高壓水射流粉碎機器人原理及應用

孫永猛 馮芳

【摘 要】首先分析了水射流粉碎的特點及其關鍵技術。闡述了水射流粉碎技術的研究現狀及應用領域，工業機器人技術近些年發展迅速并廣泛應用于各個領域，隨著水射流技術和機器人技術的不斷發展，水射流粉碎、解離技術必將有更廣闊的應用前景。

【關鍵詞】水射流粉碎;水射流技術;機器人;解離

1.引言

水射流粉碎礦物材料是礦物粉碎工藝中的新技術，這種技術是通過水射流的高速沖擊，在礦物材料內部的解理面處產生一定的應力，促使礦物材料沿解理面發生分離，從而達到粉碎、解離的效果。水射流粉碎技術提高了礦物材料的粉碎效率，具有保持礦物材料原始結晶形態和表面光澤度、解離性與分離特性好等優勢 [1，2]。

該技術最突出優點是粉碎能耗低，水射流粉碎技術的顆粒破碎機理不同于傳統機械粉碎工藝。在水射流粉碎礦物顆粒的過程中，高壓水通過表面裂紋滲進顆粒內部的裂紋頂端，高壓水的存在減小了裂紋擴展所需要的力，提高了顆粒的破碎效率。礦物顆在粒宏觀上的破碎實際是顆粒內部微裂紋的生成、發育、擴展的最終結果。顆粒受其內部高壓水穿滲過程中產生的張應力和沖擊力共同作用導致顆粒破碎，其粉碎能耗要遠低于傳統的研磨工藝。

高壓水射流粉碎的另一個優點是：水射流粉碎技術具有良好的選擇解離破碎性，即可使礦物材料中的不同礦物組份在原有顆粒的基礎上有效解離。高壓水射流沿顆粒的裂隙和不同礦物組份界面的穿滲效應，使得水射流粉碎過程變成了一種高效的礦物分選過程。

最近幾十年，水射流技術和設備得到迅速發展，數控超高壓水射流切割、清洗、破碎及解離技術正在向超高壓、智能化、高精度方向發展。高壓水射流粉碎機器人是專門為有效的粉碎礦物材料而開發的，通過更換不同的程序，即可進行不同礦物材料的粉碎解離工作。又可以滿足對不同礦物材料的加工需要，最終實現自動化、智能化、標準化的工作模式。

2.國內水射流粉碎技術的發展現狀

高壓水射流粉碎技術問世于上個世紀80年代中期，當時美國密蘇里—羅拉大學巖體力學及爆破技術研究中心的薩姆等利用水射流粉碎技術對一些產品進行了粉碎試驗，試驗表明，與普通磨碎方法進行比較，高壓水射流對木材纖維的粉碎作用具有明顯的優勢[3]。

2007年，徐振亮[4]在前混合水射流超細粉碎煤粒機理與實驗研究中得出了利用水射流對煤進行粉碎與普通粉碎相比具有安全、能耗低、對煤表面晶體形狀破壞小的結論，在對煤進行超細粉碎領域提供了一條新的途徑。

2010年，王瑞紅等[5]對前混合水射流超細粉碎煤粒自動控制系統進行了研究，通過自動控制系統的設計，實現了對超細粉碎煤粒過程的計算機控制以及對漿料密度、壓力等參數的動態監測，控制精度高，能夠滿足工業生產的要求。

同年，牛助農[6]對高壓水射流粉碎固體物料進行了數值模擬和試驗研究，研究表明，與傳統的粉碎相比，高壓水射流粉碎不僅可以滿足礦物具有原始結晶形態和光澤的表面形態，而且還可以得到質量和純度都比較高的物料產品。

2013年，穆朝民[7]對高壓水射流沖擊下煤體破碎程度的確定做了相應的研究，經過數值模擬和模型試驗得出了高壓水射流沖擊下煤體破碎的強度計算公式。

2016年，宮偉力等[8]采用高壓水射流粉碎工藝和傳統球磨機粉碎工藝對煤樣進行粉碎，通過控制磨煤時間，在保證2種工藝制備的煤樣粒度基本相同的基礎上，對獲得的超細煤粉所需能耗進行了分析。結果表明，高壓水射流粉碎技術不但達到了制備超細煤粉的粒度要求，而且其能耗僅為傳統球磨粉碎能耗的1/10～1/6;獲得的超細煤粉顆粒表面光潔、無雜質粘附，顆粒之間無聯接，有利于分選，具有較高的成漿率和堆積效率。

3.國外水射流粉碎技術發展現狀

2004年，H.Z. Kuyumcu[9]在高壓水射流粉碎的研究中提出了高壓水射流粉碎技術具有固體和液體相互作用的特點，具有能量可以破壞固體的形態，可以應用于很多領域，特別是在環保和物料的再利用方面得到充分的利用。

2006年，Georgy Sankin[10]對高壓水射流粉碎作業工藝參數對粉碎效果的影響進行了研究，分別對九個工藝參數：泵壓力、高壓管的長度和直徑、煤顆粒的質量流率、原料粒徑、靶距、加載時間、目標的硬度和沖擊角做了相應的分析研究，得到了九個參數的最優組合。

