孙文芳

【摘 要】本文通过介绍磨料射流基本理论和磨料水射流切割实验理论，指出了磨料射流的水下破拆救援机器人拟解决的关键性问题，对水下机器人的发展也有着重要的实践意义。

【关键词】水射流技术;水射流切割;机器人

中图分类号： TU746.3文献标识码： A文章编号： 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

高压水射流是指水或其他混合液体，经增压装置增压，流经高压管路，然后由孔口或喷嘴喷出的各种形状不同的水流束。按介质不同，分为纯水射流、磨料射流等。磨料射流是一种固液两相高压流体，将固体颗粒加入高速流动的水流，从而可以增大其打击和切割的效率。前混合磨料射流，是指在水流喷嘴之前将固体颗粒混合，这样在高压管路内可以将水和固体颗粒充分混合，固体颗粒可以获得更高速度，使打击和切割能力进一步提高。高压水射流按压力等级分为低压、中压、中高压、高压、超高压五类射流，随着压力提高，设备的密封性要求提高，运行的成本也提高，而安全性、稳定性下降。当压力选择在中压（10-40MPa）时，能进行切割就能实现密封性好，安全性、稳定性高，运行成本也较低。

水下机器人是一种由操作人员远程控制的，可以进行水下作业的机器人，又称无人潜航器。其主要技术涉及机械、机电控制、数据采集、轨迹定位控制、信号传输、动力分配等。水下机器人按是否载人分为载人潜航水器和无人潜航器两类。载人潜航器由于人工亲自操作，对深水操作有诸多限制和不安全因素。而无人水下潜航器不需要载人，更适合大深度和长时间水下作业，因此应用前景更广。

而前混合磨料射流技术结合水下机器人技术，用于水下破拆救援，多学科交叉，实现难度较大，在该领域国内外相关研究资料基本空白。实验研究表明，前混合磨料射流压力达到20-30MPa，便可切割15-20mm厚度钢板。前混合磨料射流具备水下切割破拆的能力。

1 磨料射流基本理论

磨料射流是将石英砂、金刚石砂、石榴石、陶粒等坚硬固体颗粒在纯水射流中混合而成的一种高压射流。切割原理是经过加压后的水流压力变大对物体表面进行加压，最终通过对材料的磨蚀来实现切割的目的。通常情况下，磨料射流的切割效果远远大于纯水射流的切割效果。

磨料喷射切割按添加磨料的方法可分为预混合和后混合两种不同的类型。预混磨料射流的切割是将水和磨料混合均匀，在水射流形成之前添加到水中，然后在高压下从喷嘴高速喷出水和磨料，使得磨料和射流具有相同的初始速度，但很难实现。后混磨料高压水射流形成后，磨料切割依靠高压水通过喷嘴产生的负压将磨料吸入射流当中，但是磨料难以进入射流的核心并不能获得完全加速，即磨料一般不会达到与水相同的速度和压力，最终导致水资源以及各种能量的浪费。通常使用粒度为80-150目的二氧化硅、氧化铝和石榴石作为磨料，磨料有干湿之分，供电方式为自吸和动力机械两种方式实现磨料的输送，现在用的较多的是干磨料以及自吸式的输送方式。图3所示是前混合磨料射流装置示意图。

图3所示装置在工作时，通过增压器将水压提高到300-1000MPa（动能转化为压能），之后产生的高压水以2-3倍的声速通过0.1-0.6mm的喷嘴射出水流（压能转化为动能）。当水射流喷到被切割的材料上时，一旦对材料是假的压力超过材料的承压强度，就能够实现对材料的切割。

2 淹沒磨料水射流切割实验理论

2.1 射流压力对切割性能影响

射流压力对水射流切割性能有着重要影响，它决定着水流射出的初始速度。切削深度随射流压力的增大而增大。当磨料射流的射流压力发生改变时，可以发现随着射流压力的增加，切削深度明显增加，这是因为随着射流压力的增大，水射流的速度也越来越大，磨粒动能加快，对材料的冲击压力增大，从而使目标材料的切削深度增大。

