基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴及喷射方法与流程

1.本发明属于磨料水射流技术领域，更具体地，涉及一种基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴。


背景技术：

2.铁路运输的高速化、重载化发展给钢轨带来了巨大的压力，致使钢轨疲劳、磨损等问题日益突出。目前国内大多使用安全高效钢轨打磨车修复和钢轨铣磨车修复两种。但钢轨打磨车修复单次修复深度小，需要人工预处理，加工效率较低，且容易留下接口棱角，表面质量不稳定。钢轨铣磨车修复产生金属火花及粉尘，且噪音巨大，不仅导致作业环境恶劣，且容易对环境造成污染，工作温度高，钢轨表面容易发蓝，即形成脆性较大的马氏体组织，造成安全隐患。
3.以超高压磨料水射流为代表的新兴技术，采用物理和湿式作业方式，目前已在钢材切割、除磷除锈方面已有广泛运用，既不会对钢材本质造成伤害，也不会对环境造成污染。因此将磨料水射流加工技术应用于修复钢轨能更有效进行钢轨的在线打磨相比其余打磨方式具有显著的优势，通过调节喷头数量、角度以及水压、流量等加工参数，实现对不同型号的钢轨进行修复。
4.但由于磨料水射流单喷头作业宽度有限，传统的圆磨料接口喷嘴其射流束直径小、速度高、能量集中且作业宽幅小，用于材料表面处理时效率低、效果差，因此在打磨钢轨时，目前提出了多喷头多参数作业修复钢轨轮廓的方法，但由于打磨参数及角度不一样，使得同一横向钢轨表面作业粗糙度一致困难，材料去除均匀性不高；传统的圆磨料接口喷嘴因需要充分混合磨料粒子和水射流，所以导致砂管加速段过长，砂管过长，在线打磨钢轨时由于野外操作实际操作中较为容易直接将砂管撞断，影响作业效率。
5.为解决上述问题，专利cn 202192552 u公开了一种磨料水射流用准矩形磨料喷嘴，其三段式准矩形磨料喷嘴，通过三段各自不同功能，完成磨料的混合、加速、校直聚焦以及均匀扩散，形成准扇形磨料水射流。但其砂管加速段较长，不利于野外行进间作业；同时其喷射出准扇形磨料水射流由于口径较小，磨料水射流能量密度、作业宽幅对于钢轨来说仍然较小。


技术实现要素：

6.针对现有技术的以上缺陷或改进需求，本发明提供一种基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，可缩短喷嘴整体长度，避免因喷嘴过长导致作业过程中碰断损坏，并且可完成一次性全覆盖后处理修复，实现大宽幅的水射流打磨作业，作业去除率更高，表面质量均匀。此外，还可通过更换不同型号的外置砂管在不同作业环境工作。
7.为实现上述目的，按照本发明的一方面，提供一种基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，包括：
8.用于提供高速高压水射流、卷吸磨料粒子并混合的高压水射流单元，其包括喷嘴
外壳、设于所述喷嘴外壳内部顶端的高压水流入口、与所述高压水流入口底端连通的宝石喷嘴、与所述宝石喷嘴底端连通的固液两相混合腔以及与所述固液两相混合腔底端连通的大口径圆柱形加速段，所述喷嘴外壳侧面设有一磨料接口，实现水射流的一次加压；
9.用于提供磨料粒子、为被卷吸的磨料粒子施加三维速度的磨料旋转供给单元，其包括通过所述喷嘴外壳侧面的磨料接口与所述固液两相混合腔连通的磨料管、与所述磨料管顶部连通的磨料进口以及设于所述磨料管内部用于实现磨料粒子经过旋转获得轴向、径向和周向三维速度的旋流片，磨料粒子经过旋流片旋转后具有三维速度被赋予了伪弹性性质，加入后激起高压水射流的振荡和波动，从而实现水射流与磨料粒子的快速混合；
