本發明涉及流體機械領域，具體是一種前混合磨料水射流連續作業系統及方法。

背景技術：

磨料水射流技術是近代發展起來的新技術，在工業切割、巖石掘進、表面清洗和鉆探開采等方面具有廣泛應用。根據加料方式不同，磨料水射流分為前混合磨料水射流和后混合磨料水射流。由于后混合磨料水射流不能使磨料與高速流動的水進行充分的混合，明顯地降低了水介質對磨料的傳輸效率，在相同的耗能的情況下，后混合磨料水射流的切割深度只能達到前混合磨料水射流切割深度的一半，且在巖石掘進、鉆探開采等方面，由于后混合磨料水射流的破巖能力差，外加上工程環境的限制，無法使用后混合磨料水射流。因此，前混合磨料水射流的研究尤為重要，但是限制前混合磨料水射流大規模應用的一個關鍵難題就是磨料連續供料問題。

在現有技術中，前混合磨料水射流的供料裝置大部分采用單料罐的前混合式磨料射流供料裝置。如CN 103100984 B公開的一種磨料自動供給裝置及使用方法，涉及的前混合磨料水射流供給磨料的磨料自動供給裝置，該裝置主要由料斗、射流泵、高壓磨料罐、安裝在高壓磨料罐上部的閥座及下部的混合腔構成，閥座上連接有加沙管路、高壓水管路、低壓水管路和安全閥，混合腔上亦連接有高壓水管路、磨料管路和磨料水射流管路。這種供料系統存在如下問題：(1)系統中由于磨料的自重造成板結及其他結構問題，出料口和管道易造成堵塞。(2)由于只采用一個料罐，在料罐中磨料用完后必須停機再裝磨料，不能連續供料，影響生產效率。

另外，目前也出現了一種前混合式磨料射流雙罐連續供料裝置，如CN 2574834Y公開的混合式磨料射流雙罐連續供料裝置，該裝置是由兩個由料罐、進料管、進水管和漿料管組成的前混合式磨料射流供料系統并聯成一個整體裝置。雖然該裝置能夠在一定程度上實現“不間斷”工作，但事實上它是一個料罐里的料用完后，再用另一個料罐里的料，而且料罐需要經過泄壓—裝料—升壓—供料等復雜繁瑣的過程，不但需要承壓較高的料罐，而且每個料罐的裝料時間長，工作時間較短。特別是在兩個料罐交替過程中系統會出現供料的空檔期，所以該前混合式磨料射流雙料罐連續供料裝置不能完全實現連續供料。

又如CN 104552027 A公開的一種前混合磨料射流連續供料系統，該系統包括主水箱、高壓泵、低壓泵、連續供料系統和混合腔，該裝置可以連續供料，但是結構復雜，不便于維護。

為了能促進前混合磨料水射流在工程上的應用，提出結構簡單的前混合磨料射流連續作業系統顯得十分有必要。

技術實現要素：

本發明的目的在于提供一種前混合磨料水射流連續作業系統及方法，其能夠解決現有技術中磨料不能連續供料的問題。

本發明的技術方案如下：

一種前混合磨料水射流連續作業系統，其包括射流泵和輸出高壓水的高壓泵裝置，所述高壓泵裝置通過高壓水管路與射流泵的輸入端連接，射流泵的吸料口連接有磨料罐，所述射流泵的輸出端通過磨料水射流管路連接有磨料射流噴嘴。

進一步的，本系統還包括第一三通和第二三通，所述第一三通的一端與磨料罐連接，第一三通的另一端與射流泵的吸料口連接，第一三通的第三端與第二三通的一端管路連接；第二三通的另一端與磨料罐連接，第二三通的第三端連接有供水的水管；第一三通和第二三通的每個端口均安裝有閥門。

