磨料水射流预测方法及应用

工程3（2017）888研究隧道工程矿用磨料水射流性能预测的通用方法尤金·阿维林OOO Skuratovsky实验工厂，图拉300911，俄罗斯阿提奇莱因福奥文章历史记录：2017年3月22日收到2017年9月8日修订2017年12月5日接受在线提供2017年保留字：磨料水射流节能方法切割深度断裂力学启动速度A B S T R A C T磨料水射流（AWJ）可用于极端采矿条件下的硬岩破坏，因为它们能够有效切割难以加工的材料，而不会形成粉尘它们也可用于爆炸、固有和消防安全。每一种可破坏的材料都可以根据其断裂力学被认为是韧性的或脆性的因此，需要一种方法来预测使用AWJ的切割效率这个问题可以使用能量守恒方法来解决，该方法规定了材料去除体积与AWJ的动能之间的比例。本文介绍了一种基于这种方法的方法，以及达到最有效的销毁水平的建议。提出了磨料流速与水流速、间隔距离和磨料颗粒尺寸之间关系的合理取值范围的建议。我还提供了一个参数来建立一个材料的破坏启动的阈值条件的基础上的断裂力学的时间结构的方法©2017 The Beverly Hills. Elsevier LTD代表中国工程院出版教育出版社有限公司。这是一篇CC BY-NC-ND许可证下的开放获取文章（http：//creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。1. 介绍提高采矿机的效率和扩大其应用领域的需求已经到了紧要关头。还需要特别关注采矿设备的创建和开发，以提高技术和经济性能以及安全的劳动条件。水射流技术是满足这些需求的最有前途的解决方案之一。这些技术基于使用高速水流的能量在被破坏的材料内产生高于该材料强度的应力，从而导致裂纹的扩展和侵蚀[1，2]。水射流技术目前广泛应用于高科技行业[3-5]，它们还可以切割陶瓷、大理石和层状复合材料等难加工材料在采矿中，水射流技术允许以几倍的速度推进，从而提高生产率，并允许在不形成粉尘的情况下破坏坚硬的岩石，但具有爆炸、固有和防火安全性[6，7]。由于这些原因，水射流技术在极端采矿条件下和硬岩破坏中特别有用电子邮件地址：mail.ru这些技术的有效性随着向水流中添加磨料而急剧增加[6，8对于岩石破坏，磨料水射流（AWJ）最常见的用途是加工天然石材，特别是大理石和花岗岩[12，13]。也考虑了在地下采矿中应用AWJ的可能方法[6，14为了提高矿山工作过程的效率和安全性，在以下操作中使用AWJ是合理的：拆除工程（即，切割金属结构、铠装电缆、钢丝绳芯输送带等）;在安装紧固件时，对工作面预备工作面进行轮廓化;修复挖掘和恢复其横截面面积;用机械工具进一步破坏的放电槽弱化硬岩切割岩石和固体材料，包括极端条件下的高强度金属（在地质断层、破碎岩体等区域）; 和钻孔抽放瓦斯防治煤矿突出。从这份采矿条件清单中可以看出，不仅需要有效地切割岩石，还需要有效地切割金属、混凝土和其他具有不同物理和机械特性的固体材料。https://doi.org/10.1016/j.eng.2017.12.0042095-8099/©2017 THE CONDITOR.由爱思唯尔有限公司代表中国工程院和高等教育出版社有限公司出版。这是一篇基于CC BY-NC-ND许可证的开放获取文章（http://creativecommons.org/licenses/by-nc-nd/4.0/）。可在ScienceDirect上获得目录列表工程杂志主页：www.elsevier.com/locate/eng●●●●●●1/4秒u¼：..68049二十比五E. Averin /工程3（2017）888-8918892. 磨料水射流的基本原理d CP-Pcufð1Þ磨料与水混合形成磨料水射流有两种方式：直接泵送系统和夹带系统。在直接泵送系统中，磨料与水预混合以形成浆料，然后将浆料泵送并通过泵排出。喷嘴。在夹带系统中，首先通过孔口形成高压水射流;接着，磨料被夹带到水射流中以与其混合并形成AWJ。对于采矿条件，夹带-其中，Cs是经验参数，取决于材料参数f由以下等式确定：移动系统由于其相对便宜和紧凑，以及它们对移动设备的要求较低，2019-02 - 1600：09：00ð2Þ具体的金属切割量[17]。更准确地说，夹带系统中的AWJ形成如下：高压泵将水压缩到高压（140- 420 MPa）或超高（超过420 MPa）。 供水然后，系统将水输送到切割头，Chen等人进一步发展了这种方法[20]用于切割脆性材料铝陶瓷。