高压水射流切割采煤设计

中国矿大成教院2007毕业设计（论文）摘 要：高压水射流技术是近三十年来发展起来的一项新技术，在采矿、冶金、石油、建筑、化工、市政建设及医学领域得到广泛应用并取得可喜的成果。从原理上讲，它与世隔绝我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。水力采煤中使用的水压通常为515MP，水枪出口直径为1530mm；而高水射的水压一般在30MP以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在2mm以下，最小的可达0.1mm。因此高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如100MP的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌。本毕业设计题目是水射流采煤机切割装置设计。主要阐述了高压水射流技术在采煤机上的应用之背景，优缺点和所需要解决的问题等方面的内容。高压水射流和采煤机联合进行破煤是一门新技术，需要解决的问题还很多。本设计主要是关于喷嘴在滚筒上的布置，水路控制系统和高压旋转密封等方面作初步的尝试。设计了一种用高压水射流控制水路，水射流辅助截齿破煤的滚筒结构。关键词：水射流； 截齿； 喷嘴； 滚筒1 水射流采煤综述1.1高压水射流概述煤炭作为我国一次能源的主体,它的持续、稳定和协调发展,无疑具有重大意义。采掘机械的技术水平则是发展煤炭工业中的关键环节。加强采掘机械的科学技术研究工作是煤炭工业增产、节约能源消耗、保障工人安全、高效率等方面的发展的重要技术手段。高压水射流技术是近几十年来逐渐发展起来的一门新兴技术。它的应用发展日趋成熟和广泛。在这种形式下，人们试途将高压水射流技术应用于矿山机械中，特别是采掘机械中，已经取得初步成果。这必将推动煤炭工业的进一步发展。高压水射流的基本原理是将具有一定的压力水通过直径较小的喷嘴形成的射流，并将这股射流作为工具进行破碎、切割和清洗等工作。一般水压在30MP以上，而喷嘴的直径仅在2mm以下。这样形成的水射流具有极高的能量，从而具有很强的打击力。高压水射流系统一般有如下几部分组成：压力源、喷嘴及其控制装置和连接它们的高压管以及其它。其附示意图如下：图1-1图中，低压泵2产生的低压水在增压器3中压力增大到指定压力值后，经过高压胶管的传送到喷嘴4形成高压水射流。数控箱6操作喷嘴移动，从而完成各种切割工作。切割后的废液经回收处理后排放。高压水射流在矿山机械中的应用，通过大量的实验和研究，已经取得了初步的成果。特别是在水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩方面有深入研究。实验证明，水射流和机械刀具联合切割破碎煤岩比单纯采用机械刀具破碎，切割具有无可比拟的优点。是解决目前机械刀具采煤中所遇到的问题的有效尝试。 1.2刀具采煤的弊端目前刀具采煤法面临的问题主要有以下几个方面。1）机械设备变得庞大而笨重。为了大幅度提高生产能力，采煤机的发展趋势是提高传动装置功率，从而使得机械设备越来越笨重。如AM-500型采煤机，其功率是2*375KW，两个滚筒中心距离达10m,总重量为32吨。不难想像，这么笨重的庞然大物在井下有限的空间里工作，对于巷道要求、支护、运输等方面影响是很大的。2）其次是截割阻力较大，机械的稳定性和传动零件强度储备下降，造成了维护和检修上的较大困难。3）消耗量上升。大多数工作面，即使在正常工作条件下，每采1千吨煤消耗截齿达4060个，因此截齿不能及时更换，变钝了的截齿使采煤机比能耗上升，生产能力下降。机器动载荷加大，出现很高的事故率。4）劳动环境恶劣。机械刀具切割破碎煤炭，造成的矿尘污染十分严重。