人工淹没的空化射流喷丸装置、其工作方法及组合式喷嘴
阅读说明：本技术 人工淹没的空化射流喷丸装置、其工作方法及组合式喷嘴 (Artificially submerged cavitation jet shot blasting device, working method thereof and combined nozzle ) 是由 王高伟 杨勇飞 施卫东 谭林伟 曹宇鹏 于 2021-08-13 设计创作，主要内容包括：本发明提供一种人工淹没的空化射流喷丸装置,包括储水箱、高压管路系统、低压管路系统、组合式喷嘴、工作水箱和空泡冲击波反馈系统；组合式喷嘴包含内喷嘴和外喷嘴两部分；组合式喷嘴置于工作水箱内,工作水箱下方设有排水阀；高压管路系统包括通过高压水管依次连接储水箱的第一阀门、第一过滤器、柱塞泵、第一蝶阀和组合式喷嘴的内喷嘴,柱塞泵通过信号线依次连接第一变压器和智能计算机,柱塞泵由第一变压器控制转速；本发明的人工淹没的空化射流喷丸装置,采用声波传感器捕捉空化射流和空泡冲击波的状态、强度和对材料的冲击效果,从而反馈并调节,实现空泡冲击强化效果的最优化,同时还可避免对材料表面造成的汽蚀破坏。(The invention provides an artificially submerged cavitation jet shot blasting device, which comprises a water storage tank, a high-pressure pipeline system, a low-pressure pipeline system, a combined nozzle, a working water tank and a cavitation shock wave feedback system, wherein the water storage tank is connected with the high-pressure pipeline system; the combined nozzle comprises an inner nozzle and an outer nozzle; the combined nozzle is arranged in the working water tank, and a drain valve is arranged below the working water tank; the high-pressure pipeline system comprises a first valve, a first filter, a plunger pump, a first butterfly valve and an inner nozzle of a combined nozzle which are sequentially connected with the water storage tank through a high-pressure water pipe, the plunger pump is sequentially connected with a first transformer and an intelligent computer through signal wires, and the rotating speed of the plunger pump is controlled by the first transformer; the artificially submerged cavitation jet shot blasting device adopts the sound wave sensor to capture the states, the intensities and the impact effects on the material of the cavitation jet and the cavitation shock waves, thereby feeding back and adjusting the states, optimizing the cavitation shock strengthening effect and avoiding cavitation damage to the surface of the material.)