该方法的主要特点是引入磨料流速，ma：forms.该水射流进入混合室。磨料也从容器中输送到混合室，d0 0101maP时间0： 78ð3Þ输送系统。在混合室中，水射流与磨料颗粒混合以形成浆料。然后，浆料进入混合室的会聚部分，并进一步进入准直器，在准直器中进行AWJ的最终形成。在与该技术相关的大多数计算中，可以忽略水的影响，因为水的主要功能是加速形成的AWJ内的颗粒，然后通过扩展所包括的参数数量，完成了该方法的后续开发例如，Wang[21]将射流直径dj和水密度qw添加到该方法中，并使用该方法预测聚合物基复合材料的切割效率，聚合物基复合材料是韧性材料。时间0： 407P将它们从被破坏的材料表面破坏-d¼0： 6267d uaqð4Þ带有AWJ的材料的分离主要是由流中磨料颗粒的冲击引起的[6]。因此，这个过程可以被描述为磨料颗粒和材料表面之间的相互作用。这种类型的相互作用取决于被破坏材料的类型，也就是说，取决于材料是韧性还是脆性。这种划分是由于基于断裂力学的材料韧性的现代概念。在这个概念中，破坏被认为是侵蚀的一种形式，它包括同时发生的变形，如弹性变形和约束变形以及开裂。现在可以使用断裂力学的临时结构方法在原子水平上定义某些载荷和环境条件下的材料类型[18]。脆性断裂与化学键的断裂有关，而韧性断裂是由于原子平面沿滑移面移动。由于这个原因，大多数具有各向同性特征的材料，其特征在于原子的随机排列，表现出脆性断裂。与此相反，具有晶体结构的固体，由于弹性变形消除了局部应力，连接很困难，大多数情况下表现出Duc- tile断裂。因此，在正常条件下，坚硬的岩石总是脆性的，而大多数金属是韧性的。3. 磨料水射流性能虽然破坏坚硬岩石被认为是AWJ在采矿中的主要应用，但该技术也可用于切割非岩石材料（如上所述）。因此，我们认为，J0： 637w虽然方程中的遍历速度指数。（3）和（4）与方程中的那些不同。（2）、对于某种破坏材料，前者更可靠，可视为常数[6]。因此，对于脆性材料，指数近似等于0.78，而对于韧性材料，指数约为0.64。两个方程中分数之前的常数值是某种材料的可加工性系数。来自参考文献[4]的以下公式可用于该系数的初步评估：Cs1/3： 626× 10-8expression-2： 448× 10-8rc cexpression5其中rc是单轴抗压强度。虽然Eq。（5）是非常有用的，优选的是使用回归方法检测感兴趣的特定材料的可加工性因子，这需要实验研究。众所周知，有效切削角取决于材料当切削角u为90°时，脆性材料的最有效破坏发生，而对于韧性材料，最佳切削角约为20°。为了考虑水射流攻角对切割效率的影响，设定了一个新的系数ku，其值可以在0和1之间。这样的系数是通过建立在广义实验数据[6，22-24]上的近似函数确定的[22]对于脆性材料：.. u-90一分七七！需要一种预测切割效率的方法与AWJ是高度准确的材料无关。这个问题可以通过能量守恒模型来解决这这种方法是基于这样一种假设，即ku¼ 0：99 exp-0：5 28：4对于韧性材料：ð6Þ材料去除量和动能之间的关系AWJ这种方法导致了几个半-ku ¼ 8437 sin.u = exp. -u7经验方法，允许确定各种材料的切削深度。这些方法中的第一种由Blickwedel等人[19]开发，并考虑了横移速度的指数特性及其对切削深度d的影响：当量（6）对于从0°到180°的值进行操作，并且Eq.（7）操作对于0 °到90°的值。下一个需要讨论的问题是磨料流速。对该参数的研究[255ut¼：20 639JcEr5 s51-m22q2东890号 Averin /工程部 3 （2017）888剩余水平，在该点切割效率降低。已确定最佳流速与材料无关。事实上，最佳流速取决于水射流能量到磨料颗粒的动量传递效率;也就是说，最佳流速是磨料流速ma与水流速mw的关系[29]。这种最优性意味着在给定条件下，切削过程以最小的比能提供最深的切削深度[6]。如参考文献[25]所示，最佳流速范围为ma/mw= 0.1-0.35。取决于磨料流速与水流速的关系的切割效率的函数是相当平坦的曲线（即，它不会从函数的两侧急剧增加因此，将磨料流速保持在使得关系ma/mw在所述范围内的水平上允许实现至少90%的最大切割效率。考虑到水射流的动能被有效地传递到磨料颗粒的事实，AWJ在离开工具后的速度是工具进入点处的水射流速度的一半[25]。