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摘 要：
高壓水射流技術是近三十年來發(fā)展起來的一項新技術，在采礦、冶金、石油、建筑、化工、市政建設及醫(yī)學領域得到廣泛應用并取得可喜的成果。從原理上講，它與世隔絕我國煤礦中使用已久的水力采煤技術基本相同，都是把具有一定壓力的水通過直徑較小的噴嘴形成射流，將這股射流作為工具進行切割、破碎和清洗物料。所不同的只是高壓水射流的水壓更高、噴嘴直徑更細而已。水力采煤中使用的水壓通常為5~15MP，水槍出口直徑為15~30mm；而高水射的水壓一般在30MP以上，有的高達數百兆帕，噴嘴直徑則在2mm以下，最小的可達0.1mm。因此高壓水射流可以在很小的區(qū)域內集中極大的能量，例如100MP的高壓水射流的能量束密度可以與激光束相匹敵。
本畢業(yè)設計題目是水射流采煤機切割裝置設計。主要闡述了高壓水射流技術在采煤機上的應用之背景，優(yōu)缺點和所需要解決的問題等方面的內容。
高壓水射流和采煤機聯合進行破煤是一門新技術，需要解決的問題還很多。本設計主要是關于噴嘴在滾筒上的布置，水路控制系統(tǒng)和高壓旋轉密封等方面作初步的嘗試。設計了一種用高壓水射流控制水路，水射流輔助截齒破煤的滾筒結構。
關鍵詞：水射流； 截齒； 噴嘴； 滾筒
1 水射流采煤綜述
1.1高壓水射流概述
煤炭作為我國一次能源的主體,它的持續(xù)、穩(wěn)定和協調發(fā)展,無疑具有重大意義。采掘機械的技術水平則是發(fā)展煤炭工業(yè)中的關鍵環(huán)節(jié)。加強采掘機械的科學技術研究工作是煤炭工業(yè)增產、節(jié)約能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的發(fā)展的重要技術手段。
高壓水射流技術是近幾十年來逐漸發(fā)展起來的一門新興技術。它的應用發(fā)展日趨成熟和廣泛。在這種形式下，人們試途將高壓水射流技術應用于礦山機械中，特別是采掘機械中，已經取得初步成果。這必將推動煤炭工業(yè)的進一步發(fā)展。
高壓水射流的基本原理是將具有一定的壓力水通過直徑較小的噴嘴形成的射流，并將這股射流作為工具進行破碎、切割和清洗等工作。一般水壓在30MP以上，而噴嘴的直徑僅在2mm以下。這樣形成的水射流具有極高的能量，從而具有很強的打擊力。高壓水射流系統(tǒng)一般有如下幾部分組成：
壓力源、噴嘴及其控制裝置和連接它們的高壓管以及其它。其附示意圖如下：
圖1-1
圖中，低壓泵2產生的低壓水在增壓器3中壓力增大到指定壓力值后，經過高壓膠管的傳送到噴嘴4形成高壓水射流。數控箱6操作噴嘴移動，從而完成各種切割工作。切割后的廢液經回收處理后排放。
高壓水射流在礦山機械中的應用，通過大量的實驗和研究，已經取得了初步的成果。特別是在水射流和機械刀具聯合切割破碎煤巖方面有深入研究。實驗證明，水射流和機械刀具聯合切割破碎煤巖比單純采用機械刀具破碎，切割具有無可比擬的優(yōu)點。是解決目前機械刀具采煤中所遇到的問題的有效嘗試。
1.2刀具采煤的弊端
目前刀具采煤法面臨的問題主要有以下幾個方面。
1）機械設備變得龐大而笨重。為了大幅度提高生產能力，采煤機的發(fā)展趨勢是提高傳動裝置功率，從而使得機械設備越來越笨重。如AM-500型采煤機，其功率是2*375KW，兩個滾筒中心距離達10m,總重量為32噸。不難想像，這么笨重的龐然大物在井下有限的空間里工作，對于巷道要求、支護、運輸等方面影響是很大的。
2）其次是截割阻力較大，機械的穩(wěn)定性和傳動零件強度儲備下降，造成了維護和檢修上的較大困難。
3）消耗量上升。大多數工作面，即使在正常工作條件下，每采1千噸煤消耗截齒達40~60個，因此截齒不能及時更換，變鈍了的截齒使采煤機比能耗上升，生產能力下降。機器動載荷加大，出現很高的事故率。
4）勞動環(huán)境惡劣。機械刀具切割破碎煤炭，造成的礦塵污染十分嚴重。雖然采取了噴霧滅塵等措施，但其效果并不理想。井下工人的塵肺病發(fā)生率是比較高的。還可能造成的問題是，截齒摩擦生熱引起燃燒或煤塵、瓦斯等爆炸災害也時有發(fā)生。