進一步的，所述射流泵包括射流泵噴嘴、吸料口、負壓腔室、喉管和擴散管；所述射流泵噴嘴的噴射端連接在負壓腔室的一端，射流泵噴嘴的入口端與所述高壓水管路連接；所述吸料口設置在負壓腔室的頂部，吸料口的中心軸與射流泵噴嘴的中心軸垂直；所述喉管的一端連接于負壓腔室的另一端，喉管的另一端與擴散管連接；擴散管、喉管、負壓腔室以及射流泵噴嘴的中心軸重合。

進一步的，所述射流泵噴嘴的入口端內徑為d0，射流泵噴嘴的噴射端內徑為d1，所述吸料口的內徑為d2，所述喉管的內徑為d3，所述擴散管連接喉管一端的內徑也為d3，擴散管另一端的內徑為d4，所述負壓腔室的直徑為d5，則有：d12/d32＝K13，d5/d0＝K50，d4/d3＝K43，d2/d5＝K25，其中K13∈[0.208，0.28]，K50∈[1，6]，K43∈[2，4]，K25∈[0.2，0.8]。

進一步的，所述射流泵噴嘴與所述喉管間的距離為L1，喉管的長度為L2，擴散管的長度為L3，擴散管的擴散角為θ，則有：L1/d1＝Y11，L3/d3＝Y33，L4/d3＝Y43，其中Y11∈[0.5，1]，Y33∈[5，7]，Y43∈[2.9，10]，5°≤θ≤8°。

進一步的，所述射流泵噴嘴采用圓錐收斂型噴嘴或流線型噴嘴。

進一步的，所述磨料射流噴嘴采用圓錐收斂型噴嘴，其出口的內徑為d6，其收斂段的長度為L5，其直線段長度為L6，其收斂段的收斂角為θ1，則有，d6/d3＝K63，L6/d6＝Y66，其中K63≥1，Y66∈[2.5，3]，13°≤θ1≤15°。

進一步的，所述擴散管與喉管為一體式整體加工而成。

進一步的，所述射流泵噴嘴、喉管以及擴散管均為硬質合金材質。

同時，本發明還提供一種前混合磨料水射流連續作業方法：首先，利用高壓泵裝置產生高速流動的水；然后，使該高速流動的水進入射流泵形成負壓，利用卷吸作用及磨料的自重將磨料從射流泵的吸料口吸入射流泵，磨料與水在射流泵的負壓腔室混合后從射流泵的擴散管進入磨料水射流管路，同時對磨料罐進行磨料的連續供應；最后，混合后的磨料和水經磨料水射流管路進入磨料射流噴嘴進行加壓和提速，加壓和提速后的混合液從磨料射流噴嘴噴出，形成前混合磨料水射流。

本發明針對前混合磨料水射流無法連續加料的難題，利用射流泵實現了前混合磨料水射流連續作業。本系統利用射流泵的卷吸作用和磨料自身的重量，能夠快速抽吸磨料罐中的磨料，磨料與水在射流泵中混合后，經磨料射流噴嘴加壓和提速，噴出前混合磨料水射流。只要保證提供磨料的磨料罐中磨料不斷，就能形成穩定的前混合磨料水射流。在本方案中，其吸料特點使得可以采用敞開式的磨料罐，從而保證磨料罐中磨料的連續供應是非常容易實現的，這就使得本系統能夠連續供給前混合磨料水射流不間斷，為促進前混合磨料水射流的工業化應用提供了基礎。另一方面，采用磨料射流噴嘴與射流泵直連的方式，以及射流泵直接吸料的方式，使本發明前混合磨料水射流連續作業系統的結構得到了大大的簡化。

本系統結構簡單、維護方便，沒有氣動球閥等氣動元件，不需要額外的動力系統提供動力，在磨料添加過程采用射流泵的卷吸原理以及充分利用磨料自重，只需將磨料倒入磨料料斗即可完成加料作業，與其它裝置相比，大量節省人力和時間。

并在磨料罐與射流泵之間設置兩個三通結構，便于作業前對系統進行負壓測試，以及保證磨料卷吸的整個過程穩定通暢。

本發明的方法舍棄了現有技術中高壓磨料罐這一環節，在保證磨料從射流泵持續吸入的前提下，從進料斗吸入射流泵的磨料會與高速流動的水在射流泵內混合充分，并和高壓水一起經過磨料水射流管路進入磨料水射流噴嘴，在磨料水射流噴嘴內進一步加速后，直接從磨料射流噴嘴噴出前混合磨料水射流。

