多股磨料组合射流钻孔效能研究

岳桂杰 保承军 谷莉

（兰州城市学院，兰州 730070）

多股磨料组合射流钻孔效能研究

岳桂杰 保承军 谷莉

（兰州城市学院，兰州 730070）

为了提高多股磨料射流喷嘴的钻孔效能，本文以固液两相流理论为基础，以实验为依据，分析了磨料混合方式、射流喷嘴结构参数、磨料尺寸等参数对钻孔效能的影响，对磨料组合射流技术在钻孔作业中的应用具有借鉴意义。

组合射流 钻孔效能 影响因素 研究分析

多股磨料组合射流广泛应用于机械加工、地层开采等技术中。多股磨料组合射流是将高速或高压流动的液体（一般是水）与固体颗粒磨料混合后形成的固液两相介质射流[3]。

采用多股组合磨料射流，能使固液两相流喷射时的能量具有整体包络叠加和局部集中的特性，能够有效地实现破岩钻孔[7]。但多股磨料组合射流钻孔效果受到多种因素的影响，其中主要影响因素有磨料的混合方式、喷嘴的结构型式、喷距等。因此，研究影响多股磨料组合射流的影响因素可以提高这项技术在现场作业中的作业效率，从而提高能源利用率与经济效益。

1 磨料的混合方式对钻孔效能的影响

目前现场作业中，磨料的混合方式主要有后混合式与前混合式两种，其中以前混合方式为主。

（1）后混合式磨料射流。如图1所示，液体经高压泵直接进入混合腔，然后经喷嘴高速流出，在液体流束高速流出时在混合腔内形成一定的真空度，这样造成磨料箱和混合腔之间有了一定的压力差，磨料在自身重力和压力差作用下被抽入混合腔里，然后与液体射流发生掺混和扩散，最后经喷嘴流出。

图1 后混合式磨料射流系统

在这种混合方式中，虽然转轴速度很高，但形成的真空度是有限的，磨料仅靠较小的真空度自身重力被吸入混合腔，而且由于混合腔内高速流动的液流表面张力很大，使得进入混合腔的磨粒很难充分地与高速液流混掺在一起，磨粒被喷嘴喷射出时速度不是很大，工作效果较差。实验表明，其最高工作效率约达30%[6]。

（2）前混合式磨料射流。如图2所示，前混合式磨料射流液体经高压泵泵出的液体分成两路，一路经节流阀6、单向阀7进入磨料箱8与磨料进行初步混合，使磨料处于“拟流体”的流化状态。然后与高压泵泵出的另一路进入混合腔的液体进行二次混掺，再通过后续管道进入喷嘴，经喷嘴加速后以充分混掺的磨料液体状喷出。由于磨料经过两次混掺，与液体充分混合，两相流速基本保持平衡，两相速度差接近零，大大改善了混合效果，使得磨料被喷嘴喷出时具有了更大的速度，获得了较高的动能，从而提高了磨料的切削性能。射流效果明显高于后混合式磨料射流。

图2 前混合式磨料射流系统

2 喷嘴结构参数对钻孔效能的影响

图3 多孔喷嘴结构参数示意图

如图3所示，多孔喷嘴的结构参数主要有：喷嘴直径d0、喷嘴轴锥角α、喷嘴长度l、喷嘴轴心分布圆直径D等。

（1）喷嘴直径对钻孔效能的影响。从图4可以看出，喷嘴直径越大，流量越大，喷射功率也越大，所以使得钻出的成孔直径和成孔孔深有增大趋势。但其无因此孔径、孔深基本不受喷嘴直径的影响。如图4所示，喷嘴当量孔径依次取为0.223 cm、0.264 cm、0.289cm，在相同压强（均为19MPa）作用下，其射流流量分别为0.001m3/s、0.0012m3/s、0.0014m3/s。无因次钻孔深度分别为：14.26、14.17、14.42，无因次钻孔孔径分别为10.69、10.81、10.97。

图5 喷距对孔深孔径的影响

（2）喷距对钻孔效能的影响。图5是通过试验测得的喷距与对孔径孔深之间的关系曲线。从图中可以看出：①成孔孔深先是随着喷距增大略有增大，但超过一定范围后孔深急剧减小，使孔深处于最佳范围的喷距约为喷嘴当量孔径16至18倍。②成孔孔径随喷距的增大而增大。所以综合考虑成孔孔径与孔深，喷距不可以取得过大。

（3）孔数对钻孔效能的影响。图6是取孔数分别为6和7的两种喷嘴进行实验。从曲线可以看出，成孔的无因次孔深孔径随孔数的增多有所增大，但增大不明显，说明喷嘴孔数对孔深孔径影响不大，通过试验还发现，虽然孔数不是孔深孔径的决定因素，但对成孔形状有明显影响，孔数越多，钻出的孔越圆[5]。

（4）喷嘴轴锥角对孔深孔径的影响。试验选取喷嘴轴锥角不同，其它结构参数及喷距相同的7孔喷嘴进行，分别取轴锥角为0°，10°，15°，20°，30°的喷嘴进行实验，从图7可以发现孔深随轴锥角的增大变化不大，而孔径随轴锥角的增大而增大。但当轴锥角增大到30°时，孔深和孔径均急剧变为零。所以，喷嘴轴锥角应该选取合适的范围，从而获得有效的孔深孔径，本实验喷嘴轴锥角的最佳取值为20°左右。

图6 孔数对孔深孔径的影响

图7 喷嘴轴锥对孔深孔径的影响

3 磨料尺寸对钻孔效能的影响

磨料水射流选择尺寸大小不同的磨料，对钻孔中岩石的破碎有很大影响。

假设磨料颗粒为球体，根据斯托克斯公式，球形物体在流体作用下受到的作用力为式中，d为磨料直径；μ为流体的动力粘度；ω为流体相对于磨料的角速度。

由公式可知，磨料所受流体的作用力与磨料直径成正比，直径越大，作用力越大，对物体的冲击力也越大。但实际上，磨料不是球形，存在一定的棱角，磨料直径越大，棱角越不明显，对物体的冲击力反而下降。另外，钻孔效能与磨料对物体作用时的压强有关，实践证明，压强与磨料直径成反比，直径越小，压强越大，所以，磨料直径不宜取得过大，否则钻孔效能反而下降，通常情况下，一般采用粒度为80目的金刚砂。

总之，多股磨料组合射流钻孔效能受到多种因素的影响，本文只分析了几个主要的影响因素，但是多股磨料组合射流属于两相流，其内部流动情况和工作机理十分复杂，本文中一些结论来自于试验结果，肯定有其局限性，具体情况还有待进一步分析研究。

[1]沈忠厚.水射流理论与技术[M].北京：石油工业出版社，1998.

[2]赵永赞吴玉厚富大伟等.后混合磨料水射流切割石材的特性.河北理工学院学报[J].2002（2）.

[3]向文英李晓红卢义玉梁峰.磨料射流破碎岩石的性能研究.地下空间与工程学报[J].2006（1）.

[4]岳桂杰刘善春等.多股磨料组合射流喷嘴设计.重庆科技学院学报[J].2007（1）.

[5]陆国胜龚烈航等.提高磨料水射流混合效果的探讨[J].机床与液压.2003（1）.

[6]张昊宇李辉等.高压水射流切割效能研究[J].机械研究与应用.2008（10）.

The Drilling Efficiency Research of Multi-Abrasive Combined Jet Nozzles

YUE Guijie,BAO Chengjun,GU Li
（LanZhou City University,LanZhou 730070）

In order to improve drilling efficiency of multi-abrasivejet nozzles, this paper has analyzed its affect factors, such as theabrasive mixing methods, the structure parameters of jet nozzle, theabrasive size, the jet pressure and flow, according to solid-liquid twophase flow theory and based-experiment. It has certain referencemeaning for combined abrasive jet technology in the drilling operation.

combined jet,drilling,efficiency,influential elements,research and analysis