虽然采取了喷雾灭尘等措施，但其效果并不理想。井下工人的尘肺病发生率是比较高的。还可能造成的问题是，截齿摩擦生热引起燃烧或煤尘、瓦斯等爆炸灾害也时有发生。以上几个问题在水射流和机械刀具联合切割破碎中，可以得到缓解。这在后面的还将提到。13 DY-150采煤机设计参数及水射流的优点本毕业设计是将高压水射流应用于滚筒采煤机上，高压水射流引入到滚筒采煤机之上和截齿配合破碎煤层。如图所示：1 喷嘴2截齿座3高压管图1-24相位阀设计基本要求和参数：喷嘴数：2个高压水射流压力：30MP喷嘴直径：d=15mm采煤机型号：DY150DY150型采煤机基本参数：采高：1.32.5m截深：0.6m滚筒直径：1.25m ，1.40m滚筒转速：63r/min牵引速度：06m/min牵引力：120KN装机功率：150KW机重：125T主要特征：单滚筒，液压有链牵引。水射流采煤机具有以下优点：1） 由于水射流的辅助破碎作用，截齿受力可显著降低，因而降低了截割部的电机功率。一般功率可降低30%60%，其生产能力可提高35%40%。2） 射流对煤体的湿润和对截齿的冷却作用，极大地提高了截齿的使用寿命，以及采煤机的工作效率。3） 射流具有明显的降尘作用，比喷雾灭尘等措施降尘效果要好得多，大大地改善了采煤工作面的环境。并且水射流还能抑制截齿切割时因夹矸而导致的产生火花现象。从而有利于安全生产。4） 射流的辅助破碎作用避免了切割刀具对煤体的大量粉碎性破坏，从而大大提高了煤质的块度。这对企业的经济效益提高有很大意义。因为煤的块度越大，其销售价格越高。通常6nm以下的粒径的碎煤占总量的35%40%，如果引入高压水射流进行联合破碎切割，可使之降到15%左右。以上是从优点方面说起，不过凡事有利必有弊。水射流技术应用于采煤机毕竟还处于起步阶段。很多问题急待解决。如高压管路的拖曳，高压旋转密封的耐压能力和使用寿命，比能耗较大等等。高压水射流技术的进一步发展，必将使上述问题得到有效解决。从而使水射流技术更加广泛地应用于矿山机械领域，为我国煤炭工业现代化作出重要的贡献。2 水射流性能简介21 非淹没式水射流这里简要介绍一下采煤机上应用的非淹没连续式水射流性能。所谓非淹没式即指水射流在大气中工作，也称作气水两相射流。一、气水两相射流的水动力学结构如下图，气水两相射流有三个部分组成：图2-11-喷嘴 2-喷嘴内主流 3-喷嘴内边界层 4-射流初始段 5-射流主体段 6-正激波阵 7-打击区 8-卸 载 波 阵 9-膨 胀 区 10-靶 体 部分是射流的上游，即喷嘴内部的流动； 部分是非淹没自由射流； 部分是射流在靶体表面上的流动图形。用以描述射流和靶体之间的相互作用。二、下图是射流的水动力学结构。图2-22.2 非淹没射流的动力特性水射流动压P=，是射流内单位体积的流体所携带的能量。它含有密度和速度两个参数，综合体现了射流速度衰减以及卷吸空气量的变化规律。动压是水射流最基本的也是最重要的参数。1 ）射流在喷嘴出口处的动压P0=-喷嘴出口和入口动压-速度系数由上可知,由于水射流在喷嘴内部流动的能量损失使得喷嘴出口压力小于喷嘴入口压力。2）射流基本段上的动压分布：由实验可以证明：射流基本段上各截面的动压分布可用下式表示其规律：f（）=（1-1。5）2 式中上式也可以用于初始段之内，只是把核心段边界作为计算径向距离的起点即可。3）射流轴心动压的衰减射流轴心上的动压在核心段内保持不变，只是越过核心段以后才开始衰减。为了简化研究，一般有以下五种假设：（1） 不存在水射流卷吸作用引起的气水混合；（2） 射流边界及截面上的静压为大气压；（3） 射流在喷嘴处（出口处）为均匀流；（4） 不存在影响射流的外力，重力忽略；（5） 射流与周围气体之间不存在能量损失。根据上述理想假设，我们可以通过射流动量守恒来分析轴心上射流动压分布衰减规律，并可以求出初始段长度。