技术领域
本发明属于机械领域，尤其涉及用于空化射流强化技术领域，具体涉及一种人工淹没的空化射流喷丸装置、其空化射流喷丸工作方法及用于人工淹没的空化射流喷丸装置的组合式喷嘴。
背景技术
喷丸强化是提高金属材料力学性能最常用的技术，在工业上得到了广泛的应用，传统喷丸利用不同尺寸和材料的弹丸引起局部塑性变形，在金属表面引入残余压应力，从而疲劳寿命和强度。然而，凹坑增加了表面粗糙度，这对疲劳性能不利，且该技术会产生大量污染。在过去的几十年里，一些替代的喷丸技术已经开发出来，以克服这些限制。激光冲击强化技术是通过激光诱导冲击波作用于材料表面，在材料表面形成残余应力，其冲击强度和深度极大，但需要较长的加工时间、特殊的表面处理和昂贵的设备。
近年来，高压水射流技术已成为一种先进的表面改性技术。高压水射流技术具备成本低、冲击力强、效率高等特点，被广泛应用于清洗、切削、抛光等多种加工领域。当高压水射流处于淹没状态时，射流边界在强剪切作用下产生大量空泡，通过对流场中空泡的合理利用，可以在同等工作压力条件下使射流的冲击性能得到显著提高。
在水力机械中，空化是一种有害现象，随着科学技术的发展，人们开始发现空化现象所具有的开发价值，因此开始由抑制转而利用，特别是空化水射流的应用最为广泛。空化射流是一种将空化现象与水射流技术相结合的、操作简单且具有发展前景的新型射流技术，是利用空泡溃灭引起的极大冲击力加强高压水射流的清洗、破碎和切割能力。与喷丸强化相比，空化强化的优点是表面粗糙度增加较小，因为在空化强化过程中不会发生固体碰撞。
目前，空化射流喷丸装置的空泡冲击强化效果不佳，且容易造成材料表面汽蚀破坏现象。
同时，喷嘴设计是水射流的一个基本方面，在空化射流起着至关重要的作用。空化射流喷嘴的结构对水射流的效果会有很大的影响。中国专利公开号CN108296040A、名称为“一种人工淹没式的水力空化喷嘴”的文献中公开的组合喷嘴，高压水经过内喷嘴后变为高速空化射流，然后射入外喷嘴内腔的低压水中，进行空化，大大提高了射流空化率，但由于低压水入口设置在外喷嘴与空腔体连通的侧壁面上，导致喷嘴喷出的射流容易发散，降低了射流的空化效果。
发明内容
本发明的目的是提供一种人工淹没的空化射流喷丸装置及其工作方法，以解决背景技术中所提出的缺陷或问题。
为实现上述发明目的，本发明的实施例提供一种人工淹没的空化射流喷丸装置，其创新点在于，包括储水箱、高压管路系统、低压管路系统、组合式喷嘴、工作水箱和空泡冲击波反馈系统；
其中，所述组合式喷嘴包含内喷嘴和外喷嘴两部分；所述组合式喷嘴置于工作水箱内，所述工作水箱下方设有排水阀；
所述高压管路系统包括通过高压水管依次连接储水箱的第一阀门、第一过滤器、柱塞泵、第一蝶阀和组合式喷嘴的内喷嘴，所述柱塞泵通过信号线依次连接第一变压器和智能计算机，所述柱塞泵由第一变压器控制转速；
所述低压管路系统包括通过低压水管依次连接储水箱的第二阀门、第二过滤器、离心泵、第二蝶阀和组合式喷嘴的外喷嘴，所述离心泵通过信号线依次连接第二变压器和智能计算机，所述离心泵由第二变压器控制转速；
所述空泡冲击波反馈系统包括声波传感器，所述声波传感器位于工作水箱一侧，所述声波传感器通过信号线连接智能计算机，所述声波传感器将声波信号传输给智能计算机，所述智能计算机用于综合分析声波传感器捕获的信号并指导离心泵和柱塞泵的泵压调节。
本发明的实施例另外还提供一种人工淹没的空化射流喷丸装置用组合式喷嘴，其包括内喷嘴和外喷嘴两部分，所述内喷嘴上游连接有一高压喷管，所述内喷嘴的下方连接有一高压喷头，所述高压喷头选用角型空化射流喷头。
优选的，所述内喷嘴与高压喷管的一端可拆卸连接，所述高压喷管的另一端与外喷嘴可拆卸连接。
进一步的，所述外喷嘴包括设置在两侧位置处的两空腔体，所述外喷嘴的顶端壁上设置与空腔体连通的低压水入口，所述外喷嘴的底端出口处设置收缩段；所述外喷嘴的上游端面设置多个管道连接孔，每一所述管道连接孔内可拆卸安装有高压喷管。
优选的，所述高压喷管的上端面设置为高压入水口，所述高压入水口与高压管路系统的高压水管可拆卸连接，所述低压水入口与低压管路系统的低压水管可拆卸连接。
优选的，所述低压水入口设置于外喷嘴的上游端面，且与高压水入口平行。
