基于前混合磨料射流的水下破拆救援機器人的研究

孫文芳

【摘 要】本文通過介紹磨料射流基本理論和磨料水射流切割實驗理論，指出了磨料射流的水下破拆救援機器人擬解決的關(guān)鍵性問題，對水下機器人的發(fā)展也有著重要的實踐意義。

【關(guān)鍵詞】水射流技術(shù);水射流切割;機器人

中圖分類號： TU746.3文獻標(biāo)識碼： A文章編號： 2095-2457（2019）10-0077-002

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2019.10.031

Research on Underwater Disassembly and Rescue Robot Based on Premixed Abrasive Jet

SUN Wen-fang

（College of Electronic Communication Engineering，Anhui Xinhua University，Hefei Anhui 230088，China）

【Abstract】By introducing the basic theory of abrasive jet and the experimental theory of abrasive water jet cutting， this paper points out the key problems to be solved by the underwater rescue robot with abrasive jet，which has important practical significance for the development of underwater robots.

【Key words】Water jet technology;Water jet cutting;Robot

0 引言

高壓水射流是指水或其他混合液體，經(jīng)增壓裝置增壓，流經(jīng)高壓管路，然后由孔口或噴嘴噴出的各種形狀不同的水流束。按介質(zhì)不同，分為純水射流、磨料射流等。磨料射流是一種固液兩相高壓流體，將固體顆粒加入高速流動的水流，從而可以增大其打擊和切割的效率。前混合磨料射流，是指在水流噴嘴之前將固體顆?；旌希@樣在高壓管路內(nèi)可以將水和固體顆粒充分混合，固體顆?？梢垣@得更高速度，使打擊和切割能力進一步提高。高壓水射流按壓力等級分為低壓、中壓、中高壓、高壓、超高壓五類射流，隨著壓力提高，設(shè)備的密封性要求提高，運行的成本也提高，而安全性、穩(wěn)定性下降。當(dāng)壓力選擇在中壓（10-40MPa）時，能進行切割就能實現(xiàn)密封性好，安全性、穩(wěn)定性高，運行成本也較低。

水下機器人是一種由操作人員遠程控制的，可以進行水下作業(yè)的機器人，又稱無人潛航器。其主要技術(shù)涉及機械、機電控制、數(shù)據(jù)采集、軌跡定位控制、信號傳輸、動力分配等。水下機器人按是否載人分為載人潛航水器和無人潛航器兩類。載人潛航器由于人工親自操作，對深水操作有諸多限制和不安全因素。而無人水下潛航器不需要載人，更適合大深度和長時間水下作業(yè)，因此應(yīng)用前景更廣。

而前混合磨料射流技術(shù)結(jié)合水下機器人技術(shù)，用于水下破拆救援，多學(xué)科交叉，實現(xiàn)難度較大，在該領(lǐng)域國內(nèi)外相關(guān)研究資料基本空白。實驗研究表明，前混合磨料射流壓力達到20-30MPa，便可切割15-20mm厚度鋼板。前混合磨料射流具備水下切割破拆的能力。

1 磨料射流基本理論

磨料射流是將石英砂、金剛石砂、石榴石、陶粒等堅硬固體顆粒在純水射流中混合而成的一種高壓射流。切割原理是經(jīng)過加壓后的水流壓力變大對物體表面進行加壓，最終通過對材料的磨蝕來實現(xiàn)切割的目的。通常情況下，磨料射流的切割效果遠遠大于純水射流的切割效果。

磨料噴射切割按添加磨料的方法可分為預(yù)混合和后混合兩種不同的類型。預(yù)混磨料射流的切割是將水和磨料混合均勻，在水射流形成之前添加到水中，然后在高壓下從噴嘴高速噴出水和磨料，使得磨料和射流具有相同的初始速度，但很難實現(xiàn)。后混磨料高壓水射流形成后，磨料切割依靠高壓水通過噴嘴產(chǎn)生的負(fù)壓將磨料吸入射流當(dāng)中，但是磨料難以進入射流的核心并不能獲得完全加速，即磨料一般不會達到與水相同的速度和壓力，最終導(dǎo)致水資源以及各種能量的浪費。通常使用粒度為80-150目的二氧化硅、氧化鋁和石榴石作為磨料，磨料有干濕之分，供電方式為自吸和動力機械兩種方式實現(xiàn)磨料的輸送，現(xiàn)在用的較多的是干磨料以及自吸式的輸送方式。圖3所示是前混合磨料射流裝置示意圖。

圖3所示裝置在工作時，通過增壓器將水壓提高到300-1000MPa（動能轉(zhuǎn)化為壓能），之后產(chǎn)生的高壓水以2-3倍的聲速通過0.1-0.6mm的噴嘴射出水流（壓能轉(zhuǎn)化為動能）。當(dāng)水射流噴到被切割的材料上時，一旦對材料是假的壓力超過材料的承壓強度，就能夠?qū)崿F(xiàn)對材料的切割。