在喷嘴出口处和基本段内各取截面分析，两截面处动量守恒。J0=JxJ0=Jx=2引入无量纲径向距离：注：d-射流直径;X-离开喷嘴处距离;k-系数，和喷嘴有关0.120.18.则可得到：射流初始段长度XC,揭示了水射流内在规律,简化了水射流特性研究.由以下诸式不难求出:23 射流参数与计算1）水力参数计算：水力参数主要有驱动压力、流量、功率等等；其中对任何水射流工艺系统来讲，合理地选择驱动压力是一个关键性问题。当压力确定后，可以根据水力学公式计算其它的水力参数。一般有：P-射流驱动压力，MPaD-喷嘴出口直径，cmQ-喷嘴流量，l/minW-射流功率,KW-射流的初始速度，m/s射流的反喷力可估算出来:F=2PA*102NA-喷嘴出口截面积(A=)2）切割参数计算:根据具体的射流工艺系统,有如下切割参数:(1) 靶距:指喷嘴出口截面到工件表面之间的垂直距离,通常由实验确定之。一般不能使喷嘴离切割目标致太远。(2) 进给速度：指喷嘴与工件之间的相对速度，喷嘴和工件（切割目标）之间的相对运动。一般有：平动、转动、摆动、振动等等。一般可直接测出或根据工作条件等计算出来。(3) 切深（切宽）：指射流一次切割工件的浸深或切割宽度，可以测出。(4) 射流打击力：射流对工件的打击力，与靶距有关。(5) 破碎体积：V=bhv cm3/s b-切割宽度,cm h-切深, cm v-进给速度,cm/s(6) 比能耗：切割或破碎单位体积材料所消耗的能量。即E=N/V J/CM3比能是水射流工艺的综合质量指标。它反映了水射流系统的合理性及技术水平。根据以上公式，现将本设计有关计算列出：3 水射流与机械刀具联合切割机理31 联合切割机理原始采煤方法，是手工办法 后来发展到炮采，随着技术进一步提高，现在较普遍的是机械化采掘。用机械刀具破煤。如刨媒机，链式刀具的截煤机和滚筒采煤机等。又有液压支架等顶板支护设备和运煤 装煤的刮板输送机等。总之，采煤工作面的综合机械化发展水平已经比较先进了。不过刀具采煤法所面临的问题是比较多的，这在第一章已有表述。现在人们尝试用水射流和机械刀具联合破碎切割煤炭，已经取得初步成果。试验证明，高压水射流和机械刀具联合进行切割破碎煤岩等坚硬、脆性材料的有效办法。岩石通常被认为是一种具有微裂纹或不连续而构造特殊的物质。很容易受到缝隙水压力的影响。当具有高压力梯度的水流作用后，水会渗于孔隙之中而急剧影响到岩石的应力场，从而削弱岩石的强度。当高压水射流侵入刀具作用后产生的岩石裂纹后，射流的动压将转化为静压，使岩石裂纹扩展。因此这种作用不同于一般水流的冲蚀作用，而直接与岩石抗拉强度建立函数关系。这样所需水射流压力很小。反之，如果单纯采用水射流切割破岩，往往耗能较大，不够经济。所以一般采用水射流和机械刀具联合的办法32 水射流和机械刀具联合两方法根据不同结合方式和各自特点，可分为两种办法：一、水射流辅助截齿破碎法：这种办法一般是水射流和截齿之间有一定距离。水射流破煤过程不受截齿影响，而截齿则是在水射流进行预切割之后，担当破煤的主要任务。水射流的功能仅仅是进行预切割，只为截齿破碎创造有利条件。如下图所示：31245图3-11、喷嘴 2、水射流切槽 3、圆盘滚刀4、破碎块 5、未完全扩展裂纹二、水射流与截齿结合破碎法这种办法是水射流和截齿同时截割破碎煤层，两者一般相距较近，在12mm之内。两者的破碎溶为一体。当截齿的作用使得微裂纹稳定扩展到宏观裂纹时，水射流抢先一步进入裂纹，作用在裂纹内的静压力迫使裂纹撕开，煤岩得到破碎。由此可见，水射流作用已不是单纯怕预切割了，而是利用水楔作用，进一步降低截齿切割阻力。水射流和截齿相互依赖，共同完成碎煤过程。这两种办法，从切割效果讲，后者要强。不过,结合破碎方法要求射流和刀具作用点很近,使得截齿,喷嘴设计比较困难.辅助法则比较简单,特别喷嘴数量要求可少些,这对于结构布置提供方便。因此本设计采用辅助破碎之法。