优选的，两所述空腔体内设置有整流栅。
优选的，所述低压水入口不少于两个。
本发明的实施例还提供一种使用人工淹没的空化射流喷丸装置进行空化射流喷丸的方法，包含以下步骤：
步骤一：对工件进行预处理：用无水乙醇清洗工件表面，除去工件表面的油污和灰尘，使工件表面更光洁，防止对空化射流强化过程产生干扰；
步骤二：工件的夹紧定位：将工件放置于工作水箱内，用夹具固定好，并调节好冲击靶距和起点位置；
步骤三：打开低压管路系统中的离心泵开关，向喷嘴中注入低压水，使得工件淹没在低压水中；
步骤四：打开高压管路系统中的柱塞泵开关，向组合式喷嘴中注入高压水；
步骤五：观测智能计算机对声波传感器所反馈的空泡冲击波特性，向变压器输出转速调节信号，控制柱塞泵的转速，从而调节冲击压力；
步骤六：控制组合式喷嘴以恒定靶距在工件表面扫描，直到工件表面达到处理要求为止；
步骤七：通过第一变压器和第二变压器关闭柱塞泵和离心泵，将经过处理的工件取下并进行烘干处理。
本发明的上述技术方案的有益效果如下：
（1）本发明的人工淹没的空化射流喷丸装置，采用声波传感器捕捉空化射流和空泡冲击波的状态、强度和对材料的冲击效果，从而反馈并调节，实现空泡冲击强化效果的最优化，同时还可避免对材料表面造成的汽蚀破坏。
（2）本发明的人工淹没的空化射流喷丸装置，所采用的组合式喷嘴，包括内喷嘴和外喷嘴，能够实现同时接入高压水与低压水，且内喷嘴的高速水出口位于外喷嘴提供的淹没式低压水环境中，提高了空化率，低压水入口与高压水入口平行，使喷嘴喷出的射流不容易发散，提高了射流的强化效果，低压水入口通道设置了整流栅，使水流经过后成平行线性流动，保证了系统水压的稳定性，设置了多个内喷嘴，提高了工作效率；解决了目前的喷嘴中，将低压水入口设置在外喷嘴与空腔体连通的侧壁面上，导致喷嘴喷出的射流容易发散，降低了射流的空化效果的问题。
（3）本发明的人工淹没的空化射流喷丸装置及其喷丸方法，喷丸效率高，效果好，成本低，节约了水资源，可以用于工件表面性能的强化。
附图说明
图1为本发明的人工淹没的空化射流喷丸装置的系统示意图；
图2是本发明的组合式喷嘴的外喷嘴的俯视图；
图3为图2的横向剖面图；
图4是本发明的组合式喷嘴的俯视图；
图5是图4的横向剖视图。
附图标记说明：1、储水箱；2、第一阀门；3、第一过滤器；4、离心泵；5、柱塞泵；6、第一蝶阀；7、组合式喷嘴；8、工件；9、声波传感器； 10、工作水箱；11、排水阀；12、智能计算机；13、第一变压器；14、外喷嘴；15、内喷嘴；16、高压管道；17、低压水入口；18、空腔体；19、收缩段；20、管道连接孔；21、高压水入口；22、整流栅；23、第二阀门；24、第二过滤器；25、第二蝶阀；26、第二变压器。
具体实施方式
为使本发明要解决的技术问题、技术方案和优点更加清楚，下面将结合附图及具体实施例进行详细描述。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”、“前”、“后”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应作为广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
如图1-图5所示，一种人工淹没的空化射流喷丸装置，包括储水箱1、高压管路系统、低压管路系统、组合式喷嘴7、工作水箱 10和空泡冲击波反馈系统。
其中，所述组合式喷嘴7包含内喷嘴15和外喷嘴14两部分；所述组合式喷嘴7置于工作水箱 10内，所述工作水箱 10下方设有排水阀11。
所述高压管路系统包括通过高压水管依次连接储水箱1的第一阀门2、第一过滤器3、柱塞泵5、第一蝶阀6和组合式喷嘴7的内喷嘴15，所述柱塞泵5通过信号线依次连接第一变压器13和智能计算机12，所述柱塞泵5由第一变压器13控制转速。
所述低压管路系统包括通过低压水管依次连接储水箱1的第二阀门23、第二过滤器24、离心泵4、第二蝶阀25和组合式喷嘴7的外喷嘴14，所述离心泵4通过信号线依次连接第二变压器26和智能计算机12，所述离心泵4由第二变压器26控制转速。