以上幾個問題在水射流和機械刀具聯合切割破碎中，可以得到緩解。這在后面的還將提到。
1．3 DY---150采煤機設計參數及水射流的優(yōu)點
本畢業(yè)設計是將高壓水射流應用于滾筒采煤機上，高壓水射流引入到滾筒采煤機之上和截齒配合破碎煤層。如圖所示：
1 噴嘴
2截齒座
3高壓管
圖1-2
4相位閥
設計基本要求和參數：
噴嘴數：2個
高壓水射流壓力：30MP
噴嘴直徑：d=1．5mm
采煤機型號：DY—150
DY—150型采煤機基本參數：
采高：1.3~2.5m
截深：0.6m
滾筒直徑：1.25m ，1.40m
滾筒轉速：63r/min
牽引速度：0~6m/min
牽引力：120KN
裝機功率：150KW
機重：12．5T
主要特征：單滾筒，液壓有鏈牽引。
水射流采煤機具有以下優(yōu)點：
1） 由于水射流的輔助破碎作用，截齒受力可顯著降低，因而降低了截割部的電機功率。一般功率可降低30%~60%，其生產能力可提高35%~40%。
2） 射流對煤體的濕潤和對截齒的冷卻作用，極大地提高了截齒的使用壽命，以及采煤機的工作效率。
3） 射流具有明顯的降塵作用，比噴霧滅塵等措施降塵效果要好得多，大大地改善了采煤工作面的環(huán)境。并且水射流還能抑制截齒切割時因夾矸而導致的產生火花現象。從而有利于安全生產。
4） 射流的輔助破碎作用避免了切割刀具對煤體的大量粉碎性破壞，從而大大提高了煤質的塊度。這對企業(yè)的經濟效益提高有很大意義。因為煤的塊度越大，其銷售價格越高。通常6nm以下的粒徑的碎煤占總量的35%~40%，如果引入高壓水射流進行聯合破碎切割，可使之降到15%左右。
以上是從優(yōu)點方面說起，不過凡事有利必有弊。水射流技術應用于采煤機畢竟還處于起步階段。很多問題急待解決。如高壓管路的拖曳，高壓旋轉密封的耐壓能力和使用壽命，比能耗較大等等。
高壓水射流技術的進一步發(fā)展，必將使上述問題得到有效解決。從而使水射流技術更加廣泛地應用于礦山機械領域，為我國煤炭工業(yè)現代化作出重要的貢獻。
2 水射流性能簡介
2．1 非淹沒式水射流
這里簡要介紹一下采煤機上應用的非淹沒連續(xù)式水射流性能。所謂非淹沒式即指水射流在大氣中工作，也稱作氣水兩相射流。
一、氣水兩相射流的水動力學結構如下圖，氣水兩相射流有三個部分組成：
圖2--1
1---噴嘴 2---噴嘴內主流 3---噴嘴內邊界層
4---射流初始段 5---射流主體段 6---正激波陣
7---打擊區(qū) 8---卸 載 波 陣 9---膨 脹 區(qū)
10---靶 體
Ⅰ 部分是射流的上游，即噴嘴內部的流動；
Ⅱ 部分是非淹沒自由射流；
Ⅲ 部分是射流在靶體表面上的流動圖形。用以描述射流和靶體之間的相互作用。
二、下圖是射流的水動力學結構。
圖2--2
2.2 非淹沒射流的動力特性
水射流動壓P=，是射流內單位體積的流體所攜帶的能量。它含有密度和速度兩個參數，綜合體現了射流速度衰減以及卷吸空氣量的變化規(guī)律。動壓是水射流最基本的也是最重要的參數。
1 ）射流在噴嘴出口處的動壓
P0=
---噴嘴出口和入口動壓
---速度系數
由上可知,由于水射流在噴嘴內部流動的能量損失使得噴嘴出口壓力小于噴嘴入口壓力。
2）射流基本段上的動壓分布：
由實驗可以證明：射流基本段上各截面的動壓分布可用下式表示其規(guī)律：
f（η）=（1-η1。5）2 式中
上式也可以用于初始段之內，只是把核心段邊界作為計算徑向距離的起點即可。
3）射流軸心動壓的衰減
射流軸心上的動壓在核心段內保持不變，只是越過核心段以后才開始衰減。為了簡化研究，一般有以下五種假設：
（1） 不存在水射流卷吸作用引起的氣水混合；
（2） 射流邊界及截面上的靜壓為大氣壓；
（3） 射流在噴嘴處（出口處）為均勻流；
（4） 不存在影響射流的外力，重力忽略；
（5） 射流與周圍氣體之間不存在能量損失。
根據上述理想假設，我們可以通過射流動量守恒來分析軸心上射流動壓分布衰減規(guī)律，并可以求出初始段長度。在噴嘴出口處和基本段內各取截面分析，兩截面處動量守恒。
J0=Jx
J0=
Jx=2
引入無量綱徑向距離：
注：d---射流直徑;
X---離開噴嘴處距離;
k---系數，和噴嘴有關0.12~0.18.