10.用于磨料粒子与水充分混合、形成大面积扇形射流面的可拆卸拓展喷嘴单元，其包括设于所述大口径圆柱形加速段底端的拓展端口、通过所述拓展端口与所述大口径圆柱形加速段连通的鸭嘴型外置砂管，对一次加压和旋转波动震荡充分混合后的水射流通过所述大口径圆柱形加速段进行二次加压并通过鸭嘴型外置砂管喷射。
11.进一步地，所述大口径圆柱形加速段内径为φ0.4mm～φ0.6mm，长度为10～15mm。
12.进一步地，所述鸭嘴型外置砂管长度为30mm～50mm。
13.进一步地，所述鸭嘴型外置砂管从圆柱形内径以线性扩散，不断变窄变长，形成矩形和左右两个半圆的形式结合的鸭嘴形状。
14.进一步地，所述可拆卸拓展喷嘴单元还包括用于固定所述拓展端口与鸭嘴型外置砂管的固定螺栓。
15.进一步地，所述固定螺栓和所述拓展端口固定的外置砂管可方便拆卸，可通过连接不同型号的外置砂管在不同的作业环境下工作。
16.进一步地，所述旋流片包含多个叶片，所述叶片有一定弧度。
17.按照本发明的另一方面，提供一种基于波动震荡混合的水射流全覆盖修复钢轨的喷射方法，包括如下步骤：
18.步骤一：水流经过宝石喷嘴加压加速，在卷吸固液两相混合腔(6)形成负压卷吸磨料；
19.步骤二：磨料粒子经过旋流片旋转后具有三维速度，旋转磨料粒子与高压水射流进行波动震荡混合；
20.步骤三：磨料粒子和水射流在大口径圆柱形加速段进一步混合并进行二次加压，经鸭嘴型外置砂管喷射修复钢轨。
21.进一步地，所述旋转磨料粒子与高压水射流进行波动震荡混合包括：磨料粒子在周向速度和水射流卷吸作用下被赋予伪弹性性质，受到扰动后会发生弹性-惯性振荡，旋转磨料粒子激起高压水射流的振荡和波动，快速混合。
22.总体而言，通过本发明所构思的以上技术方案与现有技术相比，能够取得下列有益效果：
23.1.本发明的基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，高压水射流单元的水射流卷吸磨料旋转供给单元供给的具有三维速度(轴向、径向和圆周)的磨料粒子，混合和加速更充分，可在缩短加速段长度情况下使磨料与水充分混合，在可拆卸拓展喷嘴单元中，磨料和水的流速降低、磨料粒子的扩散并与水介质的充分混合，形成大面积扇形射流面，拓展喷嘴结构可拆卸，更换为不同类型的外置砂管。本发明可缩短喷嘴整体长度，避免因喷嘴过长
导致作业过程中碰断损坏，并且可完成一次性全覆盖后处理修复，实现大宽幅的水射流打磨作业，作业去除率更高，表面质量均匀。此外，还可通过更换不同型号的外置砂管在不同作业环境工作。
24.2.本发明的基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，磨料粒子从磨料进口进入管道，在旋流片的作用下以螺旋立体状卷吸入固液两相混合腔。磨料粒子经过旋流片旋转后可以具有三维速度(轴向、径向和圆周)，在圆周速度及高速射流的卷吸作用下，磨料粒子形成较为强烈的旋转，在旋转过程中外扩散。旋转物体在一定条件下具有波动性质，也就是说旋转流体被赋予了伪弹性性质。因为旋转运动中存在科氏力和离心力的作用，旋转流体在受到扰动后会发生弹性-惯性振荡，出现弹性波和波动现象，这是一种剪切波。旋转磨料粒子的加入激起高压水射流的振荡和波动。所有这些都促使磨料粒子与水射流发生强烈的紊动混合，从而提高了水射流对磨料粒子的卷吸能力和混合效果，进而可以缩短大口径圆柱形加速段的长度，大口径圆柱形加速段内径为φ0.4mm～φ0.6mm，长度为10～15mm，混合效果与传统加速段效果相当。缩短大口径圆柱形加速段的长度，有利于添加外置异形喷嘴。缩短喷嘴整体长度，避免因喷嘴过长导致作业过程中碰断损坏。