所述空泡冲击波反馈系统包括声波传感器9，所述声波传感器9位于工作水箱 10一侧，所述声波传感器9通过信号线连接智能计算机12，所述声波传感器9将声波信号传输给智能计算机12，所述智能计算机12用于综合分析声波传感器9捕获的信号并指导离心泵4和柱塞泵5的泵压调节。本发明由于在高压管路系统和低压管路系统分别设置有柱塞泵和离心泵，柱塞泵输入的高压水进入内喷嘴，离心泵输入的低压水进入外喷嘴产生淹没环境，射流边界在强剪切作用下产生大量空泡，产生空化，空泡溃灭会产生噪声，空化数是描述射流中空化程度的无量纲量。当空化数较低时，气泡数量极大，且基本以大尺度气泡为主，空化噪声频率同气泡尺度成反比，所以此时噪声频率较低；声波传感器9监测工作水箱 10内的噪声频率（噪音频率由空化数不同所引起噪音频率不同），经过A/D转换被数据采集器接受，并将所监测到信号发送至智能计算机12，智能计算机12对空泡冲击波（空化数及噪音频率）进行分析，当空化效果达不到所设定的要求时，智能计算机12向第一变压器13输出转速调节信号，控制柱塞泵5的转速，通过控制柱塞泵5或离心泵4工作情况来调节空化数，从而调节冲击压力，使冲击效果最佳。
本发明的实施例另外还提供一种人工淹没的空化射流喷丸装置用组合式喷嘴，其包括内喷嘴15和外喷嘴14两部分，所述内喷嘴15上游连接有一高压喷管，所述内喷嘴15的下方连接有一高压喷头，所述高压喷头选用角型空化射流喷头。
优选的，所述内喷嘴15与高压喷管的一端可拆卸连接，所述高压喷管的另一端与外喷嘴14可拆卸连接。
在本发明进一步的实施例中，所述外喷嘴14包括设置在两侧位置处的两空腔体18，所述外喷嘴14的顶端壁上设置与空腔体18连通的低压水入口17，所述外喷嘴14的底端出口处设置收缩段19；所述外喷嘴14的上游端面设置多个管道连接孔20，每一所述管道连接孔20内可拆卸安装有高压喷管。在本实施例中，为了提高工作效率，外喷嘴14上游断面设置五个管道连接孔20，用于高压水进入外通道，可连接最多五个内喷嘴15，如图所示，在具体实施例中，内喷嘴15设置三个。
优选的，为了方便本发明喷嘴的拆装及更换，所述高压喷管的上端面设置为高压入水口，所述高压入水口与高压管路系统的高压水管可拆卸连接，所述低压水入口17与低压管路系统的低压水管可拆卸连接。
优选的，为了使得低压水进入时不影响喷嘴的空化效果，且保证射流不发散，所述低压水入口17设置于外喷嘴14的上游端面，且与高压水入口21平行。
优选的，为了使水流经过后成平行线性流动，保证了系统水压的稳定性，两所述空腔体18内设置有整流栅22。
优选的，为了保证外喷嘴14的空腔体18的低压水输入均匀且进水冲击力相互抵消，所述低压水入口17不少于两个。如图所示，在具体实施例中，低压水入口17设置四个。
本发明的人工淹没式的组合式喷嘴7，结构简单，易于拆装。高压水进入内喷嘴15后，高压水流经过圆柱段出口时，流道截面积迅速变小，高压水变成高速水，在进入外喷嘴14提供的淹没低压水环境中，射流边界在强剪切作用下产生大量空泡，产生空化，使射流的冲击性能得到显著提高。
本发明的实施例还提供一种使用人工淹没的空化射流喷丸装置进行空化射流喷丸的方法，包含以下步骤：
步骤一：对工件8进行预处理：用无水乙醇清洗工件8表面，除去工件8表面的油污和灰尘，使工件8表面更光洁，防止对空化射流强化过程产生干扰；
步骤二：工件8的夹紧定位：将工件8放置于工作水箱 10内，用夹具固定好，并调节好冲击靶距和起点位置；
步骤三：打开低压管路系统中的离心泵4开关，向喷嘴中注入低压水，使得工件8淹没在低压水中；
步骤四：打开高压管路系统中的柱塞泵5开关，向组合式喷嘴7中注入高压水；
步骤五：观测智能计算机12对声波传感器9所反馈的空泡冲击波特性，向变压器输出转速调节信号，控制柱塞泵5的转速，从而调节冲击压力；
步骤六：控制组合式喷嘴7以恒定靶距在工件8表面扫描，直到工件8表面达到处理要求为止；
步骤七：通过第一变压器13和第二变压器26关闭柱塞泵5和离心泵4，将经过处理的工件8取下并进行烘干处理。
以上所述是本发明的优选实施方式，应当指出，对于本技术领域的普通技术人员来说，在不脱离本发明所述原理的前提下，还可以作出若干改进和润饰，这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。
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