因此，从水射流到磨料颗粒的动能传递的理论最大效率为25%。如果关系式ma/mw未保持在既定范围内，则磨料的实际动能小于AWJ系统中水射流总能量的10%[30]。水射流速度uw可通过下式计算方程式：这种方法的quent模式，包括Eq。（9），不包括阈值参数，显然，为了启动销毁，需要某些特殊条件已知[34]动态断裂（AWJ引起岩石破坏肯定是一个动态过程）不能根据经典断裂力学来预测。许多实验结果[35，36]揭示了与传统方法的矛盾（即，临界应力或临界应力强度因子概念），这只能通过静态方法不适用于动态问题来解释[37]。每个尺度水平上的断裂都是复杂动力学过程的结果，例如微裂纹的生长、扩展和接合[35，36];因此，它永远不应被视为瞬时事件。考虑这些微尺度过程是可能的，因此可以在框架内解决动态断裂的非线性问题。采用基于孕育时间s的断裂准则进行线性公式化的工作。这个标准最初是为了预测裂纹萌生动态条件下，制定参考。[38]. 它可以成功地用于预测脆性固体中的断裂起始[39，40]。孵育时间表征介质制备至断裂或相变的持续时间，并且是材料常数[41]。测量孕育时间的一种相对简单的方法是将其视为在远离断裂界面的点处张应力松弛所需的时间[37]。该标准使得可以获得在材料中引发裂纹生长所需的颗粒的阈值速度。被破坏的材料。对于韧性材料[41]，阈值uwls2Pð8Þ速度Vc可由以下公式估算：. R5pq1-m2其中，l是由于摩擦引起的速度损失的系数，水流和孔壁。上述发展导致了该方法的以下模式;该模式基于节能方法，并且可以推荐用于实际使用：Dl 2maPVc¼ 335：5 sE10其中R是磨料颗粒的介质半径，q是颗粒密度，m是被破坏材料的泊松比，并且E是被破坏材料的杨氏对于脆性材料[42]，阈值速度可通过以下公式估算：1/4qwdjufCsku9vuCCð11Þ当量（9）没有考虑重要参数，如磨料类型、磨料颗粒尺寸和间隔距离[31]。然而，这些参数可以通过建议的方式“引入”到方法中。在采矿条件下，磨料不可能重复使用，因此磨料的成本应尽可能低最合理的磨料材料这一建议得到了参考文献1中所[32]，其中52种类型的磨料与各种参数（成本，有效性，颗粒韧性等）进行了检查。与石榴石、贵橄榄石或金属丸不同，当用作磨料时，石英砂不能为加工材料提供高质量的轮廓关于磨料颗粒的尺寸，合理的值为0.1 mm至0.25 mm[6，33]。为了提供最有效的破坏，建议间隔距离为4在较小的距离处，带有磨料和破坏的材料颗粒的水的飞溅通过到达工具的输出孔口并导致其污染而阻碍有效切割。在更大的距离处，由于磨料颗粒与环境的相互作用（即，与矿井空气摩擦引起的能量损失）。注意，Eq。（1）载有启动销毁所需虽然subse-其中Jc是J积分的临界值[43，44]。通过将从方程（1）获得的阈值速度的估计值加倍，（10）或Eq.（11）-取决于材料的类型-为了计算水射流速度（如果完成了关于磨料流速与水流速的最佳关系的条件），可以使用方程（11）获得引发破坏所需的水压的（八）、5. 结论本文介绍了一种基于能量守恒法的预测AWJ切削韧性或脆性材料时的切削深度的方法。表1中提供了实验数据与使用代表方法获得的理论值的比较。为便于计算，水的密度qw取为1000 kg m-3;水流与孔壁之间摩擦引起的速度损失系数l为0.75;脆性材料的切割角为90°;韧性材料的切割角为20°。尽管该方法包括关于磨料流速与水流速的关系、间隔距离、磨料颗粒的尺寸和磨料类型的若干限制，但是这些限制导致最有效的破坏。qwV4.结果和讨论E. Averin /工程3（2017）888-891891表1各种材料切削深度的实验值和理论值的比较。材料（类型）rc（MPa）压力（MPa）dj（mm）U（mm·s-1）ma（kg·s-1）dexp（mm）dth（mm）R2大理石（易碎）27.250–1503.5-7.50.7-7.05–306–4106–4050.93石灰石（脆性）90.150–1503.5-7.50.7-7.05–3022–860.98花岗岩（脆性）115.550–1503.5-7.50.7-7.05–301.21.4-500.94铝（韧性）150.01750.60.3-1.748–9640–20048–2100.78dexp：实验切削深度;dth：理论切削深度a如果高横移速度和低水压同时发生，则不会发生破坏。