矿藏井底磨料水体化切割余下动能的探讨

矿藏井底磨料水体化切割余下动能的探讨 文章来源：中国切割机网

　
　　1概述
　　近几年来，由于煤矿事故时有发生，煤矿安全生产问题引起了人们的广泛关注。在煤矿井下，经常会遇到轨道铺设、设备检修等需要进行切割的作业，而这些切割作业在煤矿井下高瓦斯等危险环境中采用传统的热切割方法是不能直接进行的。因此，为保证安全生产，必须采用一种能够应用在煤矿井下等危险环境的安全切割技术。
　　磨料水射流切割技术与安全工程紧密相关，它是以高压水为载体，将具有一定质量和锋利度的磨料粒子进行加速后喷出，从而对物料进行切割。它是近几年发展起来的一种“冷”切割技术，切割时无尘、无味、无火花、无气体产生、振动小、噪声低。因此，磨料水射流切割技术是煤矿井下等危险环境进行高效切割的有效工具。
　　本文主要建立了磨料水射流切割一定深度时的剩余能量方程，通过分析其剩余能量，探讨煤矿井下瓦斯环境中应用磨料水射流进行切割的安全性和可行性，从而为磨料水射流切割技术在煤矿井下的应用提供理论依据。
　　2煤矿井下磨料水射流切割技术的安全性分析煤矿瓦斯是煤矿生产过程中的重大灾害之一，瓦斯爆炸必须具备三个条件：
　　一是要有一定浓度（5～16）的瓦斯；二是要有足够的氧气（浓度>12）；三是要有足够能量（温度>650℃、能量>0128MJ、持续时间大于爆炸感应期）的引火源。其中，和第二个条件是自然产生的，不易控制。而第三个条件一般都是人为因素造成的，煤矿井下绝大多数的瓦斯爆炸都是由它引起的。因此，在进行煤矿井下磨料水射流切割的安全性分析时，主要是判定在切割过程中有没有产生足够能量的引火源。而能作为引火源的主要是被切割物料在切割过程中产生的碎片，通过验证这些碎片有没有达到引起瓦斯爆炸([url=http://www.ylrq.org/ypnew_view.asp?id=802]球罐爆炸成形探究[/url])的温度或能量，就可以验证该切割工艺在瓦斯环境下切割的安全性。
　　应用磨料水射流进行切割时，由于弹出的碎片具有很高的速度，很难测定其温度，而温度与能量有关，因此，只能通过分析其能量来验证该切割工艺在煤矿井下应用的安全性，即判断该工艺切割后的剩余能量是否达到引起爆炸的极限。由此可知，建立磨料水射流切割的剩余能量方程有助于分析磨料水射流切割技术在煤矿井下应用的安全性，可进一步完善磨料水射流切割技术。
　　3磨料水射流切割剩余能量方程
　　本文主要以能量分析为主，首先建立磨料水射流切割的大切深方程，然后利用该方程求出在切割一定深度时所消耗的能量，利用切割前的总能量减去切割一定深度时所消耗的能量，得到其剩余能量方程。
　　311磨料水射流大切深方程
　　根据前混合式磨料水射流切割物料的过程，建立磨料水射流和被切割物料的坐标图如图1所示。
　　图1磨料水射流和被切割物料的坐标图由磨料冲蚀塑性材料的机理可知，被切割物料的体积V与磨料水射流总能量Ej存在如下的关系：
　　dV=kφ（z）dEj（1）式中k―――被切割物料和磨料的特性系数；φ（z）―――随深度z变化的递减函数。
　　令φ（z）=1（1 z）α（α为经验参数），则对于图1所建立的坐标，式（1）可变形为：dzdt=k（1 z）αdEjdxdydt（2）其中，dEjdxdydt表示磨料水射流截面内部能量分布关系，假设其形状为对称于射流轴线的锥形，并且令ηj=dEjdxdydt，则有ηjηmax=rj-rrj（rj为磨料水射流半径，即喷嘴半径，mm；r为该点距射流轴线的距离，mm。），则式（2）变形为：
　　dzdt=k（1 z）αηj=k（1 z）αrj-rrjηmax（3）
　　对ηj积分得到：ηmax=3Qmv2j2πr2j，将其代入式（3）可得：dzdt=k（1 z）α3Qmv2j（rj-r）2πr3j（4）式中Qm―――磨料质量流量，kg/s；
　　vj―――磨料水射流流速，m/s。
　　若射流以速度u沿x方向运动时，式（4）中的r可由y代替，则式（4）变为：（1 z）αdz=3kQmv2j（rj-y）2πr3judx（5）其中，dx为射流在dt时间内以速度u运动的距离。
　　对式（5）两边分别积分可得：
　　h=3k（α 1）Qmv2jπu（rj-y）r2j-y2r3j 11α 1（6）
　　式（6）即为建立的磨料水射流切割模型，其中大切槽深度位于y=0处。
　　研究表明，在喷嘴出口处，磨料粒子的速度约为水射流速度的9615左右，则由动量守恒定律可知，射流中水和磨料存在如下的关系：
　　01965vjQm=βQw（vw-vj）（7）
