多股磨料組合射流鉆孔效能研究

岳桂杰 保承軍 谷莉

（蘭州城市學(xué)院，蘭州 730070）

多股磨料組合射流鉆孔效能研究

岳桂杰 保承軍 谷莉

（蘭州城市學(xué)院，蘭州 730070）

為了提高多股磨料射流噴嘴的鉆孔效能，本文以固液兩相流理論為基礎(chǔ)，以實(shí)驗(yàn)為依據(jù)，分析了磨料混合方式、射流噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)、磨料尺寸等參數(shù)對鉆孔效能的影響，對磨料組合射流技術(shù)在鉆孔作業(yè)中的應(yīng)用具有借鑒意義。

組合射流 鉆孔效能 影響因素 研究分析

多股磨料組合射流廣泛應(yīng)用于機(jī)械加工、地層開采等技術(shù)中。多股磨料組合射流是將高速或高壓流動的液體（一般是水）與固體顆粒磨料混合后形成的固液兩相介質(zhì)射流[3]。

采用多股組合磨料射流，能使固液兩相流噴射時的能量具有整體包絡(luò)疊加和局部集中的特性，能夠有效地實(shí)現(xiàn)破巖鉆孔[7]。但多股磨料組合射流鉆孔效果受到多種因素的影響，其中主要影響因素有磨料的混合方式、噴嘴的結(jié)構(gòu)型式、噴距等。因此，研究影響多股磨料組合射流的影響因素可以提高這項(xiàng)技術(shù)在現(xiàn)場作業(yè)中的作業(yè)效率，從而提高能源利用率與經(jīng)濟(jì)效益。

1 磨料的混合方式對鉆孔效能的影響

目前現(xiàn)場作業(yè)中，磨料的混合方式主要有后混合式與前混合式兩種，其中以前混合方式為主。

（1）后混合式磨料射流。如圖1所示，液體經(jīng)高壓泵直接進(jìn)入混合腔，然后經(jīng)噴嘴高速流出，在液體流束高速流出時在混合腔內(nèi)形成一定的真空度，這樣造成磨料箱和混合腔之間有了一定的壓力差，磨料在自身重力和壓力差作用下被抽入混合腔里，然后與液體射流發(fā)生摻混和擴(kuò)散，最后經(jīng)噴嘴流出。

圖1 后混合式磨料射流系統(tǒng)

在這種混合方式中，雖然轉(zhuǎn)軸速度很高，但形成的真空度是有限的，磨料僅靠較小的真空度自身重力被吸入混合腔，而且由于混合腔內(nèi)高速流動的液流表面張力很大，使得進(jìn)入混合腔的磨粒很難充分地與高速液流混摻在一起，磨粒被噴嘴噴射出時速度不是很大，工作效果較差。實(shí)驗(yàn)表明，其最高工作效率約達(dá)30%[6]。

（2）前混合式磨料射流。如圖2所示，前混合式磨料射流液體經(jīng)高壓泵泵出的液體分成兩路，一路經(jīng)節(jié)流閥6、單向閥7進(jìn)入磨料箱8與磨料進(jìn)行初步混合，使磨料處于“擬流體”的流化狀態(tài)。然后與高壓泵泵出的另一路進(jìn)入混合腔的液體進(jìn)行二次混摻，再通過后續(xù)管道進(jìn)入噴嘴，經(jīng)噴嘴加速后以充分混摻的磨料液體狀噴出。由于磨料經(jīng)過兩次混摻，與液體充分混合，兩相流速基本保持平衡，兩相速度差接近零，大大改善了混合效果，使得磨料被噴嘴噴出時具有了更大的速度，獲得了較高的動能，從而提高了磨料的切削性能。射流效果明顯高于后混合式磨料射流。

圖2 前混合式磨料射流系統(tǒng)

2 噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)對鉆孔效能的影響

圖3 多孔噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)示意圖

如圖3所示，多孔噴嘴的結(jié)構(gòu)參數(shù)主要有：噴嘴直徑d0、噴嘴軸錐角α、噴嘴長度l、噴嘴軸心分布圓直徑D等。

（1）噴嘴直徑對鉆孔效能的影響。從圖4可以看出，噴嘴直徑越大，流量越大，噴射功率也越大，所以使得鉆出的成孔直徑和成孔孔深有增大趨勢。但其無因此孔徑、孔深基本不受噴嘴直徑的影響。如圖4所示，噴嘴當(dāng)量孔徑依次取為0.223 cm、0.264 cm、0.289cm，在相同壓強(qiáng)（均為19MPa）作用下，其射流流量分別為0.001m3/s、0.0012m3/s、0.0014m3/s。無因次鉆孔深度分別為：14.26、14.17、14.42，無因次鉆孔孔徑分別為10.69、10.81、10.97。