則可得到：
射流初始段長度XC,揭示了水射流內在規(guī)律,簡化了水射流特性研究.由以下諸式不難求出:
2．3 射流參數與計算
1）水力參數計算：水力參數主要有驅動壓力、流量、功率等等；其中對任何水射流工藝系統(tǒng)來講，合理地選擇驅動壓力是一個關鍵性問題。
當壓力確定后，可以根據水力學公式計算其它的水力參數。一般有：
P---射流驅動壓力，MPa
D---噴嘴出口直徑，cm
Q---噴嘴流量，l/min
W---射流功率,KW
μ---射流的初始速度，m/s
射流的反噴力可估算出來:
F=2PA*102N
A---噴嘴出口截面積(A=)
2）切割參數計算:
根據具體的射流工藝系統(tǒng),有如下切割參數:
(1) 靶距:指噴嘴出口截面到工件表面之間的垂直距離,通常由實驗確定之。一般不能使噴嘴離切割目標致太遠。
(2) 進給速度：指噴嘴與工件之間的相對速度，噴嘴和工件（切割目標）之間的相對運動。一般有：平動、轉動、擺動、振動等等。一般可直接測出或根據工作條件等計算出來。
(3) 切深（切寬）：指射流一次切割工件的浸深或切割寬度，可以測出。
(4) 射流打擊力：射流對工件的打擊力，與靶距有關。
(5) 破碎體積：V=bhv cm3/s b---切割寬度,cm h---切深, cm v---進給速度,cm/s
(6) 比能耗：切割或破碎單位體積材料所消耗的能量。即E=N/V J/CM3
比能是水射流工藝的綜合質量指標。它反映了水射流系統(tǒng)的合理性及技術水平。
根據以上公式，現將本設計有關計算列出：
3 水射流與機械刀具聯合切割機理
3．1 聯合切割機理
原始采煤方法，是手工辦法 后來發(fā)展到炮采，隨著技術進一步提高，現在較普遍的是機械化采掘。用機械刀具破煤。如刨媒機，鏈式刀具的截煤機和滾筒采煤機等。又有液壓支架等頂板支護設備和運煤 裝煤的刮板輸送機等。總之，采煤工作面的綜合機械化發(fā)展水平已經比較先進了。
不過刀具采煤法所面臨的問題是比較多的，這在第一章已有表述?，F在人們嘗試用水射流和機械刀具聯合破碎切割煤炭，已經取得初步成果。試驗證明，高壓水射流和機械刀具聯合進行切割破碎煤巖等堅硬、脆性材料的有效辦法。
巖石通常被認為是一種具有微裂紋或不連續(xù)而構造特殊的物質。很容易受到縫隙水壓力的影響。當具有高壓力梯度的水流作用后，水會滲于孔隙之中而急劇影響到巖石的應力場，從而削弱巖石的強度。當高壓水射流侵入刀具作用后產生的巖石裂紋后，射流的動壓將轉化為靜壓，使巖石裂紋擴展。因此這種作用不同于一般水流的沖蝕作用，而直接與巖石抗拉強度建立函數關系。這樣所需水射流壓力很小。反之，如果單純采用水射流切割破巖，往往耗能較大，不夠經濟。所以一般采用水射流和機械刀具聯合的辦法
3．2 水射流和機械刀具聯合兩方法
根據不同結合方式和各自特點，可分為兩種辦法：
一、水射流輔助截齒破碎法：
這種辦法一般是水射流和截齒之間有一定距離。水射流破煤過程不受截齒影響，而截齒則是在水射流進行預切割之后，擔當破煤的主要任務。水射流的功能僅僅是進行預切割，只為截齒破碎創(chuàng)造有利條件。如下圖所示：
3
1
2
4 5
圖3--1
1、噴嘴 2、水射流切槽 3、圓盤滾刀
4、破碎塊 5、未完全擴展裂紋
二、水射流與截齒結合破碎法
這種辦法是水射流和截齒同時截割破碎煤層，兩者一般相距較近，在1~2mm之內。兩者的破碎溶為一體。當截齒的作用使得微裂紋穩(wěn)定擴展到宏觀裂紋時，水射流搶先一步進入裂紋，作用在裂紋內的靜壓力迫使裂紋撕開，煤巖得到破碎。由此可見，水射流作用已不是單純怕預切割了，而是利用水楔作用，進一步降低截齒切割阻力。水射流和截齒相互依賴，共同完成碎煤過程。
這兩種辦法，從切割效果講，后者要強。不過,結合破碎方法要求射流和刀具作用點很近,使得截齒,噴嘴設計比較困難.輔助法則比較簡單,特別噴嘴數量要求可少些,這對于結構布置提供方便。因此本設計采用輔助破碎之法。
3．3水射流與刀具聯合破煤的特點
高壓水射流切割煤體的特點，特別是水射流與刀具聯合破煤的特點可概括如下：
1）明顯的降塵效果。高壓水射流的降塵機理包括兩個方面。一方面是水射流對煤體的滲透濕潤，減少了刀具截煤時粉塵生成量。另一方面是水射流依靠擴散，反彈產生水霧，射流流量集中，壓力高速度大，使截割區(qū)的相對濕度達到100%，這些水霧可捕捉空氣中的粉塵。下面是效果統(tǒng)計表：
表3--1水射流與刀具聯合落煤降塵效果表
礦井名稱
機組名稱
射流壓力
kg/cm2
最大粉塵含量（mg/m3）
平均粉塵含量
淮南謝一礦
MLQ-80
350
27
12．3
美國匹茲堡
F6--A
220~650
8．8
4．2
礦井名稱
K3—3M
300
18
12．8
棗莊八一礦
旋擺式水機落煤器
500
小于10
2）機器重量輕，體積小，穩(wěn)定性好。