33水射流与刀具联合破煤的特点高压水射流切割煤体的特点，特别是水射流与刀具联合破煤的特点可概括如下：1）明显的降尘效果。高压水射流的降尘机理包括两个方面。一方面是水射流对煤体的渗透湿润，减少了刀具截煤时粉尘生成量。另一方面是水射流依靠扩散，反弹产生水雾，射流流量集中，压力高速度大，使截割区的相对湿度达到100%，这些水雾可捕捉空气中的粉尘。下面是效果统计表：表3-1水射流与刀具联合落煤降尘效果表矿井名称机组名称射流压力kg/cm2最大粉尘含量（mg/m3）平均粉尘含量淮南谢一矿MLQ-8035027123美国匹兹堡F6-A2206508842矿井名称K33M30018128枣庄八一矿旋摆式水机落煤器500小于102）机器重量轻，体积小，稳定性好。水射流落煤装置没有复杂的机械传动系统。零件少，系统简单。另外即是射流落煤时，反作用力极小，由于第二章可知：反作用力F=2PA，如果射流压力是35MPa，喷嘴直径2mm，那么F只有30公斤力左右。因而机器的稳定性极好。采用机械式落煤，由于受到反作用力很大，不得不将机器做得笨重粗大，以增加工作稳定性。3）大块煤率高。高压水射流在煤体中切割出一定数量的裁缝后，煤体被分割成若干悬臂煤柱而大块垮落。难以垮落的煤则截齿辅助切割，这时刀具受力小，因而粉煤和碎煤较少。4）能耗小，比能低，技术经济效果好。在试验初期，水射流耗能较大，但近几年来已有所改善，大量研究和实验证明，水射流破碎煤岩的能量损耗不一定比刀具高。34 校核参数条件 水射流有效切割水射流参数是有条件的,一般有以下几个方面须得到满足：1）足够的射流压力：一般可以计算出来。 求出射流对打击物形成有效破碎坑必需的速度V0： V0 单位: m/sV0射流流速， m/s煤的单向抗压强度 N/S2_冲击时煤的强化系数 =1.3左右0_水的密度 0=1000kg/m3C0_静止水中声速 C0=1500m/s2_煤的密度 2=1300kg/m3左右 C2煤中的声速， C2=11271619m/s 取C2=1300m/s K0水的倍增系数，k0=2当煤的普氏硬度f=1时，求出射流压力值,由伯努利方程：相当于55MPa。同样可以计算出f=0.5时,P=27MPa左右。本设计取P=30MPa,适合于f=0.51之间的煤。水量:水量受功率和煤水比等限制。为了降低功率,尽量应降低水量,同时煤中含水量也不可过大。水射流移动速度: 水射流有效作用时间为25毫秒，超过此时间，就会产生所谓“水垫”现象，切割效果降低。为此确定一个合理的水射流和煤体之间的相对速度，提高落煤效率是很重要的。一般取124.8m/s。由DY150型滚筒转速等参数：可计算出 V=可见基本上合格,满足要求。4 高压水射流采煤机水路控制系统41 阀控水路系统高压水射流破煤时，容易浪费能量。只要射流从喷嘴喷射出来，不管是否切割煤壁，也不管它与煤壁之间距离多大，它总是经额定功率运行，不象刀具破煤那样，如果刀具不工作，那么“空运转”时消耗的能量是很小的。为此，采用水射流切割煤体，应避免“空运转”，即当没有进行切割破碎时，射流不喷射。同时为了工人的安全起见，也要求水射流只能朝着煤壁方向喷射。为了以上所述的目的,必须对水路加一控制系统,一般是通过阀来控制射流的喷射。一般有三种阀:1）半圆周相位配水阀 这种制控方法一般是利用凸轮驱动截齿阀滑阀或锥阀的开启与闭合。使滚筒上的水射流只能在半圆周内喷射。使用这类配水阀必须严格保证阀芯的运动和滚筒的旋转完全匹配，并且要对每一个水射流喷嘴进行单独控制。见下图所示： 图4-1 2）截割力控制阀：这种控制方法一般是利用截齿破碎煤岩的切割阻力来控制供水阀的开启，也就是说只有截齿在切割煤岩时，它附近的水射流才向外喷射。如图所示：这两种方法一般来讲，安全性不是太高，现在本设计用的是电磁阀控制，同时通过感应截齿来控制电路的闭合。 