2.2 靶距对切割性能影响

靶距是指从磨料射流出口到被切割材料的距离。随着靶距的增大，磨料射流切割深度逐渐减小。靶距是对磨料射流有着重要的影响，随着靶距的增大，磨料射流的切割深度减小。这是因为射流束周围的水阻碍了射流的聚集，会消耗较多的淹没射流束能量，削弱了磨料的动能，并随着靶距的增加降低了磨料的冲蚀和磨削能力。

2.3 磨料浓度对切割性能影响

当磨料的浓度不断加大时，使得磨料的数量不断增加，使得切割效果越来越强，另一方面脉冲磨料射流的波动幅度和振荡频率减小。当磨料添加的浓度较小时，增加磨料量对切割性能起主要作用，此时磨料的速度经过轻微改变时对切割性能影响不大。当磨料浓度增加到一定值时，磨料颗粒的振动幅度大大减小，切削性能下降。此外，随着磨料浓度的增加，磨料射流的切割性能与预混磨料射流的切割性能有显著差异，两个成正相关变化。

2.4 速度对切割性能影响

横移速度是多种因素中与切割时间有关的唯一因素，从本质上反映了磨料水射流作用在切割目标上的时间，喷嘴横向速度与切割深度呈负相关。这是因为横向速度越大，磨料射流经过切割材料的时间越短，作用在上面的压力越小，最终导致切割深度减小。

3 前混合磨料射流机器人关键技术

前混合磨料射流机器人系统主要由机器人控制系统（包括供水装置、油压设置装置、油压调节装置、水压调节装置、蓄压器以及各种控制阀门等）、液压气动系统、磨料添加装置、水射喷嘴、切割头驱动机器人、排水管道等组成，以及包括地面控制工业计算机系统。

其中前混合磨料射流机器人关键技术包括以下几点：

（1）机器人系统

机器人系统包括机器人、控制装置、教学装置、安装座和水刀座等，是前混合磨料射流的中心控制系统，实现了前混合磨料切割过程控制、切割速度设置、切割路径设置和调节全部装置协同工作的作用。

（2）磨料水射流装置主泵机组

高压往复柱塞泵也只主要的关键技术，柱塞泵存在着许多问题，如排水阀的阀板易堵塞、泵头磨损严重、柱塞加工维修困难、易发生泄漏等。因此在选用高压往复柱塞泵时要根据具体情况具体分析，选用合适的高压往复柱塞泵能够保证机器人的高效运行。

（3）切割过程控制

切割过程控制包括精确控制水射流切割头的运动速度、目标距离、位置和路径。因为在水下工作，要使整个机器人系统具有较高的柔韧性，并且在工作过程中要自动优化切割参数和切割路径。

（4）喷嘴结构优化设计

主要是指噴嘴材料的耐磨性以及喷嘴结构的研究。为了提高喷嘴的使用寿命，研制了一种性能优良的耐磨材料。设计研发合理的控制系统，能够实现喷嘴的自我转化和更换，提高水射流设备的自动化程度，研发设计不同情况下选用的不同喷嘴，提高整个切割过程的安全可靠性。

4 结论

水射流切割技术现在应用范围较广，经过不断的发展技术越来越成熟，随着绿色环保理念的深入普及，其环保型也越来越引起人们的注意;同时，机器人技术也越来越成熟，水射流切割技术与机器人系统相结合也是时代发展的产物，水射流切割技术与机器人技术的有机切合必将会具有广阔的发展空间。

【参考文献】

[1]孙庆孝，沈忠厚.淹没非自由射流压力衰减规律的实验研究及井底水力参数计算[J].华东石油学院学报（自然科学版），1986（01）：26-40.

[2]姚粟，邓松圣，管金发.淹没水射流切割技术研究进展[J].煤矿机械，2018，39（01）：35-36.