水射流落煤裝置沒有復雜的機械傳動系統(tǒng)。零件少，系統(tǒng)簡單。另外即是射流落煤時，反作用力極小，由于第二章可知：反作用力F=2PA，如果射流壓力是35MPa，噴嘴直徑2mm，那么F只有30公斤力左右。因而機器的穩(wěn)定性極好。采用機械式落煤，由于受到反作用力很大，不得不將機器做得笨重粗大，以增加工作穩(wěn)定性。
3）大塊煤率高。高壓水射流在煤體中切割出一定數量的裁縫后，煤體被分割成若干懸臂煤柱而大塊垮落。難以垮落的煤則截齒輔助切割，這時刀具受力小，因而粉煤和碎煤較少。
4）能耗小，比能低，技術經濟效果好。在試驗初期，水射流耗能較大，但近幾年來已有所改善，大量研究和實驗證明，水射流破碎煤巖的能量損耗不一定比刀具高。
3．4 校核參數條件
水射流有效切割水射流參數是有條件的,一般有以下幾個方面須得到滿足：
1）足夠的射流壓力：一般可以計算出來。
① 求出射流對打擊物形成有效破碎坑必需的速度V0：
V0≥ 單位: m/s
V0—射流流速， m/s
δ—煤的單向抗壓強度 N/S2
γ__沖擊時煤的強化系數 γ=1.3左右
ρ0___水的密度 ρ0=1000kg/m3
C0____靜止水中聲速 C0=1500m/s
ρ2____煤的密度 ρ2=1300kg/m3左右 C2—煤中的聲速， C2=1127~1619m/s 取C2=1300m/s
K0—水的倍增系數，k0=2
當煤的普氏硬度f=1時，
求出射流壓力值,由伯努利方程：
相當于55MPa。
同樣可以計算出f=0.5時,P=27MPa左右。
本設計取P=30MPa,適合于f=0.5～1之間的煤。
②水量:水量受功率和煤水比等限制。為了降低功率,盡量應降低水量,同時煤中含水量也不可過大。
③水射流移動速度:
水射流有效作用時間為2—5毫秒，超過此時間，就會產生所謂“水墊”現象，切割效果降低。為此確定一個合理的水射流和煤體之間的相對速度，提高落煤效率是很重要的。一般取
12～4.8m/s。
由DY—150型滾筒轉速等參數：
可計算出 V=
可見基本上合格,滿足要求。
4 高壓水射流采煤機水路控制系統(tǒng)
4．1 閥控水路系統(tǒng)
高壓水射流破煤時，容易浪費能量。只要射流從噴嘴噴射出來，不管是否切割煤壁，也不管它與煤壁之間距離多大，它總是經額定功率運行，不象刀具破煤那樣，如果刀具不工作，那么“空運轉”時消耗的能量是很小的。為此，采用水射流切割煤體，應避免“空運轉”，即當沒有進行切割破碎時，射流不噴射。同時為了工人的安全起見，也要求水射流只能朝著煤壁方向噴射。
為了以上所述的目的,必須對水路加一控制系統(tǒng),一般是通過閥來控制射流的噴射。一般有三種閥:
1）半圓周相位配水閥 這種制控方法一般是利用凸輪驅動截齒閥——滑閥或錐閥的開啟與閉合。使?jié)L筒上的水射流只能在半圓周內噴射。使用這類配水閥必須嚴格保證閥芯的運動和滾筒的旋轉完全匹配，并且要對每一個水射流噴嘴進行單獨控制。
見下圖所示：
圖4--1
2）截割力控制閥：這種控制方法一般是利用截齒破碎煤巖的切割阻力來控制供水閥的開啟，也就是說只有截齒在切割煤巖時，它附近的水射流才向外噴射。
如圖所示：這兩種方法一般來講，安全性不是太高，現在本設計用的是電磁閥控制，同時通過感應截齒來控制電路的閉合。
圖4--2
3）電磁閥控制：當感應截齒受到一定阻力時，就會接通電路，從而使電磁閥打開，水射流就噴射。原理圖如下：
圖4--3
當從外面引入電源時，由于滾筒是旋轉的。這樣就存在著如何從靜止電源引入到到旋轉部件上去的問題，受到直流電機原理的啟發(fā)，這里采用了一種電刷裝置。如下圖所示：
圖4--4
圖中絕緣套和軸一起旋轉，電刷不動。具體可參看裝配圖。
4．2設計內容
本設計中用到的電磁閥，開關按鈕等沒有產品，需要特制才行。特別是電磁閥，要求耐壓值很高。這些產品還需一定的壽命，一般要經過壽命試驗合格才能用?？傊?，本設計中須解決的問題可以歸納為以下幾個方面：
1）需要各種高壓泵。
2）需要能滿足相應壓力的高壓橡膠軟管。
這兩點問題都不太大。主要是下面兩個問題。
3）高壓回轉接頭是關鍵部件。要求耐壓高，而且密封性能好，壽命長。這不容易做到。
4）研制簡單，實用可靠的自動噴射裝置。要求體積小，密封性好，耐壓和動作靈敏，壽命長。象本設計中用到的電磁閥——感應截齒控制系統(tǒng)，效果還不太理想。
5 高壓旋轉密封結構
5．1 幾種密封裝置
當被連接的兩個高壓元件之間有相對的旋轉運動時，需用到高壓旋轉接頭。就是將高壓水引入到旋轉部件的問題。本設計是將高壓水引入到旋轉的滾筒之中。高壓旋轉接頭要求耐壓高，密封性能好，壽命長。首先要解決的是如何在高壓力且有相對運動的情況下的密封問題。
下面介紹幾種密封結構，從而探討各自的原理。
一、KQJ—1型礦車清洗機中的高壓旋轉接頭