25.3.本发明的基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，鸭嘴型外置砂管处流速降低、断面面积呈鸭嘴形增大有利于磨料粒子的扩散并与水介质的充分混合，形成大面积扇形射流面。可实现钢轨外轮廓一次性后处理，快速、高质量地完成钢轨的表面处理，大幅提高钢轨修复效率。采用大口径圆柱形加速段与鸭嘴型外置砂管结合，可配合大流量超高压泵，能够在保证流量的同时保证压力输出，完成一次性全覆盖后处理修复，实现更大宽幅的水射流打磨作业，作业去除率更高，表面质量均匀。通过固定螺栓和拓展端口与大口径圆柱形加速段尾端连接的外置砂管可拆卸，可通过连接不同型号的外置砂管在不同的作业环境下工作。
26.4.本发明的基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴，高压水流通过宝石喷嘴加速后以圆柱形水柱射入固液两相混合腔，通过负压卷吸磨料旋转供给单元中磨料粒子，最后一同进入大口径圆柱形加速段，大口径圆柱形加速段用于磨料粒子与水射流充分融合和加速。高压水射流单元可通过负压卷吸磨料粒子，使磨料粒子扩散并与高压水充分混合
附图说明
27.图1为本发明实施例一种基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴示意图；
28.图2为本发明实施例基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴磨料入口局部示意图；
29.图3为本发明实施例磨料入口旋流片示意图；
30.图4为本发明实施例基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴底部剖面图；
31.图5为本发明实施例基于波动震荡混合的水射流全覆盖修复钢轨的喷射方法流程示意图。
32.在所有附图中，同样的附图标记表示相同的技术特征，具体为：1-高压水流入口、2-宝石喷嘴、3-磨料进口、4-旋流片、5-磨料管、6-固液两相混合腔、7-喷嘴外壳、8-大口径圆柱形加速段、9-固定螺栓、10-拓展端口、11-鸭嘴型外置砂管。
具体实施方式
33.为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。此外，下面所描述的本发明各个实施方式中所涉及到的技术特征只要彼此之间未构成冲突就可以相互组合。
34.如图1所示，本发明的一种基于波动震荡混合的钢轨修复水射流喷嘴包括高压水射流单元、磨料旋转供给单元及可拆卸拓展喷嘴单元。高压水射流单元的水射流卷吸磨料旋转供给单元供给的具有三维速度(轴向、径向和圆周)的磨料粒子，混合和加速更充分，可在缩短加速段长度情况下使磨料与水充分混合，在可拆卸拓展喷嘴单元中，磨料和水的流速降低、磨料粒子的扩散并与水介质的充分混合，形成大面积扇形射流面，拓展喷嘴结构可拆卸，更换为不同类型的外置砂管。
35.本发明可缩短喷嘴整体长度，避免因喷嘴过长导致作业过程中碰断损坏，并且可完成一次性全覆盖后处理修复，实现大宽幅的水射流打磨作业，作业去除率更高，表面质量均匀。此外，还可通过更换不同型号的外置砂管在不同作业环境工作。