本發明的系統還對射流泵的結構進行的優化，使射流泵的負壓吸料能力更強，磨料在射流泵中能夠混合得更均勻。

本前混合磨料水射流連續作業方法，過程簡單，省掉了現有技術中繁瑣的流程環節，實現了真正意義上的連續供料和前混合磨料水射流的連續作業，克服了現有技術中前混合磨料水射流連續作業時間短、工作過程中磨料斷料的現象，有利于前混合磨料水射流技術的工業化推廣。

附圖說明

圖1為本發明前混合磨料水射流連續作業系統的結構示意圖；

圖2為圖1中射流泵的結構示意圖；

圖3為圖2中射流泵噴嘴的一種具體實施例；

圖4為圖2中射流泵噴嘴的又一種具體實施例；

圖5為圖1中磨料射流噴嘴的一種具體實施例。

具體實施方式

下面結合附圖和實施例對本發明作進一步的描述。

一種前混合磨料水射流連續作業系統，如圖1所示，其包括射流泵2和輸出高壓水的高壓泵裝置1，所述高壓泵裝置1通過高壓水管路5與射流泵2的輸入端連接，射流泵2的吸料口2-2直接連接磨料罐3，磨料罐3中盛裝有磨料，所述射流泵2的輸出端通過磨料水射流管路6連接有磨料射流噴嘴4。

本系統只要保證磨料罐3內的磨料不間斷，利用射流泵2的卷吸作用和磨料自身的重量，能夠快速抽吸磨料，磨料與水混合后，經磨料射流噴嘴4加壓和提速，就能持續噴出前混合磨料水射流。而本系統磨料的流動不需要額外的加壓，磨料罐3只起到暫存磨料的作用，因而對磨料罐3的壓力和密封性要求低，因而能夠很容易、很方便地往磨料罐3中添加磨料。同時，磨料在射流泵2中已經能夠被混合均勻，因而，射流泵2的磨料混合液能夠直接通過磨料射流噴嘴4噴出，即射流泵2能夠與磨料射流噴嘴4直連也能噴出磨料射流，該種連接方式簡化了現有技術中需經專門混料機構來混合磨料的結構，是本系統結構簡單。

當磨料罐3內加入水后，磨料與水混合，可以使磨料罐3中的混合液更容易被射流泵2卷吸。

本系統還設置有第一三通7和第二三通8，所述第一三通7的一端與磨料罐3連接，第一三通7的另一端與射流泵2的吸料口2-2連接，第一三通7的第三端與第二三通8的一端管路連接；第二三通8的另一端與磨料罐3連接，第二三通8的第三端連接有供水的水管9；第一三通7和第二三通8的每個端口均安裝有閥門。在正式產生磨料水射流之前，需要對射流泵2內的負壓進行測試，此時，通過第二三通8往磨料罐3中注水，且磨料罐3與射流泵2之間導通，三通的其余幾個端口為閉合狀，若射流泵2內的負壓達到一定值，則會將磨料罐3內的水卷吸到射流泵2中。在射流泵2卷吸磨料初期，其內的負壓需要一個過程才能達到預期值，前期需要外部向射流泵2的吸料口2-2開設和維持磨料射流的卷吸通道，使磨料射流能夠穩定過渡增加到一定的卷吸量。此時，由第二三通8經第一三通7向射流泵2注水，形成引導的水流通道，當磨料卷吸量達到預期時，關閉第二三通8即可。