KQJ—1型礦車清洗機中的高壓旋轉接頭，其工作壓力是15MPa，相對旋速是200~300rPm。為了降低旋轉軸和橡膠密封圈之間的摩擦阻力，提高使用壽命，在它們之間加了一個聚四氟乙烯滑套。工作原理：在液壓作用下”O(jiān)”型密封圈產生變形，并擠壓滑套，使它貼緊轉軸，從而起到密封作用。
這種結構用于壓力不太高的情況下，下面介紹一種相對高一點的壓力下的旋轉接頭。
圖5--1
1---O型密封圈
2---旋轉軸
3---聚四氟乙烯滑套
二、RH—25型半煤巖巷道掘進機旋轉接頭
RH—25型半煤巖巷道掘進機上使用的旋轉接頭，其工作壓力70MPa，旋轉速度50rPm。使用壽命可達1000小時。工作原理：在液壓作用下，中間的支承墊向外側滑動，使鼓形密封圈受擠壓，產生徑向變形，起到密封作用。這種密封作用能夠自動補償徑向磨損間隙。
在超高壓系統(tǒng)中，廣泛采用金屬組合密封。下面介紹的就是一種這樣接頭。
圖5--2
1. --------- 腔體
2. ---------端盤
3. ---------彈簧
4. ---------支承墊圈
5. ---------鼓形密封圈
6. ---------墊片
7. ---------O型密封圈
8. ---------固定螺栓
9. ---------旋轉軸
10. ---------擋板
三、金屬組合密封。
這種密封的特點是；摩擦阻力小。而且金屬密封圈與旋轉軸之間可以自動進行補償。其結構原理圖所示:
圖5--3
1. ---------腔體
2. ---------旋轉軸
3. ---------靜密封
4. ---------高壓管
5. ---------密封套
在液壓力的下。“L”型金屬密封圈向外移動壓縮橡膠密封圈，橡膠密封圈的變形使”L”型金屬密封圈始終緊貼轉軸，起到密封作用。
羅賓斯73－114型巖石掘進機刀盤作用的高壓水旋轉接頭原理和上面所述相同。如圖所示；
圖5--4
1. ---------固定件
2. ---------擋圈
3. ---------O型密封圈
4. ---------金屬密封圈
5. ---------擋圈
圖中1是固定件,其它是旋轉件.
其工作壓力近400MPa,高壓水產生的推動力，通過滾柱軸承傳給固定件。2、3.4.5構成組合式自緊密封。
四、雙錐密封
如圖，這種密封工作壓力可達700MPa.
圖5--5
1. ---------止推軸承
2. ---------壓力釋放孔
3. ---------放水孔
4. ---------殼體
5. ---------軸環(huán)
6. ---------雙錐密封
7. ---------防松螺帽
8. ---------高壓管
9. ---------直角配件
10. ---------固定螺釘
擰緊固定螺釘，通過止推軸承和軸環(huán)將力傳給軸，使之壓在雙錐密封上，因而殼體和軸之間形成密封。在高壓水作用下，軸和殼體與雙錐密封體之間產生分離作用,從而減少了密封摩擦。由于雙錐體是硬金屬制造的，摩擦系數較小，使用壽命較長，分離作用造成的附加軸向力由止推軸承承受。若發(fā)現有少量泄漏，可適當調節(jié)固定緊螺釘。
5.2 本設計的高壓旋轉密封結構
通過以上幾種高壓旋轉密封接頭的結構分析，我們不難發(fā)現其工作原理都是相似的。一般都是利用高壓水產生的壓力使密封件貼緊旋軸，壓力水的壓力越大，這種貼緊力也越大，從而解決了壓力水的壓力越大越易泄漏的矛盾。不過帶來一個問題就是摩擦問題，一般是通過利用摩擦力小的材料制成密封件來解決這個問題。如聚四氟乙烯，各種合金等。
受到這些原理的啟發(fā)，本設計用的高壓旋轉接頭結構如下圖所示；由于本設計的工作壓力只有30MPa，因此設計的結構不必太復雜。如圖所示：
圖5--6
1、 ---------外殼
2、 ---------O型密封圈
3、 ---------金屬擋圈
4、 ---------聚四氟乙烯滑套
5、 ---------擋圈
6、 ---------旋轉軸
6 高壓水射流噴嘴結構設計
6．1 噴嘴作用
噴嘴是高壓水射流發(fā)生裝置的執(zhí)行元件。噴嘴的作用是通過噴嘴內孔橫截面的收縮，將高壓水的壓力能聚集起來，并轉化為動能，最后以高速水射流的形式向外噴出，用以對工件進行作業(yè)。噴嘴又是射流切割、破碎與清洗工藝的執(zhí)行元件。一個連續(xù)水射流噴嘴，例如水力采煤、船體清洗、高壓噴射鉆井等場合使用的噴嘴，它傳輸的長時功率高達102至103KW。而脈沖水射流噴嘴所傳輸的瞬時功率則是104至105KW。因此，噴嘴的能量傳輸效率始終是水射流切割、破碎與清洗工藝的技術關鍵問題。
6．2 連續(xù)高壓水射流噴嘴種類。
按噴嘴內孔橫截面的形狀，可分為圓錐收斂型噴嘴，圓錐帶圓柱出口段型噴嘴和流線型噴嘴。
圓錐收斂型噴嘴,比較容易加工,但射流的密集性較差,常用于對水射流射程要為不高的場合.
