中国矿大成教院 2007毕业设计（论文）摘 要：高压水射流技术是近三十年来发展起来的一项新技术，在采矿、冶金、石油、建筑、化工、市政建设及医学领域得到广泛应用并取得可喜的成果。从原理上讲，它与世隔绝我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。水力采煤中使用的水压通常为 515MP，水枪出口直径为 1530mm；而高水射的水压一般在 30MP 以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在 2mm 以下，最小的可达 0.1mm。因此高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如 100MP 的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌。本毕业设计题目是水射流采煤机切割装置设计。主要阐述了高压水射流技术在采煤机上的应用之背景，优缺点和所需要解决的问题等方面的内容。高压水射流和采煤机联合进行破煤是一门新技术，需要解决的问题还很多。本设计主要是关于喷嘴在滚筒上的布置，水路控制系统和高压旋转密封等方面作初步的尝试。设计了一种用高压水射流控制水路，水射流辅助截齿破煤的滚筒结构。关键词：水射流； 截齿； 喷嘴； 滚筒11 水射流采煤综述1.1高压水射流概述煤炭作为我国一次能源的主体,它的持续、稳定和协调发展,无疑具有重大意义。采掘机械的技术水平则是发展煤炭工业中的关键环节。加强采掘机械的科学技术研究工作是煤炭工业增产、节约能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的发展的重要技术手段。高压水射流技术是近几十年来逐渐发展起来的一门新兴技术。它的应用发展日趋成熟和广泛。在这种形式下，人们试途将高压水射流技术应用于矿山机械中，特别是采掘机械中，已经取得初步成果。这必将推动煤炭工业的进一步发展。高压水射流的基本原理是将具有一定的压力水通过直径较小的喷嘴形成的射流，并将这股射流作为工具进行破碎、切割和清洗等工作。一般水压在 30MP 以上，而喷嘴的直径仅在 2mm 以下。这样形成的水射流具有极高的能量，从而具有很强的打击力。高压水射流系统一般有如下几部分组成：压力源、喷嘴及其控制装置和连接它们的高压管以及其它。其附示意图如下：2图 1-1图中，低压泵 2 产生的低压水在增压器 3 中压力增大到指定压力值后，经过高压胶管的传送到喷嘴 4 形成高压水射流。数控箱 6 操作喷嘴移动，从而完成各种切割工作。切割后的废液经回收处理后排放。高压水射流在矿山机械中的应用，通过大量的实验和研究，已经取得了初步的成果。特别是在水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩方面有深入研究。实验证明，水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩比单纯采用机械刀具破碎，切割具有无可比拟的优点。是解决目前机械刀具采煤中所遇到的问题的有效尝试。 1.2刀具采煤的弊端目前刀具采煤法面临的问题主要有以下几个方面。1）机械设备变得庞大而笨重。为了大幅度提高生产能力，采煤机的发展趋势是提高传动装置功率，从而使得机械设备越来越笨重。如 AM-500型采煤机，其功率是 2*375KW，两个滚筒中心距离达 10m,总重量为 32 吨。不难想像，这么笨重的庞然大物在井下有限的空间里工作，对于巷道要求、支护、运输等方面影响是很大的。2）其次是截割阻力较大，机械的稳定性和传动零件强度储备下降，造成了维护和检修上的较大困难。33）消耗量上升。大多数工作面，即使在正常工作条件下，每采 1 千吨煤消耗截齿达 4060 个，因此截齿不能及时更换，变钝了的截齿使采煤机比能耗上升，生产能力下降。