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水射流鉆孔
來源: 時間:2022-03-09 瀏覽:8654
鉆孔,尤其是在巖石中鉆孔,是水射流技術被首先應用到的領域。日本對傳統的鑿巖機作了改進,將其鉆桿制成中空形狀,內通高壓水,由鉆桿頂部的噴嘴噴出,與機械鉆頭一起完成鑿巖功能,取得了良好的效果。

錐形水射流鉆孔的噴嘴是在對普通噴嘴添加了一個葉輪改進后得到的,由葉輪進口段、錐形收縮段及直線出門段三段組成,后兩段依據經典理論選取參數。 為使該噴嘴在土層內連續鉆孔時鉆孔的孔徑為噴嘴直徑的3~6倍,噴嘴前面要連接一根進水管,且管 中水的流速應比噴嘴出口處水的流速小一個數量級。 使用時,進水管 的水通過葉輪變成在管道內繞管道軸線旋轉的水流,該水流進入錐形收縮段后被加速至390m/s,隨后進入長度為2~3倍噴嘴直徑的直線 段部分,在出口處流體由于仍然保持旋轉狀態從而產生一個能往前延伸的空心圓錐體射流18)??招膱A錐體射流的能量集中在圓錐體外層的周邊,當噴嘴進入土 層后,被圈在空心圓錐體內的部分就能被除去。 試驗表明,當流體壓力很低時(小于O. 7MPa),水在空心錐周邊上的沖擊力也足以穿透土體。 當水流壓力處千工作壓力時,空心錐體變成不連續的液滴,此時射流與材料的作用機理土要為液滴的沖擊作用。 射流作用于材料表面的滯止壓力隨靶距、噴嘴直徑的增加呈指數形式衰減,但鉆孔直徑與靶距基本上呈線性關系。 描桿是地下采礦的常用支護設備,采用高壓水射流鉆描桿孔, 鉆桿不需承受很商的推力和扭矩,鈾桿孔的直徑就能減小到 25. 4mm或更?。?一般的機械鉆進達不到此目標,鉆出的孔徑都較大),樹脂描桿直徑就可減小。 基于此,就有了水射流鈾桿孔鉆機該鉆機主要由高壓水發生系統、鉆桿、鉆頭和機架等部件組成。高壓水發生系統可提供流量1. 9L/m血壓力280MPa的高壓 水流,功率22kW。 鉆頭體山工具鋼制成,其上裝有碳化合金刀片和三個噴嘴,并開有沖洗液輸出。 噴嘴錐角13°,直徑 o. 203~0. 229mm,直線段長度為2~3倍噴嘴直徑。采用與旋轉軸線成 15°角的羊只噴嘴,在抗壓強度為 147MPa的砂巖中,每分鐘可鉆進 3m;但若鉆進耐磨蝕的巖石或控制鉆孔尺寸,噴嘴數噩就需增加為三個。 鉆孔的孔壁較粗糙,這對樹脂與巖石的緊密結合有利,但鉆孔尺寸必須控制,鉆頭體上的合金刀片就是用來保證孔尺寸保持在一定范圍內的。 該鉆機鉆桿由兩根同心金屬管組成。 內管壁厚,用于輸送高壓水并傳遞鉆孔所需的推力和扭矩;外管壁薄并固定,主要用來輸送沖洗巖屑用的低壓沖洗液,保護旋轉的內 管不致磨損,并能提供附加的抗彎剛度和起到導向作用。 試驗表明,使 用該鉆機時鈾桿支護時間約為3min,而普通鉆機 鉆孔時為5min。


隨著技術發展,水射流也開始在陶瓷和金屬等材料上鉆孔。 此時,壓力從lOOMPa 35MPa的增量增至210MPa,噴嘴直徑0.46mm,靶距保持為2. 3mm,磨料為60# 石榴石、Al203 或碳化硅等,流量從 7. 57g/s1. 89g/s的增量增至17.13g/ s。 若對12. 7mm厚的氧化鋁 陶瓷AD— 85 鉆孔,磨料流蜇11.35g/s,壓力從70MPa35MPa增量 增至210MPa。 結果表明,壓力是影響鉆孔時間的主要參數之一。 在11. 35g/s 磨料流量下,壓力為lOOMPa 時耗時約48s,而為210MPa時 僅耗時不到20s。 在脆性層壓材料上用磨料射流打孔時,泵的初始壓 力由計算機控制在約20MPa的低壓上,這使射流穿透表面層時材料表 而不易碎、不分層;隨后逐漸增大壓力至工作壓力,打出余下的孔深,這樣孔壁不裂也不分層。 在帶有陶瓷隔熱覆層的飛機引擎罩上打孔,以間距3mm 打了超過10000. 5mm直徑的孔,孔徑的標準偏差僅為0. 025mm,這充分顯示了磨料射流鉆孔的高度精確性。

美國還研究了用磨料射流在金屬上,尤其是在鎢、鎢鉬鋼及其他惰 性較大的金屬上鉆給定尺寸深孔的技術(9) 。試驗材料為25mm棒料, 所鉆孔徑為19mm,共有3種方案:方案A采用擺動射流鉆孔,噴頭擺 動但不旋轉,工件旋轉,噴頭沿軸向進給,速度在 o~o. 064mm/s之間, 保持靶距為25mm,磨料為100 的石榴石,在25mm棒上軸向鉆 19mm孔時,壓力為 345MPa、噴嘴直徑為O. 33mm,磨料流童為 3. 75g/s,鉆深30. 5mm 時鉆孔速度達到160mm/扣方案B采用不旋轉 的矩形磨料射流鉆孔,矩形混合管尺寸為10mm X 3mm,采用兩個 ef,O. 254mm噴嘴,功率與方案A相同,在同樣的棒上鉆孔效率從 ]60mm/h降為115mm/h,這是由于矩形射流在同樣功率下射流斷面上的單位面積射流功率減小了,但鉆進速度的減小并不與射流能量密度的減小成比例,這說明可以通過優化射流斷面的功率分布來達到更高的鉆進效率;方案C采用旋轉磨料射流鉆孔,噴頭相對于孔軸線有一徑向偏心,試驗時壓力 240MPa, 使用釣 46mm 噴嘴,射流傾角 30 ' 在鋼中鉆進速度可達 457mm/h,在鴿棒中可達 305mm/h,鉆進速度隨磨料流量的增長呈線性增長,增大射流壓力也可提高鉆進速度。 三個 方案均可在金屬中鉆出較深的孔,但方案C效率最高,可加工的孔壁 可薄至 0. 38mm,孔深較小時,孔壁的徑向厚度不均勻性可控制在 0. 025mm 以內,孔壁光滑,表面粗糙度Rα 2. 2μm,孔壁沒有凹坑和變形,顯微檢查也表明孔壁無變形、無整體裂紋產生。

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