图4-23）电磁阀控制：当感应截齿受到一定阻力时，就会接通电路，从而使电磁阀打开，水射流就喷射。原理图如下：图4-3当从外面引入电源时，由于滚筒是旋转的。这样就存在着如何从静止电源引入到到旋转部件上去的问题，受到直流电机原理的启发，这里采用了一种电刷装置。如下图所示： 图4-4图中绝缘套和轴一起旋转，电刷不动。具体可参看装配图。42设计内容本设计中用到的电磁阀，开关按钮等没有产品，需要特制才行。特别是电磁阀，要求耐压值很高。这些产品还需一定的寿命，一般要经过寿命试验合格才能用。总之，本设计中须解决的问题可以归纳为以下几个方面：1）需要各种高压泵。2）需要能满足相应压力的高压橡胶软管。这两点问题都不太大。主要是下面两个问题。3）高压回转接头是关键部件。要求耐压高，而且密封性能好，寿命长。这不容易做到。4）研制简单，实用可靠的自动喷射装置。要求体积小，密封性好，耐压和动作灵敏，寿命长。象本设计中用到的电磁阀感应截齿控制系统，效果还不太理想。 5 高压旋转密封结构51 几种密封装置当被连接的两个高压元件之间有相对的旋转运动时，需用到高压旋转接头。就是将高压水引入到旋转部件的问题。本设计是将高压水引入到旋转的滚筒之中。高压旋转接头要求耐压高，密封性能好，寿命长。首先要解决的是如何在高压力且有相对运动的情况下的密封问题。 下面介绍几种密封结构，从而探讨各自的原理。一、KQJ1型矿车清洗机中的高压旋转接头KQJ1型矿车清洗机中的高压旋转接头，其工作压力是15MPa，相对旋速是200300rPm。为了降低旋转轴和橡胶密封圈之间的摩擦阻力，提高使用寿命，在它们之间加了一个聚四氟乙烯滑套。工作原理：在液压作用下”O”型密封圈产生变形，并挤压滑套，使它贴紧转轴，从而起到密封作用。这种结构用于压力不太高的情况下，下面介绍一种相对高一点的压力下的旋转接头。图5-11-O型密封圈2-旋转轴3-聚四氟乙烯滑套二、RH25型半煤岩巷道掘进机旋转接头RH25型半煤岩巷道掘进机上使用的旋转接头，其工作压力70MPa，旋转速度50rPm。使用寿命可达1000小时。工作原理：在液压作用下，中间的支承垫向外侧滑动，使鼓形密封圈受挤压，产生径向变形，起到密封作用。这种密封作用能够自动补偿径向磨损间隙。 在超高压系统中，广泛采用金属组合密封。下面介绍的就是一种这样接头。图5-21. - 腔体 2. -端盘3. -弹簧4. -支承垫圈5. -鼓形密封圈6. -垫片7. -O型密封圈8. -固定螺栓9. -旋转轴10. -挡板三、金属组合密封。这种密封的特点是；摩擦阻力小。而且金属密封圈与旋转轴之间可以自动进行补偿。其结构原理图所示:图5-31. -腔体2. -旋转轴3. -静密封4. -高压管5. -密封套在液压力的下。“L”型金属密封圈向外移动压缩橡胶密封圈，橡胶密封圈的变形使”L”型金属密封圈始终紧贴转轴，起到密封作用。罗宾斯73114型岩石掘进机刀盘作用的高压水旋转接头原理和上面所述相同。如图所示；图5-41. -固定件2. -挡圈3. -O型密封圈4. -金属密封圈5. -挡圈图中1是固定件,其它是旋转件.其工作压力近400MPa,高压水产生的推动力，通过滚柱轴承传给固定件。2、3.4.5构成组合式自紧密封。四、双锥密封如图，这种密封工作压力可达700MPa.图5-51. -止推轴承2. -压力释放孔3. -放水孔4. -壳体5. -轴环6. -双锥密封7. -防松螺帽8. -高压管9. -直角配件10. -固定螺钉拧紧固定螺钉，通过止推轴承和轴环将力传给轴，使之压在双锥密封上，因而壳体和轴之间形成密封。在高压水作用下，轴和壳体与双锥密封体之间产生分离作用,从而减少了密封摩擦。由于双锥体是硬金属制造的，摩擦系数较小，使用寿命较长，分离作用造成的附加轴向力由止推轴承承受。若发现有少量泄漏，可适当调节固定紧螺钉。