2 淹沒磨料水射流切割實驗理論

2.1 射流壓力對切割性能影響

射流壓力對水射流切割性能有著重要影響，它決定著水流射出的初始速度。切削深度隨射流壓力的增大而增大。當(dāng)磨料射流的射流壓力發(fā)生改變時，可以發(fā)現(xiàn)隨著射流壓力的增加，切削深度明顯增加，這是因為隨著射流壓力的增大，水射流的速度也越來越大，磨粒動能加快，對材料的沖擊壓力增大，從而使目標(biāo)材料的切削深度增大。

2.2 靶距對切割性能影響

靶距是指從磨料射流出口到被切割材料的距離。隨著靶距的增大，磨料射流切割深度逐漸減小。靶距是對磨料射流有著重要的影響，隨著靶距的增大，磨料射流的切割深度減小。這是因為射流束周圍的水阻礙了射流的聚集，會消耗較多的淹沒射流束能量，削弱了磨料的動能，并隨著靶距的增加降低了磨料的沖蝕和磨削能力。

2.3 磨料濃度對切割性能影響

當(dāng)磨料的濃度不斷加大時，使得磨料的數(shù)量不斷增加，使得切割效果越來越強，另一方面脈沖磨料射流的波動幅度和振蕩頻率減小。當(dāng)磨料添加的濃度較小時，增加磨料量對切割性能起主要作用，此時磨料的速度經(jīng)過輕微改變時對切割性能影響不大。當(dāng)磨料濃度增加到一定值時，磨料顆粒的振動幅度大大減小，切削性能下降。此外，隨著磨料濃度的增加，磨料射流的切割性能與預(yù)混磨料射流的切割性能有顯著差異，兩個成正相關(guān)變化。

2.4 速度對切割性能影響

橫移速度是多種因素中與切割時間有關(guān)的唯一因素，從本質(zhì)上反映了磨料水射流作用在切割目標(biāo)上的時間，噴嘴橫向速度與切割深度呈負(fù)相關(guān)。這是因為橫向速度越大，磨料射流經(jīng)過切割材料的時間越短，作用在上面的壓力越小，最終導(dǎo)致切割深度減小。

3 前混合磨料射流機器人關(guān)鍵技術(shù)

前混合磨料射流機器人系統(tǒng)主要由機器人控制系統(tǒng)（包括供水裝置、油壓設(shè)置裝置、油壓調(diào)節(jié)裝置、水壓調(diào)節(jié)裝置、蓄壓器以及各種控制閥門等）、液壓氣動系統(tǒng)、磨料添加裝置、水射噴嘴、切割頭驅(qū)動機器人、排水管道等組成，以及包括地面控制工業(yè)計算機系統(tǒng)。

其中前混合磨料射流機器人關(guān)鍵技術(shù)包括以下幾點：

（1）機器人系統(tǒng)

機器人系統(tǒng)包括機器人、控制裝置、教學(xué)裝置、安裝座和水刀座等，是前混合磨料射流的中心控制系統(tǒng)，實現(xiàn)了前混合磨料切割過程控制、切割速度設(shè)置、切割路徑設(shè)置和調(diào)節(jié)全部裝置協(xié)同工作的作用。

（2）磨料水射流裝置主泵機組

高壓往復(fù)柱塞泵也只主要的關(guān)鍵技術(shù)，柱塞泵存在著許多問題，如排水閥的閥板易堵塞、泵頭磨損嚴(yán)重、柱塞加工維修困難、易發(fā)生泄漏等。因此在選用高壓往復(fù)柱塞泵時要根據(jù)具體情況具體分析，選用合適的高壓往復(fù)柱塞泵能夠保證機器人的高效運行。

（3）切割過程控制

切割過程控制包括精確控制水射流切割頭的運動速度、目標(biāo)距離、位置和路徑。因為在水下工作，要使整個機器人系統(tǒng)具有較高的柔韌性，并且在工作過程中要自動優(yōu)化切割參數(shù)和切割路徑。

（4）噴嘴結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

主要是指噴嘴材料的耐磨性以及噴嘴結(jié)構(gòu)的研究。為了提高噴嘴的使用壽命，研制了一種性能優(yōu)良的耐磨材料。設(shè)計研發(fā)合理的控制系統(tǒng)，能夠?qū)崿F(xiàn)噴嘴的自我轉(zhuǎn)化和更換，提高水射流設(shè)備的自動化程度，研發(fā)設(shè)計不同情況下選用的不同噴嘴，提高整個切割過程的安全可靠性。

4 結(jié)論

水射流切割技術(shù)現(xiàn)在應(yīng)用范圍較廣，經(jīng)過不斷的發(fā)展技術(shù)越來越成熟，隨著綠色環(huán)保理念的深入普及，其環(huán)保型也越來越引起人們的注意;同時，機器人技術(shù)也越來越成熟，水射流切割技術(shù)與機器人系統(tǒng)相結(jié)合也是時代發(fā)展的產(chǎn)物，水射流切割技術(shù)與機器人技術(shù)的有機切合必將會具有廣闊的發(fā)展空間。

【參考文獻】

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