机器动载荷加大，出现很高的事故率。4）劳动环境恶劣。机械刀具切割破碎煤炭，造成的矿尘污染十分严重。虽然采取了喷雾灭尘等措施，但其效果并不理想。井下工人的尘肺病发生率是比较高的。还可能造成的问题是，截齿摩擦生热引起燃烧或煤尘、瓦斯等爆炸灾害也时有发生。以上几个问题在水射流和机械刀具联合切割破碎中，可以得到缓解。这在后面的还将提到。13 DY-150 采煤机设计参数及水射流的优点本毕业设计是将高压水射流应用于滚筒采煤机上，高压水射流引入到滚筒采煤机之上和截齿配合破碎煤层。如图所示：1 喷嘴2 截齿座3 高压管图 1-24 相位阀设计基本要求和参数：喷嘴数：2 个高压水射流压力：30MP喷嘴直径：d=15mm采煤机型号：DY150DY150 型采煤机基本参数：4采高：1.32.5m截深：0.6m滚筒直径：1.25m ，1.40m滚筒转速：63r/min牵引速度：06m/min牵引力：120KN装机功率：150KW机重：125T主要特征：单滚筒，液压有链牵引。水射流采煤机具有以下优点：1） 由于水射流的辅助破碎作用，截齿受力可显著降低，因而降低了截割部的电机功率。一般功率可降低 30%60%，其生产能力可提高35%40%。2） 射流对煤体的湿润和对截齿的冷却作用，极大地提高了截齿的使用寿命，以及采煤机的工作效率。3） 射流具有明显的降尘作用，比喷雾灭尘等措施降尘效果要好得多，大大地改善了采煤工作面的环境。并且水射流还能抑制截齿切割时因夹矸而导致的产生火花现象。从而有利于安全生产。4） 射流的辅助破碎作用避免了切割刀具对煤体的大量粉碎性破坏，从而大大提高了煤质的块度。这对企业的经济效益提高有很大意义。因为煤的块度越大，其销售价格越高。通常 6nm 以下的粒径的碎煤占总量的35%40%，如果引入高压水射流进行联合破碎切割，可使之降到 15%左右。以上是从优点方面说起，不过凡事有利必有弊。水射流技术应用于采煤机毕竟还处于起步阶段。很多问题急待解决。如高压管路的拖曳，高压旋转密封的耐压能力和使用寿命，比能耗较大等等。高压水射流技术的进一步发展，必将使上述问题得到有效解决。从而使水射流技术更加广泛地应用于矿山机械领域，为我国煤炭工业现代化作出重要的贡献。2 水射流性能简介21 非淹没式水射流这里简要介绍一下采煤机上应用的非淹没连续式水射流性能。所谓非淹5没式即指水射流在大气中工作，也称作气水两相射流。一、气水两相射流的水动力学结构如下图，气水两相射流有三个部分组成： 8 图 2-11-喷嘴 2-喷嘴内主流 3-喷嘴内边界层 4-射流初始段 5-射流主体段 6-正激波阵 7-打击区 8-卸 载 波 阵 9-膨 胀 区 10-靶 体 部分是射流的上游，即喷嘴内部的流动； 部分是非淹没自由射流； 部分是射流在靶体表面上的流动图形。用以描述射流和靶体之间的相互作用。二、下图是射流的水动力学结构。6。 。喷 嘴。 过 渡 段初 始 段核 心 段 基 本 段图 2-22.2 非淹没射流的动力特性水射流动压 P= ，是射流内单位体积的流体所携带的能量。它含21v有密度和速度两个参数，综合体现了射流速度衰减以及卷吸空气量的变化规律。动压是水射流最基本的也是最重要的参数。1 ）射流在喷嘴出口处的动压P0= iipv202201-喷嘴出口和入口动压ip0-速度系数由上可知,由于水射流在喷嘴内部流动的能量损失使得喷嘴出口压力小于喷嘴入口压力。2）射流基本段上的动压分布：由实验可以证明：射流基本段上各截面的动压分布可用下式表示其规律：7f（）=（1- 1。5 ） 2 式中mp ;/;到 射 流 轴 线 径 向 距 离射 流 截 面 半 径无 量 纲 径 向 距 离射 流 截 面 上 轴 心 处 动 压射 流 截 面 上 任 一 点 动 压rRRrpm上式也可以用于初始段之内，只是把核心段边界作为计算径向距离的起点即可。3）射流轴心动压的衰减射流轴心上的动压在核心段内保持不变，只是越过核心段以后才开始衰减。