圖5 噴距對孔深孔徑的影響

（2）噴距對鉆孔效能的影響。圖5是通過試驗(yàn)測得的噴距與對孔徑孔深之間的關(guān)系曲線。從圖中可以看出：①成孔孔深先是隨著噴距增大略有增大，但超過一定范圍后孔深急劇減小，使孔深處于最佳范圍的噴距約為噴嘴當(dāng)量孔徑16至18倍。②成孔孔徑隨噴距的增大而增大。所以綜合考慮成孔孔徑與孔深，噴距不可以取得過大。

（3）孔數(shù)對鉆孔效能的影響。圖6是取孔數(shù)分別為6和7的兩種噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。從曲線可以看出，成孔的無因次孔深孔徑隨孔數(shù)的增多有所增大，但增大不明顯，說明噴嘴孔數(shù)對孔深孔徑影響不大，通過試驗(yàn)還發(fā)現(xiàn)，雖然孔數(shù)不是孔深孔徑的決定因素，但對成孔形狀有明顯影響，孔數(shù)越多，鉆出的孔越圓[5]。

（4）噴嘴軸錐角對孔深孔徑的影響。試驗(yàn)選取噴嘴軸錐角不同，其它結(jié)構(gòu)參數(shù)及噴距相同的7孔噴嘴進(jìn)行，分別取軸錐角為0°，10°，15°，20°，30°的噴嘴進(jìn)行實(shí)驗(yàn)，從圖7可以發(fā)現(xiàn)孔深隨軸錐角的增大變化不大，而孔徑隨軸錐角的增大而增大。但當(dāng)軸錐角增大到30°時，孔深和孔徑均急劇變?yōu)榱恪Ｋ裕瑖娮燧S錐角應(yīng)該選取合適的范圍，從而獲得有效的孔深孔徑，本實(shí)驗(yàn)噴嘴軸錐角的最佳取值為20°左右。

圖6 孔數(shù)對孔深孔徑的影響

圖7 噴嘴軸錐對孔深孔徑的影響

3 磨料尺寸對鉆孔效能的影響

磨料水射流選擇尺寸大小不同的磨料，對鉆孔中巖石的破碎有很大影響。

假設(shè)磨料顆粒為球體，根據(jù)斯托克斯公式，球形物體在流體作用下受到的作用力為式中，d為磨料直徑；μ為流體的動力粘度；ω為流體相對于磨料的角速度。

由公式可知，磨料所受流體的作用力與磨料直徑成正比，直徑越大，作用力越大，對物體的沖擊力也越大。但實(shí)際上，磨料不是球形，存在一定的棱角，磨料直徑越大，棱角越不明顯，對物體的沖擊力反而下降。另外，鉆孔效能與磨料對物體作用時的壓強(qiáng)有關(guān)，實(shí)踐證明，壓強(qiáng)與磨料直徑成反比，直徑越小，壓強(qiáng)越大，所以，磨料直徑不宜取得過大，否則鉆孔效能反而下降，通常情況下，一般采用粒度為80目的金剛砂。

總之，多股磨料組合射流鉆孔效能受到多種因素的影響，本文只分析了幾個主要的影響因素，但是多股磨料組合射流屬于兩相流，其內(nèi)部流動情況和工作機(jī)理十分復(fù)雜，本文中一些結(jié)論來自于試驗(yàn)結(jié)果，肯定有其局限性，具體情況還有待進(jìn)一步分析研究。

[1]沈忠厚.水射流理論與技術(shù)[M].北京：石油工業(yè)出版社，1998.

[2]趙永贊吳玉厚富大偉等.后混合磨料水射流切割石材的特性.河北理工學(xué)院學(xué)報[J].2002（2）.

[3]向文英李曉紅盧義玉梁峰.磨料射流破碎巖石的性能研究.地下空間與工程學(xué)報[J].2006（1）.

[4]岳桂杰劉善春等.多股磨料組合射流噴嘴設(shè)計(jì).重慶科技學(xué)院學(xué)報[J].2007（1）.

[5]陸國勝龔烈航等.提高磨料水射流混合效果的探討[J].機(jī)床與液壓.2003（1）.

[6]張昊宇李輝等.高壓水射流切割效能研究[J].機(jī)械研究與應(yīng)用.2008（10）.

The Drilling Efficiency Research of Multi-Abrasive Combined Jet Nozzles

YUE Guijie,BAO Chengjun,GU Li
（LanZhou City University,LanZhou 730070）

In order to improve drilling efficiency of multi-abrasivejet nozzles, this paper has analyzed its affect factors, such as theabrasive mixing methods, the structure parameters of jet nozzle, theabrasive size, the jet pressure and flow, according to solid-liquid twophase flow theory and based-experiment. It has certain referencemeaning for combined abrasive jet technology in the drilling operation.

combined jet,drilling,efficiency,influential elements,research and analysis