　　其中，Qw为水的质量流量，Qw=ρQ（Q为水的体积流量，m3/s；ρ为水的密度，kg/m3。）；vw为喷嘴后的水射流速度，由伯努利方程可知，vw=φ2pρ（p为磨料水射流压力，MPa；φ为速度系数，通常取0197～0198。）；β为高压水射流与磨料颗粒动量交换系数。代入式（7）变形可得：vj=βφQ2ρp01965Qm βρQ（8）将y=0和式（8）代入式（6）中得到：hmax=6k（α 1）ρβ2φ2QmpQ2πrju（01965Qm βρQ）2 11α 1-1（9）上式即为磨料水射流大切深方程。
　　312磨料水射流切割一定深度时的剩余能量方程
　　在给定磨料水射流中水流量Q、磨料流量Qm、进给速度u和喷嘴直径rj后，考虑式（9）可认为，磨料水射流切割达大深度时所消耗的能量主要由式（9）中的压力p所决定。将式（9）化简变形可得到：
　　p=πrju（01965Qm βρQ）26k（1 α）ρβ2φ2QmQ2[（hmax 1）1 α-1]（10）由上式可知，通过大切深hmax可以得出切割该深度所需要的压力p，这个压力p即为使磨料粒子具有动能的源头，反映了磨料水射流切割过程中的能量消耗。以该压力为初始压力，得到磨料粒子通过喷嘴后的速度v′和磨料水射流中水的速度v″分别为：
　　v′=βρQφ（01965Qm βρQ）2pρ（11）v″=φ2pρ（12）这时，单位时间内磨料水射流所具有的动能为磨料粒子和水所具有的动能之和，即：E′=1120（Qmv′2 ρQv″2）=160Qmρβ2φ2Q2p（01965Qm βρQ）2 φ2Qp（13）设在实际切割过程中的压力为p0，以该压力为初始压力，得到磨料粒子通过喷嘴后的速度v′0和磨料水射流中水的速度v″0分别为：v′0=βρQφ（01965Qm βρQ）2p0ρ（14）v″0=φ2p0ρ（15）这时，单位时间内磨料水射流所具有的动能为磨料粒子和水所具有的动能之和，即：E′0=1120Qmv′20 ρQv″20=160Qmρβ2φ2Q2p0（01965Qm βρQ）2 φ2Qp0（16）于是得到磨料水射流切割一定深度时的剩余能量方程为：El=E′0-E′=160ρβ2Q2φ2Qm（01965Qm βρQ）2 Qφ2（p0-p）（17）其中，p0为切割压力；p为假设该切深h为大切深hmax时所需的压力，可由式（10）求得。
　　313实例应用在磨料水射流切割的剩余能量方程中，压力p可由式（10）求得，而在式（10）中存在三个经验参数k、α和β，其值随切割材料的不同而不同。
　　在煤矿井下经常会遇到切割钢材的情况，为了验证磨料水射流切割的安全性，需要建立磨料水射流切割钢材时的剩余能量方程。而磨料水射流可分为前混合式和后混合式，其中前混合式的应用比较广泛，故要建立前混合式磨料水射流切割钢材的剩余能量方程，从而验证其切割的安全性。
　　通过应用现有的前混合式磨料水射流切割系统进行切割钢材（Q235）实验，并且利用数值计算的方法对实验数据进行拟合，得到三个经验参数k、α和β的值分别为：k=124566×10-11，α=12145388，β=0175306。因此得到前混合式磨料水射流切割钢材（Q235）达一定深度时的剩余能量方程为：El=16001567ρQ2φ2Qm（01965Qm 0175306βρQ）2 Qφ2（18）其中，p为假设该切深h为大切深hmax时所需的压力，由下式求得：p=πrju（01965Qm 0175306ρQ）2517024×10-10ρφ2QmQ2（hmax 1）13145388-1（19）通过实验得出，当切割压力p0=30MPa，进给速度u=0125m/min，喷嘴直径d=212mm时，测得磨料质量流量Qm=619kg/min，水的体积流量Q=5416l/min，切割深度h=918mm，由式（19）计算得到p=24156MPa。将上述数据代入式（18）得到，该前混合式磨料水射流系统切割钢材（Q235）达918mm深时，其剩余能量El=86165J<0128MJ，故不会引起爆炸，可在煤矿井下应用。
　　4结论
　　1）磨料水射流切割是一种“冷”切割技术，它将磨料与纯水射流混合，形成高速流动的磨料射流，并对物料进行切割，具有工作温度低、切割时无火花、无尘、无味等优点，可应用于煤矿井下等危险环境的切割作业。
　　2）前混合式磨料水射流切割钢材（Q235）一定深度时的剩余能量方为El=E′0-E′=16001536ρQ2φ2Qm（01965Qm 0175306βρQ）2 Qφ2（p0-p），利用剩余能量可以判断是否能引起瓦斯爆炸，从而验证磨料水射流切割技术在煤矿井下应用的安全性。
　　3）建立磨料水射流切割的剩余能量方程有助于分析磨料水射流切割技术在煤矿井下应用的安全性，可进一步完善磨料水射流切割技术。
　
　

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