36.所述高压水射流单元包括从上而下依次连接的高压水流入口1、宝石喷嘴2、固液两相混合腔6、大口径圆柱形加速段8，以及所述高压水流入口1、宝石喷嘴2、固液两相混合腔6、大口径圆柱形加速段8外侧的喷嘴外壳7，高压水流入口1通过收敛管与宝石喷嘴2相连。高压水流通过宝石喷嘴2加速后以圆柱形水柱射入固液两相混合腔6，通过负压卷吸磨料旋转供给单元中磨料粒子，最后一同进入大口径圆柱形加速段8，大口径圆柱形加速段8用于磨料粒子与水射流充分融合和加速加压。高压水射流单元可通过负压卷吸磨料粒子，使磨料粒子扩散并与高压水充分混合。
37.如图1、图2和图3所示，磨料旋转供给单元包括磨料进口3、旋流片4、磨料管5，喷嘴外壳7侧面设有磨料接口，磨料管5通过该磨料接口与固液两相混合腔6连通，旋流片4通过轴承固定于磨料管5，磨料进口3与固定有旋流片4的磨料管5的一端连接。旋流片4上设有多个叶片，所述叶片有一定的弧度。磨料粒子从磨料进口3进入管道，在旋流片4的作用下以螺旋立体状卷吸入固液两相混合腔6。根据普通射流的水动力学结构，射流的等速核内部不存在横向的速度梯度，因而射流的扩散角较小。磨料粒子经过旋流片旋转后可以具有三维速度(轴向、径向和周向)，在周向速度及高速射流的卷吸作用下，磨料粒子形成较为强烈的旋转，在旋转过程中外扩散。旋转物体在一定条件下具有波动性质，也就是说旋转流体被赋予了伪弹性性质。因为旋转运动中存在科氏力和离心力的作用，旋转流体在受到扰动后会发生弹性-惯性振荡，出现弹性波和波动现象，这是一种剪切波。旋转磨料粒子的加入激起高压水射流的振荡和波动。所有这些都促使磨料粒子与水射流发生强烈的紊动混合，从而提高了水射流对磨料粒子的卷吸能力和混合效果，进而可以缩短大口径圆柱形加速段8的长度，大口径圆柱形加速段8内径为φ0.4mm～φ0.6mm，长度为10～15mm，混合效果与传统加速段效果相当，现有传统圆柱形加速段至少需20mm的长度。缩短大口径圆柱形加速段8的长度，有利于添加外置异形喷嘴。缩短喷嘴整体长度，避免因喷嘴过长导致作业过程中碰断损坏。
38.如图1和图4所示，可拆卸拓展喷嘴单元包括固定螺栓9、拓展端口10、鸭嘴型外置砂管11。大口径圆柱形加速段8尾端通过拓展端口10、固定螺栓9与鸭嘴型外置砂管11顶部
连接，鸭嘴型外置砂管11长度为30mm～50mm。鸭嘴型外置砂管11从圆柱形内径以线性扩散，不断变窄变长，形成矩形和左右两个半圆的形式结合。鸭嘴型外置砂管11处流速降低、断面面积呈鸭嘴形增大有利于磨料粒子的扩散并与水介质的充分混合，形成大面积扇形射流面。可实现钢轨外轮廓一次性后处理，快速、高质量地完成钢轨的表面处理，大幅提高钢轨修复效率。采用大口径圆柱形加速段8与鸭嘴型外置砂管11结合，可配合大流量超高压泵，能够在保证流量的同时保证压力输出，完成一次性全覆盖后处理修复，实现更大宽幅的水射流打磨作业，作业去除率更高，表面质量均匀。通过固定螺栓9和拓展端口10与大口径圆柱形加速段8尾端连接的外置砂管可拆卸，可通过连接不同型号的外置砂管在不同的作业环境下工作。
39.在本发明实施例中，提供一种基于波动震荡混合的水射流全覆盖修复钢轨的喷射方法，其包括如下步骤：
40.步骤一：水流经过宝石喷嘴2加压加速，在卷吸固液两相混合腔6形成负压卷吸磨料；
41.步骤二：磨料粒子经过旋流片4旋转后具有三维速度，旋转磨料粒子与高压水射流进行波动震荡混合；
42.步骤三：磨料粒子和水射流在大口径圆柱形加速段8进一步混合并进行二次加压，经鸭嘴型外置砂管喷射修复钢轨。
43.具体而言，所述旋转磨料粒子与高压水射流进行波动震荡混合包括：磨料粒子在周向速度和水射流卷吸作用下被赋予伪弹性性质，受到扰动后会发生弹性-惯性振荡，旋转磨料粒子激起高压水射流的振荡和波动，快速混合。
44.本领域的技术人员容易理解，以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。