5.2 本设计的高压旋转密封结构通过以上几种高压旋转密封接头的结构分析，我们不难发现其工作原理都是相似的。一般都是利用高压水产生的压力使密封件贴紧旋轴，压力水的压力越大，这种贴紧力也越大，从而解决了压力水的压力越大越易泄漏的矛盾。不过带来一个问题就是摩擦问题，一般是通过利用摩擦力小的材料制成密封件来解决这个问题。如聚四氟乙烯，各种合金等。受到这些原理的启发，本设计用的高压旋转接头结构如下图所示；由于本设计的工作压力只有30MPa，因此设计的结构不必太复杂。如图所示：图5-61、 -外壳2、 -O型密封圈3、 -金属挡圈4、 -聚四氟乙烯滑套5、 -挡圈6、 -旋转轴6 高压水射流喷嘴结构设计61 喷嘴作用喷嘴是高压水射流发生装置的执行元件。喷嘴的作用是通过喷嘴内孔横截面的收缩，将高压水的压力能聚集起来，并转化为动能，最后以高速水射流的形式向外喷出，用以对工件进行作业。喷嘴又是射流切割、破碎与清洗工艺的执行元件。一个连续水射流喷嘴，例如水力采煤、船体清洗、高压喷射钻井等场合使用的喷嘴，它传输的长时功率高达102至103KW。而脉冲水射流喷嘴所传输的瞬时功率则是104至105KW。因此，喷嘴的能量传输效率始终是水射流切割、破碎与清洗工艺的技术关键问题。62 连续高压水射流喷嘴种类。按喷嘴内孔横截面的形状，可分为圆锥收敛型喷嘴，圆锥带圆柱出口段型喷嘴和流线型喷嘴。圆锥收敛型喷嘴,比较容易加工,但射流的密集性较差,常用于对水射流射程要为不高的场合.流线型喷嘴虽然流量系数较大,能量损失小,但加工困难,很难达到原设计要求的形状。目前仍处于实验阶段，很少应用于现场。圆锥带圆柱出口段型喷嘴是在圆锥收敛型喷嘴的基础上发展起来的，圆柱出口段的增加，能提高其流量系数，改善射流性能，是目前最常用的一种。63 对喷嘴的质量要求喷嘴质量的好坏，直接影响水射流的品质和效率。一般对水射流喷嘴有如下要求：（1） 保证射流具有适当的功能；（2） 射流的密集性比较好，保证射流具有较远的射程；（3） 应具有一定的寿命；（4） 拆卸，维护方便；（5） 成本低。64喷嘴设计原理，小孔出流基本理论。1） 薄壁孔口出流如图所示：水箱中的水从四面八方向孔中汇集流出，由于流体质点运动时的惯性，当绕过孔口边缘时流线不能折角改变方向，只能渐渐弯曲，于是水流经过孔口断面后仍继续弯曲向中缩。图6-1实验证明,在距孔口 处(d为孔口直径),流束断面收缩至最小。利用伯努利方程可以求出断面C处的流速VC和流量QC。 Vc= QC=Q0 速度系数,孔口出流时取0.970.98; 流量系数,孔口出流时取0.600.62; 流速断面收缩系数,一般为0.620.64; 理想流出量; 由此可见，薄壁小孔出流的速度系数较高，但由于出流断面收缩，其流量系数过小。2） 短管出流如图所示，在孔口处接一个长L=（34）d的圆柱形短管。这样，流入短管的水流首先产生断面收缩，而后流束将逐渐扩大，至管出口处将充满短管而流出。通过水力学计算可以得到：速度系数 =0.82 图6-2流量系数= =0.82。这是因为短管出口为满流无法断面收缩。可见，短管出流流量系数比薄壁孔口出流高。3） 喷嘴出流在高压水射流系数中，喷嘴直径很小，而高压管路直径比较大。如果把喷嘴与高压管路直径连起来，会使喷嘴出口前阻力损失加大，从而降低了喷嘴出口处的压力，同时还会出现如短管出流图中所示的旋涡低压区。这个旋涡低压区的压力低于大气压，形成一定的真空度。由流体力学可知，真空度随着水压增大而增大。当真空度过大时，会从出口处吸入空气，破坏了流束状态。因此，用一定形状的喷嘴，使高压管路截面连续均匀地过渡到出口面积。显然，最佳喷嘴形状是流线型的。但由于难以加工，目前工程中使用的水射流喷嘴多是出口带圆柱段的锥形收敛形喷嘴。4）喷嘴出口速度，流量及速度，流量及直径计算公式： 已知P和Q,则65 喷嘴的基本结构和材质如图所示：这是喷嘴的基本结构图6-3流量系数和圆锥角2密切相关。