2010年，Przemysaw Borkowski[11]在利用高壓水射流對煤進行粉碎的研究中，采用水力噴射裝置對原煤進行粉碎，并進行了相應的試驗研究，得到了粉碎效果更好、細度更高的煤粒。綜上所述，現有研究成果采用的水射流粉碎技術可以對云母、永磁鐵氧體和煤等一些礦物材料進行高效粉碎。

4.機器人技術發展現狀

機器人是科技不斷發展和人類文明不斷發展的產物，機器人的設計以及研發實際上是時代發展的必然產物，也能夠從很大程度上證明機器人的創造是能夠滿足人們生產以及生活利益的。因此，機器人的創造以及研發是一項必要的科學研究項目。

現如今國外有很多機器人設備創造成功的實例，在創造過程中他們所使用的先進的設計技術是我國無法比擬的，但是隨著我國科技的不斷發展與進步，現如今有很多的高端設計研究方式正在投入應用，對機器人的新的認識也為今后機器人的設計提供很優越的條件。機器人正在朝著高度的人性化方向發展，通過機器人內部裝備設計的不斷更新而讓機器人擁有一定的思維，從而能夠自動的操作，進行工作。那么目前對機器人的發展將會有更高的要求，要求機器人不再是簡單地由機械設備組成，而是模仿人類思維與模樣接近的具有人類相同思維的產物。

5.基本原理及系統組成

高壓水射流粉碎機器人系統，如流程圖1所示，它是將機器人控制系統加入整個水射流粉碎工藝中，按照一定的要求，控制整個粉碎流程，首先控制增壓系統，將水增壓到一定壓力使之產生高壓射流，然后將高壓水通入供料裝置，控制系統控制物料的混合比，最后通過噴嘴將壓力能轉變為高度聚集的水射流能，用這種水射流對礦物進行破碎、解離，破碎完成的礦物進入收集裝置內。

整個粉碎、解離工作過程，選用如圖2所示圓錐收斂型噴嘴，高壓水及礦物充分混合后通過入口直徑為7mm，圓錐收斂段長度為9.3mm，圓錐收縮角為30°，圓柱段長度為10mm，圓柱段直徑為2mm，圓錐擴散段長度為10mm，圓錐擴散角為60°的剪切性噴嘴。當混合流從噴嘴噴出時，完成礦物材料的粉碎解離。

在這個過程中，常采用前混合的方式將礦物材料和水進行混合，前混合就是在水射流形成之前，使水、礦物材料均勻混合，之后在高壓下，水和礦物材料從噴嘴高速噴出，礦物材料和水具有相同的壓力及速度。礦物材料通過壓力釋放作用、微射流沖擊作用、水楔拉伸作用和摩擦作用最終實現礦物材料的破碎、解離。

6.結論

高壓水射流粉碎技術目前正沿著高效、多功能、智能化、精細化的方向不斷發展，與此同時機器人技術發展也比較迅速，高壓水射流粉碎機器人系統是水射流粉碎技術與機器人技術的完美結合。其發展空間是巨大的，伴隨著高壓水射流粉碎機器人的智能化、模塊化和標準化程度的提高。高壓水射流粉碎機器人可以在提高整個粉碎系統的可靠性、功率及智能化水平方面發揮其重要作用。相信今后在高壓水射流粉碎技術的研究與應用領域會有更多新的突破。

參考文獻：

[1]錢玉鵬，程亮，朱瀛波.水射流粉碎技術發展及其在云母粉碎中的應用[J].礦產保護與利用，2009（6）：12-16.

[2]張玉濤，李亞清，洪侯勛，等.基于高壓水射流的超細煤粉制備技術及其影響因素研究[J].中國煤炭，2014，40（8）：93-96.

[3]M.Mazurkiewicz，G.Galecki. Materials disintegration by high pressure water jet-state of the technology development[A].Proceedings of the 3rd Pacific Rim Int Conference on Water Jet Technology[C]，1992：149.

[4]徐振亮.前混合水射流超細粉碎煤粒機理與實驗研究[D].哈爾濱：黑龍江科技學院，2007：23-37.

[5]王瑞紅，王沖，張樞，等.前混合水射流超細粉碎煤粒自動控制系統與研究[J].中國科技信息，2010，8（1）：111-113.

[6]牛助農.高壓水射流粉碎固體物料的數值模擬及實驗研究[D].西安：西安理工大學，2010：10-19.

[7]穆朝民，吳陽陽.高壓水射流沖擊下煤體破碎強度的確定[J].應用力學學報，2013，30（3）：452-456.

[8]宮偉力，謝天，趙世嬌，等.高壓水射流粉碎技術制備水煤漿超細煤粉[J].煤炭科學技術，2016，44（1）：210-217.

[9]H.Z. Kuyumcu，L.Rolf. Application of high-pressure waterjets for comminution[J]. Science Direct，2004，74（3）：191-198.

[10]Georgy Sankin. Evaluation of the microwave absorption property of flake graphite[J]. Materials Chemistry and Physics，2006，11（5）：696-698.

[11]Przemysaw Borkowski，Jozef Borkowski，Micha Bielecki. Coal disintegration using high pressure water jet[J]. Technical Gazette，2010，19（2）：367-372.

項目名稱：面向服務機器人的人機交互系統研究與應用，項目號：2019JZZY010128

（作者單位：1.濰坊理工學院新松機器人學院;2.濰坊理工學院數理學部）