流線型噴嘴雖然流量系數較大,能量損失小,但加工困難,很難達到原設計要求的形狀。目前仍處于實驗階段，很少應用于現場。
圓錐帶圓柱出口段型噴嘴是在圓錐收斂型噴嘴的基礎上發(fā)展起來的，圓柱出口段的增加，能提高其流量系數，改善射流性能，是目前最常用的一種。
6．3 對噴嘴的質量要求
噴嘴質量的好壞，直接影響水射流的品質和效率。一般對水射流噴嘴有如下要求：
（1） 保證射流具有適當的功能；
（2） 射流的密集性比較好，保證射流具有較遠的射程；
（3） 應具有一定的壽命；
（4） 拆卸，維護方便；
（5） 成本低。
6．4噴嘴設計原理，小孔出流基本理論。
1） 薄壁孔口出流
如圖所示：水箱中的水從四面八方向孔中匯集流出，由于流體質點運動時的慣性，當繞過孔口邊緣時流線不能折角改變方向，只能漸漸彎曲，于是水流經過孔口斷面后仍繼續(xù)彎曲向中縮。
圖6--1
實驗證明,在距孔口 處(d為孔口直徑),流束斷面收縮至最小。利用伯努利方程可以求出斷面C處的流速VC和流量QC。
Vc=
QC=ΜQ0
速度系數,孔口出流時取0.97~0.98;
流量系數,孔口出流時取0.60~0.62;
流速斷面收縮系數,一般為0.62~0.64;
理想流出量;
由此可見，薄壁小孔出流的速度系數較高，但由于出流斷面收縮，其流量系數過小。
2） 短管出流
如圖所示，在孔口處接一個長L=（3~4）d的圓柱形短管。這樣，流入短管的水流首先產生斷面收縮，而后流束將逐漸擴大，至管出口處將充滿短管而流出。
通過水力學計算可以得到：速度系數 =0.82
圖6--2
流量系數μ= =0.82。這是因為短管出口為滿流無法斷面收縮?？梢?，短管出流流量系數比薄壁孔口出流高。
3） 噴嘴出流
在高壓水射流系數中，噴嘴直徑很小，而高壓管路直徑比較大。如果把噴嘴與高壓管路直徑連起來，會使噴嘴出口前阻力損失加大，從而降低了噴嘴出口處的壓力，同時還會出現如短管出流圖中所示的旋渦低壓區(qū)。這個旋渦低壓區(qū)的壓力低于大氣壓，形成一定的真空度。由流體力學可知，真空度隨著水壓增大而增大。當真空度過大時，會從出口處吸入空氣，破壞了流束狀態(tài)。因此，用一定形狀的噴嘴，使高壓管路截面連續(xù)均勻地過渡到出口面積。顯然，最佳噴嘴形狀是流線型的。但由于難以加工，目前工程中使用的水射流噴嘴多是出口帶圓柱段的錐形收斂形噴嘴。
4）噴嘴出口速度，流量及速度，流量及直徑計算公式：
已知P和Q,則
6．5 噴嘴的基本結構和材質
如圖所示：這是噴嘴的基本結構
圖6--3
流量系數和圓錐角2密切相關。可用曲線表示如下：
流量系數和圓錐角關系曲線
圖6--4
由圖可見流量系數的最大值相應于2=132 ，一般取2=12~14。
噴嘴的材質選擇要根據不同條件而變化。如用于清洗，切割的水射流噴嘴，壓力很低。一般可采用成本較低，容易加成形的材料，如銅、不銹鋼、軸承鋼、滲碳鋼等。而對于那些精密切割，超高壓系統(tǒng)中的水射流噴嘴，由于噴嘴要支稱高壓和高速水流的作用，要噴嘴具有足夠的機械強度和耐磨性，以及耐腐蝕性。一般采用碳化鎢硬質合金，金剛石或人造寶石等材料。
6．6 噴嘴各參數對水射流性能的影響
1）圓錐段收縮角大量的試驗表明：當噴嘴的收縮角很小時，射流密集性比較差，而且噴嘴的軸向尺寸很長。隨著收縮角的加大，出口邊界層厚度減小，因此射流的密集性是隨著收縮角的增加而減小。由此可見，為了保證射流的切割能力，收縮角有一個最佳值。
另外,由于噴嘴的收縮作用,當加速因子達到一定值時,噴嘴內的阻力會下降,出現類似層流的阻力現象,這種現象稱為層流化現象。加速因子k為：
k=dy/dx
k---加速因子
r---流體運動粘度
v0---噴嘴內核心區(qū)速度
v---邊界層中流體流動速度
x---射流離開噴嘴出口的距離
考慮以上諸因素,一般取收縮角為：13~14之間為好。
2）噴嘴出口圓柱段長度：
通過大量試驗分析表明：隨著圓柱段長度的增加，出口速度隨之增加，而射流的密集性的長度卻隨之而減小。因此噴嘴出口圓柱段長度也存在著一個最佳值。
另外，噴嘴圓柱段收縮角的大小及流體流動條件，對圓柱段的最佳長度是有一定影響的。考慮到這些因素，一般取圓柱段長度為噴嘴出口直徑的2.5~3倍最合適。
3）噴嘴內孔表面的粗糙度
噴嘴內孔表面的粗糙度是決定射流品質和噴嘴的壽命的重要因素。噴嘴內孔表面微小的凸凹不平,會導致射流產生較大的初始擾動,這種擾動將引起流體的壓力波動。在高速射流中，這種壓力波會引起嚴重的局部空穴現象，如果噴嘴的材料硬度不足，噴嘴將遭到破壞。
對噴嘴內孔加工粗糙度的分析其變化情況表明：
隨著粗糙度的增加，射流出口邊界厚度增加，出口速度減小，加速因子減小，同時噴嘴內產生分離的可能性增大，層流化的可能性變小，射流的密集性和切割能力變差。因此，噴嘴內孔表面是越光滑越好。
對于鋼制噴嘴和碳化鎢噴嘴，圓錐內表面的粗糙度最大允許值為0.2um，圓柱段內表面的最大允許粗糙度為0.1um。
6．7失效形式：
噴嘴的失效形式主要表現在以下幾個方面：
1）在一定的靶距上，射流的打擊力下降超過允許值；