因此，应将其视为不限制方法使用的建议，而是提供辅助信息以提高AWJ的生产率本文还讨论了一个参数，以确定启动材料破坏的阈值条件确认我要向我的导师Alexander Zhabin教授表示深切的感谢，感谢他给了我机会在必要的时候从事激励研究，指导和支持我，教我研究领域的相关知识，更重要的是，感谢他在我的博士研究期间的耐心和宽容。引用[1] 黄L，Folkes J，Kinnell P，Shipway PH. 钛合金在超高压水射流冲蚀过程中水滴冲击损伤的形成机理。 J Mater Process Technol 2012;212（9）：1906-15.[2] 孔MC，Axinte D，Voice W。普通水射流铣削γ钛铝化物材料去除机理的研究。JMater Process Technol2010;210（3）：573-84.[3] 水刀-一种创新的制造工具。J Mater ProcessTechnol 2009;209（20）：6181-9.[4] 王军。磨料水射流加工工程材料。 苏黎世：跨技术出版有限公司;2003年。[5] Albert M. 水 射 流 技 术 在 微 细 加 工 中 的 应 用 前 景 。 Mod MachShop 2013;85（10）：76-81.[6] 张文，等.磨料水射流切割岩石的试验研究. 莫斯科：采矿书籍; 2003年。 俄语.[7] MerzlyakovVG，Baftalovsky VE，Baydinov VN. 液压技术在矿山机械化中的应用。2010;6：2-6. 俄语.[8] Merzlyakov VG，Baftalovsky VE.开发和创建用于切割硬质材料的磨料水射流工具，并估算合理的工艺参数。2008;4：27-31. 俄语.[9] 发动机IC。预测磨料水射流切割天然石材深度的关联式。 S Afr J Sci 2012;108（9-10）. 产品编号692.[10] Hashish M，Steele DE，Bothell DH.超高压（690 MPa）水射流加工。《国际机床制造杂志》1997;37（4）：465-79.[11] 苏苏兹鲁T，胡格斯特雷AM，卡普肖夫斯基B. 700 MPa超高压水射流的初步研究。材料工艺技术杂志2004;149（1- 3）：30-6.[12] 放大图片作者：Aydin G，Karakurt I，Aydiner K.磨料水射流加工花岗岩切割深度的预测。Rock Mech Rock Eng 2013;46（5）：1223-35.[13] 放大图片创作者：KarakurtI，Aydin G，Aydiner K. 磨料水射流切割花岗岩深度的试验研究。 材料制造工艺2012;27（5）：538-44。[14] 放大图片创作者：Sitarama Chakravarthy P，Ramesh Babu N.磨料水射流切割最佳工艺参数选择的一种新方法。 Mater Manuf Process1999;14（4）：581-600.[15] KimJG，Song JJ，Han SS，Lee CI. 使用磨料悬浮水射流系统对混凝土和岩石开槽。 KSCE J Civ Eng 2012;16（4）：571-8.[16] 陆毅，唐杰，葛忠，夏斌，刘毅。磨料水射流辅助硬岩钻进技术。 Int J Rock MechMin Sci 2013;60：47-56.[17] 大麻M水射流作为一种工具。第14届国际会议论文集喷射技术;1998Sep21-23;布鲁日，比利时. 伦敦：专业工程出版社，1998年。p. 1-14号。[18] EvstifeevAD，Gruzdkov AA，Petrov YV. 断裂类型对温度和应变速率的依赖性。Tech Phys2013;58（7）：989-93.[19] Blickwedel H，Guo NS，Haferkamp H，Louis H.磨料射流切割性能和质量的预测。见：桑德斯D，编辑。喷射切割技术：第10届国际研讨会会议录; 1990年10月31日至11月2日;阿姆斯特丹，荷兰。London：Elsevier Applied Science; 1990. p. 163比79[20] Chen L，Siores E，Wong WCK.磨料水射流切割陶瓷材料的切口特性。国际机床制造杂志1996;36（11）：1201-6.[21] 磨料水射流加工聚合物基复合材料--切削性能、侵蚀过程和预测模型。Int J AdvManuf Technol1999;15（10）：757-68.[22] Ives LK ， Ruff AW. 