磨料气体射流冲蚀磨损岩石特征分析

磨料气体射流在辅助钻孔和卸压增透时,能够避免塌孔,从而提高采出率。明确磨料气体射流破岩特征是推广磨料气体射流应用的重要理论基础。但目前的磨料气体射流冲蚀磨损模型忽略了反射磨料的作用。为此,开展了不同磨料种类和不同靶距条件下,磨料气体射流冲蚀灰岩实验,采用电镜扫描冲蚀坑不同区域的冲蚀特征进行分析,结合离散元模型分析磨料在冲蚀灰岩过程中的运动轨迹,明确磨料气体射流冲蚀磨损特征以及反射磨料的作用。得出磨料气体射流冲蚀灰岩时,冲蚀坑的形态大致为倒圆锥形,在冲蚀坑底部存在环形平台,环形平台下面为类球体状的冲蚀坑底部。造成这种冲蚀坑形态的主要原因为磨料气体射流流场结构的特殊性,在磨料气体射流轴心和边界处存在环形区域,环形区域内没有磨料存在。轴心处入射磨料是形成类球体的主要因素,磨料反射后趋向环形区域运动,在反射过程中,扩大了类球体和冲蚀坑直径,并形成了环形平台。类球体底部是以入射磨料的冲击应力波导致岩石破坏,类球体侧面是反射磨料造成的多次塑性变形,环形平台处存在入射磨料导致的塑性变形和反射磨料导致的疲劳破坏,冲蚀坑侧面主要以反射磨料产生疲劳破坏为主。磨料硬度对煤岩体冲蚀磨损诱因和磨损破坏特征没有影响。但较硬磨料冲蚀煤岩表面具有更高的粗糙度,同时具有更高的破岩效率。     

磨料空气射流破煤冲蚀模型研究

进行预抽煤矿瓦斯时,采用水力化增透措施容易出现抱钻、塌孔等现象,降低瓦斯抽采率。为此,提出磨料空气射流破煤增透措施,提高钻孔利用率。为明确磨料空气射流破煤参数,采用ANSYS Fluent软件中的离散相模型对磨料粒子在喷嘴中的加速效果进行了计算,分析了空气压力、磨料密度和磨料粒径对磨料加速的影响,考虑了反弹磨料二次冲蚀作用,建立了磨料空气射流冲蚀能量方程;基于有限元和光滑粒子模型,采用LS-DYNA对磨料空气射流冲蚀煤岩体进行数值模拟,分析了射流扩散角和磨料的形状特性对煤岩体冲蚀的影响规律,建立了磨料空气射流冲蚀能量转化率方程;采用高压磨料空气射流实验系统,使用(Laval)喷嘴,在不同气体压力条件选用标准的180μm石榴石磨料对煤体、砂岩、灰岩和花岗岩进行磨料空气射流冲蚀实验,获取了单位能量破碎体积参数,建立了磨料空气射流冲蚀模型;采用控制变量法,进行磨料空气射流冲蚀灰岩的实验,利用不同影响因素对冲蚀效果的影响实验数据对冲蚀模型进行了修正;进行磨料空气射流冲击煤体实验,验证了冲蚀模型的准确性。对磨料空气射流冲蚀煤体体积模型进行了分析,结果表明影响冲蚀效果的因素权重依次为:气体压力扩散角磨料密度磨料粒径磨料形状;磨料空气射流破煤的最优射流参数为180μm石榴石、气体压力15 MPa、扩散角10.52°。在进行模型建立过程中,未将受压条件放入模型中,今后将会进行相关实验,把受压条件作为修正系数,进一步完善该冲蚀模型。     

磨料属性影响高压磨料气体射流破岩效果的理论及实验研究

为明确磨料粒径、密度和速度对磨料气体射流冲蚀率的综合影响规律,采用数值计算方法分析了磨料粒径、磨料密度、气体压力与磨料速度的耦合关系,确定了磨料速度的计算方程;在此基础上,基于弹塑性压痕断裂理论,建立了考虑时间因素的磨料射流冲蚀磨损率的理论计算模型,并利用高压磨料气体射流破岩实验结果对其进行了修正。研究结果表明,在固定气体压力条件下,冲蚀率随磨料粒径、密度的增加先增加后减小;粒径相较于密度对冲蚀率影响更为显著;在气体压力为20 MPa时,常用的磨料种类和粒径中80目石榴石为最优磨料;修正的磨料气体射流冲蚀理论模型数学形式简单,综合考虑了磨料的能量转化效率和磨料的破碎对冲蚀率的影响,与实验结果具有较好的一致性。     