可用曲线表示如下：流量系数和圆锥角关系曲线图6-4由图可见流量系数的最大值相应于2=132 ，一般取2=1214。喷嘴的材质选择要根据不同条件而变化。如用于清洗，切割的水射流喷嘴，压力很低。一般可采用成本较低，容易加成形的材料，如铜、不锈钢、轴承钢、渗碳钢等。而对于那些精密切割，超高压系统中的水射流喷嘴，由于喷嘴要支称高压和高速水流的作用，要喷嘴具有足够的机械强度和耐磨性，以及耐腐蚀性。一般采用碳化钨硬质合金，金刚石或人造宝石等材料。66 喷嘴各参数对水射流性能的影响1）圆锥段收缩角大量的试验表明：当喷嘴的收缩角很小时，射流密集性比较差，而且喷嘴的轴向尺寸很长。随着收缩角的加大，出口边界层厚度减小，因此射流的密集性是随着收缩角的增加而减小。由此可见，为了保证射流的切割能力，收缩角有一个最佳值。另外,由于喷嘴的收缩作用,当加速因子达到一定值时,喷嘴内的阻力会下降,出现类似层流的阻力现象,这种现象称为层流化现象。加速因子k为：k=dy/dxk-加速因子 r-流体运动粘度v0-喷嘴内核心区速度v-边界层中流体流动速度x-射流离开喷嘴出口的距离考虑以上诸因素,一般取收缩角为：1314之间为好。2）喷嘴出口圆柱段长度：通过大量试验分析表明：随着圆柱段长度的增加，出口速度随之增加，而射流的密集性的长度却随之而减小。因此喷嘴出口圆柱段长度也存在着一个最佳值。另外，喷嘴圆柱段收缩角的大小及流体流动条件，对圆柱段的最佳长度是有一定影响的。考虑到这些因素，一般取圆柱段长度为喷嘴出口直径的2.53倍最合适。3）喷嘴内孔表面的粗糙度喷嘴内孔表面的粗糙度是决定射流品质和喷嘴的寿命的重要因素。喷嘴内孔表面微小的凸凹不平,会导致射流产生较大的初始扰动,这种扰动将引起流体的压力波动。在高速射流中，这种压力波会引起严重的局部空穴现象，如果喷嘴的材料硬度不足，喷嘴将遭到破坏。对喷嘴内孔加工粗糙度的分析其变化情况表明：随着粗糙度的增加，射流出口边界厚度增加，出口速度减小，加速因子减小，同时喷嘴内产生分离的可能性增大，层流化的可能性变小，射流的密集性和切割能力变差。因此，喷嘴内孔表面是越光滑越好。对于钢制喷嘴和碳化钨喷嘴，圆锥内表面的粗糙度最大允许值为0.2um，圆柱段内表面的最大允许粗糙度为0.1um。67失效形式：喷嘴的失效形式主要表现在以下几个方面：1）在一定的靶距上，射流的打击力下降超过允许值；2）在一定的靶距上，射流的扩散超过允许值，即射流发生了散射；3）喷嘴破裂。高压水流经过喷嘴断加速，由于喷嘴内表面的影响，水流边界发生挠动，待流到高速区时，逐渐形成涡流，同时由于喷嘴出口的收敛作用，在喷嘴出口圆柱段内也将产生涡流区，这些都能使高速水流产生气穴，并对喷嘴口内壁产生气蚀。随着气蚀作用的不断发展，使喷嘴出口内表面的粗糙度不断增大，同时横断面积增加，以致出现严重磨损状况。从喷嘴喷射出的高压水射流，由于在喷嘴内部受到某种干扰，加之在喷嘴出口处又卷入了部分空气，将使水射流发生扩散。随着气蚀损伤的发展，加剧了射流的扩散作用，且主射流的扩散超过允许值。这时喷嘴出口往往出现单边磨损的现象，加速了喷嘴的失效过程。喷嘴磨损以后，不仅使射流发生散射，而且在流量不变的情况下，将使射流喷射压力降低，从而减小了射流的打击力。这样也会导致失效。有时，喷嘴受到的液体腐蚀作用也不可忽视。68 本设计中的喷嘴由于本设计中喷嘴工作压力不大，并且数量较小，考虑这些因素，材料可用不锈钢。但最好用碳化钨合金。虽然价格贵些，但数量为多。2=13 d=1.5mm圆圆柱柱出口段长度L=4mm考虑到具体工作环境,结构如下：（和基本结构稍有不同）图6-57 滚筒结构参数 螺旋滚筒一般有叶片，端盘，筒毂三部分组成。对螺旋滚筒一般有如下要求：1）比能耗低；2）滚筒所受阻力幅值变动量小；3）具有一定的可靠性；4）自行切入煤壁之能力；5）截齿装拆方便，且不易丢失。