侵 蚀 冲 击 部 位 变 形 的 透 射 和 扫 描 电 子 显 微 镜 研 究 。Wear1978;46（1）：149-62.[23] Hockey BJ，Wiederhorn SM，Johnson H.固体颗粒冲击对脆性材料的冲蚀。In：Bradt RC，Hasselman DPH，Lange FF，editors.陶瓷断裂力学，第3卷：缺陷与试验。北京：人民出版社，1978. p. 379-402.[24] 放大图片作者：Sheldon GL.名义上脆性材料在腐蚀切削时的韧性行为。J Eng Ind1966;88（4）：387-92.[25] Zhabin AB，Averin EA.水磨仪切削时切削深度计算方法的改进。2014;11：24-9.俄语.[26] 雅姿S.磨料射流切割和钻井的摇滚[论文]罗拉：密苏里大学;1989年。[27] 放大图片作者：J.工艺参数对磨料射流爆破性能的影响。见：桑德斯D，编辑。喷射切割技术：第10届国际研讨会会议录; 1990年10月31日至11月2日;阿姆斯特丹，荷兰。London：Elsevier Applied Science; 1990. p. 365比82[28] Chalmers EJ.参数选择对磨料水射流性能的影响。In：Labus TJ，editor.第六届美国水射流会议论文集;1991年8月24-27日;美国德克萨斯州休斯顿。圣路易斯：水射流技术协会; 1991年。p. 345比54[29] [10] LaurinatA，Louis H，Meier-Wiechert GA. 磨料水射流铣削模型。In：Hashish M，editor.第七届美国水射流会议论文集; 1993年8月28-31日;美国华盛顿州西雅图。圣路易斯：水射流技术协会; 1993年。p. 119比39[30] 大麻M磨料水射流加工中的压力效应。J Eng MaterTechnol 1989;111（3）：221-8.[31] Zhabin AB，Averin EA.磨料水射流冲蚀破坏岩石参数的系统化。2015;4：41-4. 俄语.[32] 赫斯林湾 关于磨料、工作参数和岩石特性对磨料高压水射流切割岩石时切割深度的影响的最新研究。在：伍德PA，编辑。会议录：第九届国际喷射切割技术研讨会; 1988年10月4-6日;日本仙台。Cranfield：BHR Group; 1988. p. 357比76[33] 大麻M磨料水射流性能优化方面。在：第八届国际喷射切割技术研讨会论文集;1986年9月9日至11日;达勒姆，英国。p.297-308.[34] 作者：Jiang Jiang，Jiang Jiang.结构材料裂纹对短脉冲载荷的响应。 J Mech PhysSolids 1983;31（3）：261-79.[35] Ravi-Pastar K，Knauss WG.动态断裂的实验研究I. 裂纹萌生和止裂。 Int J Fact1984;25（4）：247-62.[36] Ravi-Pastar K，Knauss WG.动态断裂的实验研究：III.稳态裂纹扩展和裂纹分支。Int J Fact1984;26（2）：141-54.[37] Kazarinov NA，Bratov VA，Petrov YV，Fedorovsky GD.从准静态拉伸强度实验估算断裂孕育期。Mater PhysMech 2014;19：16-24.[38] 彼得罗夫YV，莫罗佐夫NF。脆性固体断裂的模拟。J ApplMech 1994;61（3）：710-2.[39] 彼得罗夫YV。 在脉冲能量注入下连续介质中断裂和结构转变的孕育阶段。MechSolids 2007;42（5）：692-9.[40] Bratov V.有限元模拟的孕育时间断裂准则。Acta MechSin 2011;27（4）：541-9.[41] GorbushinNA，Volkov GA，Petrov YV. 颗粒几何形状对冲蚀损伤阈值能的影响。Tech Phys 2013;58（3）：388-92.[42] ZhabinAB，Averin EA. 磨料水射流冲蚀硬岩的基本计算方法。2015;5：44-8.俄语.[43] 切列帕诺夫连续介质中的裂纹扩展。J Appl Math Mech1967;31（3）：503-12.[44] 小赖斯路径无关积分与缺口和裂纹应变集中的近似分析。 J Appl Mech 1968;35（2）：379-86.