为了简化研究，一般有以下五种假设：（1） 不存在水射流卷吸作用引起的气水混合；（2） 射流边界及截面上的静压为大气压；（3） 射流在喷嘴处（出口处）为均匀流；（4） 不存在影响射流的外力，重力忽略；（5） 射流与周围气体之间不存在能量损失。根据上述理想假设，我们可以通过射流动量守恒来分析轴心上射流动压分布衰减规律，并可以求出初始段长度。在喷嘴出口处和基本段内各取截面分析，两截面处动量守恒。J0=JxJ0= 20RJx=2 rdv引入无量纲径向距离： ,:2:.,/ 201022 代 入 上 式又 有 公 式代 入 上 式 则 XkdRdvRmm 8图 6-4由图可见流量系数的最大值相应于 2 =13 2 ，一般取 2 =12 144。喷嘴的材质选择要根据不同条件而变化。如用于清洗，切割的水射流喷嘴，9压力很低。一般可采用成本较低，容易加成形的材料，如铜、不锈钢、轴承钢、渗碳钢等。而对于那些精密切割，超高压系统中的水射流喷嘴，由于喷嘴要支称高压和高速水流的作用，要喷嘴具有足够的机械强度和耐磨性，以及耐腐蚀性。一般采用碳化钨硬质合金，金刚石或人造宝石等材料。66 喷嘴各参数对水射流性能的影响1）圆锥段收缩角大量的试验表明：当喷嘴的收缩角很小时，射流密集性比较差，而且喷嘴的轴向尺寸很长。随着收缩角的加大，出口边界层厚度减小，因此射流的密集性是随着收缩角的增加而减小。由此可见，为了保证射流的切割能力，收缩角有一个最佳值。另外,由于喷嘴的收缩作用,当加速因子达到一定值时,喷嘴内的阻力会下降,出现类似层流的阻力现象,这种现象称为层流化现象。加速因子 k 为：k= dy/dx20vk-加速因子 r-流体运动粘度v0-喷嘴内核心区速度v-边界层中流体流动速度x-射流离开喷嘴出口的距离考虑以上诸因素,一般取收缩角为：13 14 之间为好。2）喷嘴出口圆柱段长度：通过大量试验分析表明：随着圆柱段长度的增加，出口速度随之增加，而射流的密集性的长度却随之而减小。因此喷嘴出口圆柱段长度也存在着一个最佳值。另外，喷嘴圆柱段收缩角的大小及流体流动条件，对圆柱段的最佳长度是有一定影响的。考虑到这些因素，一般取圆柱段长度为喷嘴出口直径的 2.53 倍最合适。3）喷嘴内孔表面的粗糙度喷嘴内孔表面的粗糙度是决定射流品质和喷嘴的寿命的重要因素。喷嘴内孔表面微小的凸凹不平,会导致射流产生较大的初始扰动,这种扰动将引起10流体的压力波动。在高速射流中，这种压力波会引起严重的局部空穴现象，如果喷嘴的材料硬度不足，喷嘴将遭到破坏。对喷嘴内孔加工粗糙度的分析其变化情况表明：随着粗糙度的增加，射流出口边界厚度增加，出口速度减小，加速因子减小，同时喷嘴内产生分离的可能性增大，层流化的可能性变小，射流的密集性和切割能力变差。因此，喷嘴内孔表面是越光滑越好。对于钢制喷嘴和碳化钨喷嘴，圆锥内表面的粗糙度最大允许值为 0.2um，圆柱段内表面的最大允许粗糙度为 0.1um。67 失效形式：喷嘴的失效形式主要表现在以下几个方面：1）在一定的靶距上，射流的打击力下降超过允许值；2）在一定的靶距上，射流的扩散超过允许值，即射流发生了散射；3）喷嘴破裂。高压水流经过喷嘴断加速，由于喷嘴内表面的影响，水流边界发生挠动，待流到高速区时，逐渐形成涡流，同时由于喷嘴出口的收敛作用，在喷嘴出口圆柱段内也将产生涡流区，这些都能使高速水流产生气穴，并对喷嘴口内壁产生气蚀。随着气蚀作用的不断发展，使喷嘴出口内表面的粗糙度不断增大，同时横断面积增加，以致出现严重磨损状况。从喷嘴喷射出的高压水射流，由于在喷嘴内部受到某种干扰，加之在喷嘴出口处又卷入了部分空气，将使水射流发生扩散。随着气蚀损伤的发展，加剧了射流的扩散作用，且主射流的扩散超过允许值。这时喷嘴出口往往出现单边磨损的现象，加速了喷嘴的失效过程。喷嘴磨损以后，不仅使射流发生散射，而且在流量不变的情况下，将使射流喷射压力降低，从而减小了射流的打击力。这样也会导致失效。有时，喷嘴受到的液体腐蚀作用也不