸，把各个部件紧凑的安装在小车上，小车车身的尺寸长×宽×高=1895×800×1340mm。 移动车的实体图如图13所示：图 13 移动拖车的实体图4切割机整体装配图通过对前混合磨料水射流移动式切割机的原理以及结构的设计计算，对电动机以及高压泵的选择，同时对磨料罐以及高压喷嘴进行详细的设计，包括它的结构的设计以及材料的选择，最终运用CAD、Pro-e软件画出来磨料水射流切割机的装配图如图14、图15所示。磨料水射流切割机的三维装配图如图14所示：1 控制柜 2 电机 3 压力表 4 磨料罐 5 水枪 6 移动拖车 7 柱塞泵 8 过滤器 9 自吸水泵 10 三通 11 单向阀图14 磨料水射流切割机的三维装配图磨料水射流移动式切割机的二维装配图如图15所示： 1 磨料罐 2 金属扎带 3 水枪 4 控制柜 5 压力表 6 单向阀 7 三通 8 自吸水泵 9 过滤器 10 车轮 11电动机 12 联轴器 13 柱塞泵 图 15 磨料水射流移动式切割机的二维装配图5结论在规定的设计参数下，本文对磨料水射流的前混合装置进行了设计。该设计在达到设计技术指标要求的前提下也能在工程实际中应用。本次设计的过程可总结为三部分：1）通过对前混合磨料装置的工作原理的理解和给定的技术指标，根据进行了计算选型，在本次设计中选用了型号VY-B 20/1000R的柱塞增压泵。2）磨料罐是将磨料与水相混合的装置，本次设计中设计的磨料罐高度为，外径320mm，筒体厚度为40mm，磨料罐的材料选择20MnV钢,结构为无缝钢管。3）磨料喷嘴与磨料罐一样，在前混合水射流装置中最重要的部分之一，通过给定的工作压力和实验经验选择了硬质合金喷嘴，根据给定的技术指标确定出了喷嘴内径为1mm、收缩角为13°等主要参数。致谢 参考文献:
