机械工程毕业论文 磨料高压水射流切割关键技术的研究.pdf

分类号 学号 201203703003
学校代码 1 0 4 8 8 密级

硕士学位论文
磨料高压水射流切割关键
技术的研究
学位申请人： 李海斌
学 科 专 业 ： 机械工程
指 导 教 师 ： 陈奎生 教授
答 辩 日 期 ：
A Dissertation Submitted in Partial Fulfillment of the Requirements
for the Degree of Master in Engineering
Research on Abrasive Water Jet Cutting
Key Technology
Master Candidate： Li Hai-bin
Major： Machinery Engineering
Supervisor ： -sheng Chen
Wuhan University of Science and Technology
Wuhan, Hubei 430081,
May, 2015
摘要
磨料高压水射流技术是于 20 世纪初新兴起的一门学科，以其高效率，无污染，
无热变形，切面光滑等独特的切割优点广泛运用于治金、机械、造船、建筑和军
工等行业的金属材料加工中。然而在实际运用中，还存在许多不足之处，具体表
现在以下几个方面：
(1)工人在操作设备过程中，噪声甚大，甚至有时尖锐刺耳，这严重影响到工
人的工作情绪，也威胁到工人的身心健康；
(2)在钢板的切割过程中，喷嘴磨损严重，更换频繁，加工成本进而提高；
(3)切割较厚钢铁材料时，工作压力的提高引起了较为明显的压力脉动，这严
重影响了切割质量，降低了相关零部件的使用寿命；
(4)对钢材加工时产生的滞后、回击现象所引起的切缝质量下降等问题，其工
作参数的最优化，是本领域一技术难题。
本文以超高压后混合式磨料水射流切割系统为研究对象，首先对噪声产生的
机理进行了理论分析，主要研究射流湍流噪声和气蚀噪声，并提出了降低压力脉
动和改进喷嘴结构来降噪的方法。
其次，建立了后混式磨料喷嘴流场的可视化模型，用 Fluent 软件求解喷嘴内
各节点的速度，根据速度场分布，讨论了影响磨料速度的主要影响因素，结果表
明，混合腔长度、聚焦管长度及锥角都存在一个最优值，从降低磨料喷嘴磨损、
减小喷嘴能量损失的角度来看，应该调整混合腔内锥角到合理值。
接着分析了增压系统中的压力脉动，并通过 MATLAB 中的动态仿真工具软件包
SIMULINK 对其进行建模仿真。从仿真来看可以看出，超高压发生系统中的压力脉
动与工作压力、增压比、蓄能器容积、换向时间之间有明显的关系。通过对增压
系统压力脉动的分析，为以后增压器超高压系统的结构改进设计提供了参考。
最后，基于 BP 神经网络提出了后混式磨料水射流工作速度参数的预测方案，
训练并验证了该网络模型的可靠性。
关键词：磨料高压水射流；噪声；喷嘴结构；压力脉动；速度预测
I
Abstract
High pressure abrasive water jet technology is in at the beginning of the 20th
century, the rise of a new discipline, with its high efficiency, no pollution, no heat
distortion, smooth section and