2）在一定的靶距上，射流的擴散超過允許值，即射流發(fā)生了散射；
3）噴嘴破裂。
高壓水流經過噴嘴斷加速，由于噴嘴內表面的影響，水流邊界發(fā)生撓動，待流到高速區(qū)時，逐漸形成渦流，同時由于噴嘴出口的收斂作用，在噴嘴出口圓柱段內也將產生渦流區(qū)，這些都能使高速水流產生氣穴，并對噴嘴口內壁產生氣蝕。隨著氣蝕作用的不斷發(fā)展，使噴嘴出口內表面的粗糙度不斷增大，同時橫斷面積增加，以致出現嚴重磨損狀況。
從噴嘴噴射出的高壓水射流，由于在噴嘴內部受到某種干擾，加之在噴嘴出口處又卷入了部分空氣，將使水射流發(fā)生擴散。隨著氣蝕損傷的發(fā)展，加劇了射流的擴散作用，且主射流的擴散超過允許值。這時噴嘴出口往往出現單邊磨損的現象，加速了噴嘴的失效過程。
噴嘴磨損以后，不僅使射流發(fā)生散射，而且在流量不變的情況下，將使射流噴射壓力降低，從而減小了射流的打擊力。這樣也會導致失效。
有時，噴嘴受到的液體腐蝕作用也不可忽視。
6．8 本設計中的噴嘴
由于本設計中噴嘴工作壓力不大，并且數量較小，考慮這些因素，材料可用不銹鋼。但最好用碳化鎢合金。雖然價格貴些，但數量為多。
2=13 d=1.5mm圓圓柱柱出口段長度L=4mm
考慮到具體工作環(huán)境,結構如下：
（和基本結構稍有不同）
圖6--5
7 滾筒結構參數
螺旋滾筒一般有葉片，端盤，筒轂三部分組成。
對螺旋滾筒一般有如下要求：
1）比能耗低；
2）滾筒所受阻力幅值變動量??；
3）具有一定的可靠性；
4）自行切入煤壁之能力；
5）截齒裝拆方便，且不易丟失。
滾筒的結構參數有如下幾個方面：
一、 滾筒的三個直徑：
1）滾筒直徑D：指從滾筒截齒尖測量。滾筒直徑D有一定系列：0.5、0.55、0.60、0.65、……1.00、1.10、1.25、1.40、1.60、1.80、2.00、2.30、2.60m。
其選擇原則：
（1）對于單滾筒：D H（煤厚）一次采全高
D0.55~0.6H.往返采全高
（2）對于雙滾筒：D0.55H
2）葉片直徑Dy：截齒的最大切屑厚度受截距tmax限制。
Hmax=
Hmax___最大切屑厚度
tmax____最大截距
b,___截齒截刃寬度和截槽崩裂角。
一般有如下規(guī)定：2 Hmax0.7(D—Dy)
所以, DyD—1.43(tmax—b)ctg
3）筒轂直徑Dg:
筒轂直徑Dg愈大,則滾筒內容納碎煤的空間愈小,碎煤在滾筒內循環(huán)和被破碎的可能性愈大。
一般規(guī)定：D>1m時,DY/Dg2
D1m時, DY/Dg>2.5
二、滾筒的寬度B：
滾筒結構寬度B一般大于實際截深。我國的滾筒寬度系列為：500、600、630、700、750、800、900和1000mm。
三、螺旋葉片升角
螺旋葉片頭數主要是按截割參數的要求確定。
D〈1250時，用雙頭；D〈1400時，用雙頭或3頭；D〉1600時，用3頭或4頭。
根據葉片的旋向，分為左旋，右旋滾筒。
左旋：頭數為2
圖7--1
右旋：頭數為2
圖7--2
葉片升角ai=arctg(
L__導程
Di__任意直徑
則ay=arctg(,ay稱之為螺旋滾筒的名義升角。由ay可計算出每個葉片對滾筒的圍包角：
By= By___葉片占有滾筒的寬度
雙頭螺旋滾筒的葉片圍包角取210,三頭時取140,四頭時取105.一般ay=8~30
四、端盤：
端盤一般為錐形，厚度約40~50mm,傾角15~30。端盤和筒轂、葉片是焊為一體的。
8 截齒和噴嘴的布置
8．1 截齒的配置
在設計滾筒時，合理選擇其工作參數，特別是合理選擇截齒的配置方式，對于提高煤的塊度，降低比能耗有著重要意義。另外對滾筒的受力也有影響，盡量使之受載荷變動較小，從而增加機器運行的穩(wěn)定性。
截齒在螺旋滾筒上的布置，一般用截齒配置圖來表示。以MLS3—170采煤機為例：見下圖。
圖8--1
圖為截齒尖所在圓柱面的展開圖。水平直線表示齒尖的運動軌跡，即截線。相鄰兩截線之間的距離為截距t。小圓圈代表0齒的位置；小黑點代表安裝角不為0，所謂0齒指的是安裝角為0，截齒斜向煤壁為正方向，而向采空區(qū)方向傾斜則為負方向。
螺旋葉片和端盤上的截齒分別約占滾筒截齒數的80%和20%。由于工作條件的不同，它們配置原則也可以不同。
一、 葉片截齒的配置
一般根據煤的性質和采煤機的參數不同而確定截齒的配置方式、截距和每條截線上截齒數。
葉片上截齒常見的配置方式有交錯式和順序式。
1． 交錯式。這種配置方式的特點是：切屑厚度大，切屑斷面形狀對稱，截槽兩側受力基本平衡，每條截線配置齒數只有一個。見下圖所示：
圖8--2
2．順序式。這種配置方式的特點是：切屑斷面形狀不對稱，截槽兩側受力不平衡，存在著側向力。每條截線配置兩個齒。 圖8—3
兩者的配置方式比較起來，在相同的牽引速度下，截齒數和每個截齒的切屑厚度相差一倍。根據切屑參數的不同，各有其適用范圍。
一般和切屑厚度h和截距t有關,可參見下圖:
圖8—4
如圖中所示: A適用順序式.