滚筒的结构参数有如下几个方面：一、 滚筒的三个直径：1）滚筒直径D：指从滚筒截齿尖测量。滚筒直径D有一定系列：0.5、0.55、0.60、0.65、1.00、1.10、1.25、1.40、1.60、1.80、2.00、2.30、2.60m。其选择原则：（1）对于单滚筒：D H（煤厚）一次采全高D0.550.6H.往返采全高（2）对于双滚筒：D0.55H2）叶片直径Dy：截齿的最大切屑厚度受截距tmax限制。Hmax=Hmax_最大切屑厚度tmax_最大截距b,_截齿截刃宽度和截槽崩裂角。一般有如下规定：2 Hmax0.7(DDy)所以, DyD1.43(tmaxb)ctg3）筒毂直径Dg:筒毂直径Dg愈大,则滚筒内容纳碎煤的空间愈小,碎煤在滚筒内循环和被破碎的可能性愈大。一般规定：D1m时,DY/Dg2D1m时, DY/Dg2.5二、滚筒的宽度B：滚筒结构宽度B一般大于实际截深。我国的滚筒宽度系列为：500、600、630、700、750、800、900和1000mm。三、螺旋叶片升角螺旋叶片头数主要是按截割参数的要求确定。D1250时，用双头；D1400时，用双头或3头；D1600时，用3头或4头。根据叶片的旋向，分为左旋，右旋滚筒。左旋：头数为2图7-1右旋：头数为2图7-2叶片升角ai=arctg(L_导程Di_任意直径则ay=arctg(,ay称之为螺旋滚筒的名义升角。由ay可计算出每个叶片对滚筒的围包角：By= By_叶片占有滚筒的宽度双头螺旋滚筒的叶片围包角取210,三头时取140,四头时取105.一般ay=830四、端盘：端盘一般为锥形，厚度约4050mm,倾角1530。端盘和筒毂、叶片是焊为一体的。8 截齿和喷嘴的布置81 截齿的配置在设计滚筒时，合理选择其工作参数，特别是合理选择截齿的配置方式，对于提高煤的块度，降低比能耗有着重要意义。另外对滚筒的受力也有影响，尽量使之受载荷变动较小，从而增加机器运行的稳定性。截齿在螺旋滚筒上的布置，一般用截齿配置图来表示。以MLS3170采煤机为例：见下图。 图8-1 图为截齿尖所在圆柱面的展开图。水平直线表示齿尖的运动轨迹，即截线。相邻两截线之间的距离为截距t。小圆圈代表0齿的位置；小黑点代表安装角不为0，所谓0齿指的是安装角为0，截齿斜向煤壁为正方向，而向采空区方向倾斜则为负方向。螺旋叶片和端盘上的截齿分别约占滚筒截齿数的80%和20%。由于工作条件的不同，它们配置原则也可以不同。一、 叶片截齿的配置一般根据煤的性质和采煤机的参数不同而确定截齿的配置方式、截距和每条截线上截齿数。叶片上截齿常见的配置方式有交错式和顺序式。1 交错式。这种配置方式的特点是：切屑厚度大，切屑断面形状对称，截槽两侧受力基本平衡，每条截线配置齿数只有一个。见下图所示：图8-2 2顺序式。这种配置方式的特点是：切屑断面形状不对称，截槽两侧受力不平衡，存在着侧向力。每条截线配置两个齿。 图83两者的配置方式比较起来，在相同的牵引速度下，截齿数和每个截齿的切屑厚度相差一倍。根据切屑参数的不同，各有其适用范围。一般和切屑厚度h和截距t有关,可参见下图:图84如图中所示: A适用顺序式. B适用交错式。端盘截齿的配置端盘的最靠近煤壁的边缘截线上的截齿，一般其安装角在5355之间。这样有利于滚筒斜切入煤壁。这条边缘截线上的截齿工作条件最差，因此配置的截齿数目是最多的。其靠煤壁侧的截刃一般倾斜角度在 810之间，与煤壁之间留有间隙。端盘上的截线之间距离比较小。平均截距大约是叶片截齿的一半。每条截线上的截齿数一般应比叶片上的截线布置的截齿数要多23个截齿。端盘截齿一般分为24组，每组有一个0截齿，26个倾斜安装的截齿，倾角应随着滚筒转向从小到大的顺序排列。截距应从煤壁逐渐向外增大，每组截齿中还可设一个向采空区倾斜2030的截齿，以抵消一部分滚筒