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前混式与后混式的比较

1、磨料水射流前混合和后混合方式的所需功率
磨料水射流前混合和后混合方式的所需功率从能量角度分析, 前混合磨料水射流的工作压力一般是后混合的 1/5 – 1/4 根据结构特点解释其原因,主要有两个方面。
( 1 ) 前混合设备中,水射流只需经历一次能量转化, 即在磨料喷嘴处将磨料水流的静压能转 化为高速的射流动能;后混合设备中, 高压水首先经过水喷嘴经历第一次加速,即而在高速状态下与磨料颗粒混合,最后经过固锥带圆柱段磨料。喷嘴再一次加速,形成最终的射流束。
在后混合的上述过程中存在 3次显著的能量损失(水头损失),分别位于水喷嘴的第一次加速过程、混合室的射流与磨料颗粒的混合过程、圆锥带圆柱段的磨料赎嘴加速过程, 其 中尤以混合过程为甚。混合室内,磨料颗粒与射流的作用过程犹如向静止的水面丢抛"漂石",一定条件下石块会在水面 上连续跳动几次再沉入水里, 这里最好是让磨料颗粒一次性 进入射流中 ,但磨料一次完全进入射流是不可能的。在实际中,一次混入射流的磨料是极小的一部分,大部分磨料颗粒 要在几次碰撞后才会混入射流肉。在这一过程中,磨料颗粒与射流束、甚至管壁的不断接触(碰撞)、分离、再接触, 就是能 量持续损失、内耗的过程。
( 2) 后混合中射流束,磨料与水泵的混合不均匀, 射流的中心区域少有磨料粒子,甚至由于该混合效果, 射流束本身携带的磨料颗粒数量无法达到有效切割的要求, 造成两种混合方式的切割设备在切割捆同材料时,不得不提高后混合设备里高压泵的功率以弥补其切割能力的不足。
2、两种混合方式的混合效果
在前混合设备中,高压水在进入混合室之前被分为两路,一路直接流向混合室,另一路通入磨料罐顶部,在静压与重力的双重作用下将詹料压入混合室,并与先前的一路静压水相 混合, 此种方式在低速的状态下进行混合,磨粒易进入管路中 静压水流的内部,形成均匀的磨料射流束。如此产生的射流,切割效果好,效率高。
在后混合情况下,如前所述,磨料颗粒借助自重与射流产生的负压卷阪作用进入混合 室内与射流相混合,由于重力的作用是一个不断变化的过程,且射流的负压卷吸作用也是不可准确控制的,这就造成混合过程申瞬时磨料供给的不确定性。另外,后混合过程实际上是高速水射流与低速运动的磨料颗粒之间相互作用 的过程, 由于混合腔内围绕高能射流束表面的微细波面运动速度很大,且表面张力也很大,其周围分散的水滴频繁碰撞而 形成一个密实的表面, 大多数磨料颗粒 必须经过与射流的多次作用后,才最终进入射流内部; 而且,大多数磨料只能聚集在射流的表层,愈靠近射流束的中心,磨料就愈不易进入。 因此,此种混合方式的问题是磨料混合不均匀, 同等功率下切割的效果不理想。
3、硬件设备的要求
前混合设备中,大部分管路内流淌的是固液混合的二相流体,管壁不仅要承受高压水流的作用, 而且会受到来自流动着的磨料颗粒的摩擦、挤压,从而降低管路的稳定性,缩短使 用寿命, 这对高压管路的制造工艺提出较 高的要求。管路内壁的表面质量客观上影晌了磨损程度,内表面光滑则磨损轻微,反之则加重磨损。值得注意的是,这种磨损也会给基于前 混合的射流系统带来显著的能耗。后混合设备中,管路仅受到纯水流体的作用,而且水的粘 度系数很小,因此,就后混合管路而言,除了高压因素引起的 沿程能耗外,管路中能量损失与前混合相比很小。
如上所述, 前混磨料水切割可以大大降低能量消耗外。还有以下优点:
  1) 由于没有混砂管, 喷嘴不必做得很长, 因而喷 嘴可采用人造金刚石等超硬材料制作, 使其使用寿命大大延长。
2) 由于可采用超硬材料制作喷嘴, 就可选用硬度高、自锐性好的磨料, 以进一步提高加砂水切割的效率。也更容易切割更高硬度的材料(如硬质合金)。
3) 前混磨料水切割的水压较低,(目前国际上最高< 250 MPa) ,在相同切割能力的前提下,采用后混式1/4的压力即可实现因此密封容易解决, 可采用软管输送高压水, 易损的 密封件也容易购到。 由于可以采用软管所以适用于野外和水下等特殊环境下使用。
4) 由于喷嘴简单, 孔径可以做得很小, 因此切口很窄, 可以提高切割效率和节约被切材料。
当前, 水射流切割设备易损件寿命的长短, 是衡量其实用可靠的重要条件, 若水射流切割设备的易损件的使用寿命很短, 要经常不定时地更换喷嘴、密封件, 势必影响切割精度, 甚至无法使用程控设备来进行切割。 因此前混磨料水切割设备也是当前水切割设备的重要方向