高压水射流破岩能量耗散与释放机制

从应力-应变角度建立的高压水射流破岩准则,其精确度取决于对屈服应力的表述,由于表达式中不含材料参数,不能精确计算高压水射流破岩参数,而从能量角度建立的岩石强度理论具有更好的适用性和准确性。开展了基于能量耗散和释放机制的高压水射流破岩机理,理论研究了自由射流段速度分布特征,分别计算了等速核区和射流边界层扩展区动能,建立了不同靶距处射流动能计算模型。高压水射流冲击破岩能量表征为冲蚀坑的形成和岩体的体积破坏;射流能量耗散于剪切面的扩展和滑动,储存弹性势能的释放导致岩体的整体体积破坏。根据岩石的统一能量屈服准则,建立了高压水射流破岩能量准则。通过砂岩、灰岩和花岗岩的单轴压缩应力-应变曲线得出3种岩石的材料参数,计算每种岩石的剪切应变能和体积应变能,得出射流破岩临界速度。根据高压水射流冲击破岩实验结果修正了考虑喷嘴流量系数的高压水射流破岩能量准则,该准则能够较为精确的计算射流破岩速度。且岩体的破坏形态证明从能量角度研究破岩机理更为适合。     

磨料质量分数对预混合磨料水射流破岩效果的影响

预混合磨料水射流是突破煤矿深长钻孔内高效破煤岩技术瓶颈的有效技术，在坚硬顶板治理、沿空留巷和硬煤增透具有广泛应用前景。磨料质量分数是影响其破煤岩效果的重要因素。为明确磨料质量分数对磨料加速、分布以及冲击动能的影响，基于离散元的耦合模型(CFD-DEM模型),考虑颗粒间的摩擦、碰撞，添加颗粒相体积分数和动量源相，修正VOF多相流模型，开发用户自定义函数(UDF)通信接口，精确计算了磨料质量分数对磨料颗粒加速运动与分布的影响，准确描述了磨料粒子对水射流流场的影响。结合预混合磨料水射流破岩实验，得到了以下结论：在固定压力下，不同磨料质量分数的射流液固能量转化效率不同，导致磨料冲击动能不同。提高磨料质量分数，能够提高破煤岩效果，但存在最优值。每一压力条件下都有与之相适配的最优质量分数，此质量分数下能量转化效率最高，磨料冲击动能最大。如射流压力5 MPa时，80目(0.178 mm)石榴石最优质量分数为11%。同一质量分数下，提高射流压力可提高磨料冲击动能，但是能量转化率和利用率降低。提高压力使射流速度增加，曳力增大，但射流与磨料接触时间缩短，导致射流能量未能及时转化为磨料动能。相较于提高射流压...     

水下跨介质射流破岩性能试验研究

针对水下岩石破碎过程中存在环境阻力大、破岩效率低等问题,提出一种水下气体辅助水射流的跨介质射流破岩新方法。在分析水下气体辅助水射流基本特性的基础上,搭建了可模拟气体辅助水射流破岩试验系统,探究了工作参数和喷嘴结构参数对水下气体辅助水射流破岩性能的影响,结果表明：岩石破碎是由水相水锤压力与气相空泡溃灭微射流共同作用的结果。在研究范围内,气流压力小于0.4 MPa时,气相空泡溃灭微射流引发的岩石破碎对气流压力的变化更敏感,而大于0.4 MPa时,水相水锤压力造成的岩石破碎对气流压力的变化更敏感。外喷嘴收缩段结构的变化对空泡发育的影响与其对射流冲击动压的影响相比较小,增大外喷嘴出口直径,射流的集束性出现先增加而后减小的趋势;随着外喷嘴直线段长度的增加,水下气体辅助水射流中空泡发育程度逐渐增强,但由气、液动量交换和摩擦阻力引起的能量损耗随之增加。与普通淹没射流相比,气体辅助可使得水射流破岩体积最大提高约1.5倍,比能耗则降低40%。随着气流压力的升高,岩石破碎体积先增大后减小,最佳取值为0.4 MPa;延长冲蚀时间,岩石破碎体积随之增加且有逐渐减缓的趋势,冲蚀时间设为30 s可兼顾水下气体辅助...     

磨料射流束中磨料能量分布与切口形状的实验模拟研究

在研究磨料水射流对304不锈钢的切削过程中,发现切口形状与射流束中的粒子能量分布有很大关系。通过理论分析和数值模拟得出了粒子在射流束中的压力分布、速度分布和浓度分布规律。分析出射流束中粒子能量为双峰分布,同时通过Fluent仿真发现冲击过程存在水垫效应,磨料射流冲击材料表面时传递的能量是不均匀的,主要分布在距离中心一段距离的环形区域上。     

磨料水射流的切割机理

用磨料水射流对材料进行切割实质上是一个冲蚀作用过程。本文根据磨料颗粒对脆性材料的切割过程,研究了磨料水射流的切割机理,即对物体在磨料水射流冲蚀作用下表面所受的压力及分布、冲蚀破坏的方式及特点进行了探讨,并分析了磨料颗粒的密度、速度及尺寸对磨料水射流冲蚀能效的影响。     

淹没磨料水射流对花岗岩的冲蚀研究

为了探求水下破岩方法, 并最大限度提高大口径喷嘴用于水下破岩的效果, 利用磨料水射流系统, 结合淹没实验装置及其横向进给机构, 研究了靶距、压力、进给速度和磨料粒度等因素对花岗岩的冲蚀性能的影响。     