B適用交錯式。
端盤截齒的配置
端盤的最靠近煤壁的邊緣截線上的截齒，一般其安裝角在53~55之間。這樣有利于滾筒斜切入煤壁。這條邊緣截線上的截齒工作條件最差，因此配置的截齒數目是最多的。其靠煤壁側的截刃一般傾斜角度在 8~10之間，與煤壁之間留有間隙。端盤上的截線之間距離比較小。平均截距大約是葉片截齒的一半。每條截線上的截齒數一般應比葉片上的截線布置的截齒數要多2~3個截齒。端盤截齒一般分為2~4組，每組有一個0截齒，2~6個傾斜安裝的截齒，傾角應隨著滾筒轉向從小到大的順序排列。截距應從煤壁逐漸向外增大，每組截齒中還可設一個向采空區(qū)傾斜20~30的截齒，以抵消一部分滾筒的軸向力。端盤截齒的配置也是極其重要的。
8.2噴嘴在滾筒上的布置
根據噴嘴數目，以及噴嘴和截齒聯合破煤方式之不同，可分為兩種情況。
1)噴嘴數量較少，其配置和截齒無關。
2)水射流噴嘴與截齒進行對應布置。
第一種情況見于輔助法之中，噴嘴數可有2個，4個，6個等；第二種情況則常見于結合法之中，所需噴嘴數目較多，加工，結構設計比較困難。
總之，回顧高壓水射流技術發(fā)展概況，大體上可分為四個階段。即60年代初期的探索試驗階段，主要為低壓水射流采礦；60年代初至70年代初為基礎設備研制和攻關階段，主要研制高壓泵、增壓器和高壓管件及推廣高壓水射流清洗技術；70年代初至80年代初為工業(yè)試驗及工業(yè)應用階段，主要特點是大量的高壓水射流采煤機、切割機、清洗機相繼問世并進行了工業(yè)試驗，其應用領域也由采礦發(fā)展到其他領域；80年代以來是高壓水射流技術迅速發(fā)展階段，主要特點是高壓水射流技術的研究進一步深化，磨料射流、空化射流等新型水射流發(fā)展更快，許多產品已達到商品化。一個能夠根據實際需要自如地控制高壓水射流技術特性，為人類服務的新時代即將到來。
結 束 語
本次畢業(yè)設計的課題是水射流采煤機切割裝置。經過自己的努力和指導老師的悉心指導，我繪制出了DY-150采煤機滾筒裝配圖，旋轉密封裝置圖和旋轉密封內軸圖，及箱體分布圖。領會到了切割系統(tǒng)設計的思想。畢業(yè)設計是大學所學知識的綜合應用，使我的專業(yè)基礎得到一次全面的訓練與鞏固。
在設計高壓水射流噴嘴過程中，擬訂旋轉密封裝置原理圖時，我不僅要根據滾筒對噴嘴的要求，而且要注意到系統(tǒng)安全可靠性。在繪制裝配圖時，體會很多。要畫滾筒裝配圖，得認真全面的考慮每個細節(jié)，在選擇液壓元件時，注意到元件的材料、成本、實用等方方面面?？傮w上還要注意結構的合理布置，以便于安裝與維護。
這次設計使用了CAD電子圖板畫圖，從中體會到這種軟件的優(yōu)缺點，同時在畫圖過程中發(fā)現了自己制圖的薄弱處，經過畫圖、看書的反復練習，自己在畫圖方面收獲很大，領悟到熟能生巧道理。
通過這次畢業(yè)設計，我受益匪淺，自己的專業(yè)基礎水平得到一次很好的鍛煉。。通過本次畢業(yè)設計的經歷也會使我終身受益，我感受到做畢業(yè)設計是要真真正正用心去做的一件事情，是自己的一種鍛煉，在鍛煉中讓我不斷進步。
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