參見圖2，所述射流泵2包括射流泵噴嘴2-1、吸料口2-2、負壓腔室2-3、喉管2-4和擴散管2-5；所述射流泵噴嘴2-1的噴射端連接在負壓腔室2-3的一端，射流泵噴嘴2-1的入口端與所述高壓水管路5連接；所述吸料口2-2設置在負壓腔室2-3的頂部，吸料口2-2的中心軸與射流泵噴嘴2-1的中心軸垂直；所述喉管2-4的一端連接于負壓腔室2-3的另一端，喉管2-4的另一端與擴散管2-5連接；擴散管2-5、喉管2-4、負壓腔室2-3以及射流泵噴嘴2-1的中心軸重合。所述擴散管2-5與喉管2-4可以采用一體式整體加工而成。所述射流泵噴嘴2-1、喉管2-4以及擴散管2-5均為硬質合金材質。

本系統利用高壓泵裝置1輸出的高速流動的水，經過射流泵2時在負壓腔室2-3形成的負壓，加之磨料的自重，使得磨料從磨料罐3吸入到射流泵2，并與高速流動的水在射流泵2內混合，磨料與高壓水形成的混合物經過磨料水射流管路6進入磨料水射流噴嘴，在磨料水射流噴嘴內進一步加速，最后從磨料水射流噴嘴噴出形成前混合磨料水射流。

所述射流泵噴嘴2-1的入口端內徑為d0，射流泵噴嘴2-1的噴射端內徑為d1，所述吸料口2-2的內徑為d2，所述喉管2-4的內徑為d3，所述擴散管2-5連接喉管2-4一端的內徑也為d3，擴散管2-5另一端的內徑為d4，所述負壓腔室2-3的直徑為d5，則有：d1²/d3²＝K13，d5/d0＝K50，d4/d3＝K43，d2/d5＝K25，其中K13∈[0.208，0.28]，K50∈[1，6]，K43∈[2，4]，K25∈[0.2，0.8]。上述比值的設定下，能夠保證射流泵2形成的負壓較大，使磨料順利通過進料口進入負壓腔室2-3且保證卷吸量足夠，避免影響連續加料效果。

所述射流泵噴嘴2-1與所述喉管2-4間的距離為L1，喉管2-4的長度為L2，擴散管2-5的長度為L3，擴散管2-5的擴散角為θ，則有：L1/d1＝Y11，L3/d3＝Y33，L4/d3＝Y43，其中Y11∈[0.5，1]，Y33∈[5，7]，Y43∈[2.9，10]，5°≤θ≤8°。上述比值及擴散角的設定下，能夠保證射流泵2形成的負壓較大，使磨料順利通過進料口進入負壓腔室2-3且保證卷吸量足夠，避免影響連續加料效果。

所述射流泵噴嘴2-1采用圓錐收斂型噴嘴或流線型噴嘴，如圖3、4所示。

所述磨料射流噴嘴4采用圓錐收斂型噴嘴，其出口的內徑為d6，其收斂段的長度為L5，其直線段長度為L6，其收斂段的收斂角為θ1，則有，d6/d3＝K63，L6/d6＝Y66，其中K63≥1，Y66∈[2.5，3]，13°≤θ1≤15°。

基于同一思路，本發明還提供了一種前混合磨料水射流連續作業方法，其包括如下三個過程：

首先，利用高壓泵裝置1產生高速流動的水。此處水壓可取值50～100MPa，這個壓力范圍根據具體切割對象來定。

然后，使該高速流動的水進入射流泵2形成負壓，利用卷吸作用及磨料的自重將磨料從射流泵2的吸料口2-2吸入射流泵2，磨料與水在射流泵2的負壓腔室2-3混合后從射流泵2的擴散管2-5進入磨料水射流管路6，同時對磨料罐3進行磨料的連續供應。此處水壓范圍為15～40MPa，這個壓力跟泵的壓力有很大的關系。

最后，混合后的磨料和水經磨料水射流管路6進入磨料射流噴嘴4進行加壓和提速，加壓和提速后的混合液從磨料射流噴嘴4噴出，形成前混合磨料水射流。此處水射流的壓力范圍為15～40Mpa，這個壓力跟泵的壓力有很大的關系。

經試驗驗證表明，本發明能夠真正意義上的連續供料，克服了連續作業時間短、工作過程中磨料斷料現象，有利于前混合磨料水射流技術的工業化推廣。