微磨料水射流对多晶硅切割的试验研究与模型分析

笔者根据材料冲蚀磨损原理,分析探讨了微磨料水射流切割多晶硅硅锭的机理。并运用后混合微磨料射流切割装置,对多晶硅硅锭进行了单因素切割试验,从而获得了切割性能曲线。研究结果表明,微磨料水射流对多晶硅的切割完全可行,射流压力和横移速度是重要的试验数据。通过对高压磨料水射流切割性能的预测和加工参数的优化,最终建立切割表面质量经验模型,根据模型分析得出射流压力、横移速度与切割质量之间的关系。     

煤矿井下危险环境磨料水射流切割技术探讨

对磨料水射流切割特性和机理进行了探讨 ,根据煤矿井下瓦斯爆炸的机理和对各种切割方法进行井下切割的利弊分析 ,说明了利用磨料水射流在煤矿井下进行切割的优点。并结合理论和实践经验 ,设计了适合于煤矿井下高瓦斯环境的磨料水射流切割系统。     

基于磨料水射流的多晶硅车削试验与建模

笔者通过进行磨料水射流车削多晶硅片的试验研究,说明了磨料水射流车切多晶硅这类脆性材料的可行性。磨料水射流车削多晶硅的表面质量主要受射流压力、进给速度、靶距和主轴转速的影响。在正交试验设计的基础上,采用回归分析方法,在磨料水射流车削多晶硅过程中,建立了主要加工工艺参数对表面粗糙度影响模型。通过对该模型的相关指标的分析表明,回归方程有一定指导意义。该模型为合理选择磨料水射流车削工艺参数提供了理论基础,在半导体制造业具有较大应用价值。     

准直管磨料射流喷头内流的数值模拟

基于多相流动的拉格朗日离散相模型，应用FLUENT软件对准直管磨料射流准直管静止不动、入口带圆锥收敛段的直管磨料喷头内部等温、不可压缩、稳态、液固湍流进行了数值模拟.连续相采用三维不可压缩稳态雷诺时均N-S方程，湍流模型采用标准的k-ε模型，代数方程组采用分离解方法，通过SIMPLE算法求解压力速度耦合；离散相采用拉格朗日方法追踪颗粒运动轨迹；收敛残差为10^-4.研究表明，喷头混合室内存在2个环形回流区，室内连续相呈非轴对称流动.当准直管磨料射流用于切割工作时，磨料入口应略靠近混合室的出口侧；用于超细粉碎工作时，磨料入口应略靠近混合室入口侧.     

高压水射流技术在煤层气开发中的应用研究现状及发展趋势

高压水射流技术是近几十年来发展起来的一项油气采掘增产技术,该技术在煤层气开发增产中具有诸多优势,但由于还并未形成一套完善的技术理论体系,该技术没有得到大面积推广。通过收集水射流技术相关资料,介绍了目前高压水射流破煤机理、喷嘴几何参数、磨料水射流、辅助破煤的研究进展,并对现有研究的不足以及今后的发展趋势进行了阐述。     

后混式高压磨料水射流磨料分布规律分析

为了提高带钢后混式高压磨料水射流除鳞清理效率, 设计了磨料分布测试装置, 以试件表面磨料冲击坑数量来表征磨料在射流横截面上的分布, 研究了靶距和工作压力对磨料在射流横截面上分布的影响。结果表明, 磨料在射流横截面径向的分布服从正态分布规律, 靶距增大会导致磨料分布范围增大, 分布分散化、均匀化, 且磨料的分布范围与靶距成一阶线性关系; 工作压力与磨料的分布范围成正比关系, 且提高工作压力会增大喷嘴混合腔中有效混合的磨料总数。     

基于ANSYS磨料水射流机床悬臂梁刚度的有限元分析

目前二维半磨料水射流机床大多采用悬臂梁结构。悬臂梁是磨料水射流切割头及其附件的重要承载部件,其刚度直接影响机床的加工精度。针对磨料水射流机床的悬臂梁进行了三维建模,并基于ANSYS对其进行了模态和频率响应分析。分析的结果为磨料水射流机床的减振、防振提供了理论依据。     

煤矿井下磨料水射流切割剩余能量的研究

针对煤矿井下进行磨料水射流切割的安全性问题,基于能量原理,建立了前混合式磨料水射流切割一定深度时的剩余能量方程。通过计算其剩余能量,可得到使被切割物料碎片产生温升的能量,进而可以判断该切割技术是否会引起爆炸,从而验证其安全性,为磨料水射流切割技术在煤矿井下的应用提供了理论依据。     

磨料射流钻割一体钻头研制及切割特性研究

详细说明了磨料射流钻割一体压控钻头结构组成及其工作过程,介绍了高压磨料射流切割煤岩原理,通过试验,总结分析了磨料硬度、磨料粒径以及磨料流量对钻头切割性能的影响。