流体介质波高密度能量发生装置.pdf

本发明属于高压流体发生技术，确切地讲，属于获得高压流体束的技术装置。用这种装置产生的高压流体束，可以切割多种工程材料，加工特种机械部件，拆除旧建筑物的框架等。
    已有高压流体束发生装置，都是建立在流体静压传递基础上的，是运用帕斯卡原理设计的。这类装置一般是把低压状态的流体介质通过密封腔（压缩缸或压缩舱）进行压缩，使其转变成高压状态的流体。然后，把这种高压状态的流体通过管道或通道送入高压储舱。在高压条件下，流体介质再从高压储舱中通过特制的喷咀（小细孔）以近1000米/秒左右的速度喷射出去，形成高压流体束。目前这类装置产生的高压流体束的压强能够达到4200公斤/厘米²。（科学画报1985年第9期，题为：切割食品的新工具-“流体激光”）;（科学画报1985年第11期，题为：高压水射流技术）。根据帕斯卡原理设计的高压流体束发生装置，都存在以下缺点：（1）所产生的高压流体束压强都远远低于产生这一压强的装置自身结构材料强度的极限，这个极限是阻碍高压流体束压强继续提高的主要原因。因此，这类装置能达到4000公斤/厘米²的压强就是极不容易的事情了。（2）这类装置、管件、阀件的材质，以及另部件的加工精度和安装过程的技术要求都很高。在工作过程中装置的结构内应力很大，结构的需要，设计的安全致使装置特别笨重。（3）这类装置在工作过程中，流体介质从低压到高压的升压过程，能量、压强在流体介质中的分布是均匀的;能量、压强是同步上升的;能量、压强在流体介质中的传递是各向同性的。（4）这种装置由于能量、压强在介质中的传递具有各向同性，所以装置、管路、阀件、密封件等一旦发生泄漏，即刻会对装置周围 的工作人员直接造成生命危险。

    本发明的目的是克服上述缺点设计的一种全新型的高压流体束发生装置，该装置经济、安全、产生的高压流体介质束峰值压强可达5000～30000公斤/厘米²。

    本发明是根据波迭加原理和惠更斯原理设计的，所以能量和压力是以波的形式传递的，具有极强的传递方向性。图1表示能量和压力传递的方向特征，图1中（1）为压力波原波面（波前），（2）为次波波源面，（3）为向前推进后的新波面（波前），图1中各图箭头所指方向为波能量、压力传播或运动的方向，图1中a为点波源向周围空间传播的球面弹性发散波运动形式，图1中的b为球面波源向球心方向传播的球面弹性收敛波运动形式，图1中c为点波源沿园锥角向外传播的弹性发散波运动形式，图1中d为球面波沿园锥角向球心方向传播的运动形式。图1中a、c是能量、压力的扩散传播方式b、d为能量、压力的集中的传播方式。

    本发明的主要组成如下：1、提供动力和激振波源的动力、振动机构，如超声频、声频机构;2、把流体介质波从低密度能量状态提高到高密度能量状态的发生机构（简称：能量发生机构），其几何形状为球面壳体园锥形;3、流体介质供应补充机构，介质为液体如水或油。

    图2中，1为动力、振动机构，例如声频、超声频振动机构。在超声频振动机构中分单元体（整个装置只有一个振动部件带动）、振动和多元体（整个装置是由多个小的具有同步振动特性的振动部件带动）振动。振动体2、园锥壳体3、喷咀4、螺栓5、弹性组件6组成能量发生机构。能量发生机构是个中空的球面园锥壳体。中空的球面园锥体在工作中是充满流体介质（水或油）的，这个被流体介质充满的球面园锥空间称为波能迭加腔，当波能迭加腔中的流体球面受到激发振 动时，这个球面上的激波能量将有40%以上以波的形式向球心（或锥顶喷咀）处迭加输送，从而在喷咀处以高密度能量流体介质表现出来，形成脉冲性的高温高压流体射向装置外部。由于压力波速在流体介质水中的传播速度为1460米/秒，而在钢材中的传播速度为5500米/秒左右，所以采用单元体振动机构时，通过修正波能迭加腔球面曲率的方法达到使波前同步到达锥顶喷咀的目的。装置在工作过程中是流体介质消耗的过程，消耗的流体介质由储罐经减压阀9通过给水管8及环状流体通道7，不断的向波能迭加腔补充介质。

    下面结合附图详细说明本发明及其各个组成机构的结构和功能：

    图3、图4为采用电动机带动地双偏心振动机构，这个机构是属于声频单元体振动能量发生装置。

    图3为动力、振动机构的传动示意图。电动机1通过和其固定连接（如键连接或钉丝连接）的皮带轮2和皮带3，带动振动机构的皮带轮4，皮带轮4和振动机构的偏心轴5固定连接（如键连接或钉丝连接）。偏心轴5的另一端和齿轮6固定连接（如键连接或钉丝连接），齿轮6和同样几何参数的（同规格）的齿轮7相啮合。齿轮7和另一同样力学参数的偏心轴8固定连接（如键连接或钉丝连接）。偏心轴5和8应对称置放。偶心轴两端分别加轴承9并通过振动机构的壳体10组合成动力、振动机构，电机1和壳体10的连接采用固定连接30，例如螺栓连接或焊接。

    图4是整个装置的装配示意图，振动机构的壳体10的下部与发生机构中的振动体11用螺栓12连接或焊接。

    振动体11的下部，做成（给定状态的）球面形或修正后的近似球面形13。球面形13和园锥壳体14组合后形成流体波能迭加腔15。图5为流体波能迭加腔15的几何状态，其中Ω为立体角，S 为立体角Ω对应球面上的面积，R为球面的半径，D为立体角Ω所对应的球面上切割园的直径。立体角Ω和S面所包围的空间就是波能迭加腔15。立体角Ω从0到4πR²之间的任一数值。圆锥壳体14的锥顶与喷咀元件27组合，通过喷咀将高压流体射向外部。

    图4中，振动体11和园锥壳体14组合后形成环状流体通道16，环状流体通道16通过平面间隙17与波能迭加腔15相通。振动体11和园锥壳体14通过滑动配合间隙18形成内外套接的形式。在配合间隙18处设一个“O”型橡胶密封圈19起密封作用。在振动体11上部开数条连接通道20，作为连接缓冲环状管道21的连接管道，缓冲环状管道21通过管22和外部流体储罐连通，形成了流体介质自储罐经管22、缓冲环状管道21连接通道20、环状流体通道16、平面接触处缝隙17和球面园锥波能迭加腔15相互连通。振动体11和园锥壳体14通过数根螺栓23、平垫24、螺帽25、蝶形弹簧26的组合连接起来，这种组合予压弹性组件，它是保证装置在工作过程中平面接触间隙17保持0.5毫米到4毫米之间某一特定间隙的。

    振动体11也可作成多通道形31的流体介质供应、补充机构形式，通过球面形（图6中）13上的均匀分布小孔（小孔直径为0.5毫米到1.5毫米之间的某一特定数）沟通波能迭加腔15和环状流体通道16。在振动体11上形成近似球面状流体供应、补充网络。

    高压流体束的喷咀27与园锥体14固定连接（如丝扣连接、法兰连接、焊接）。喷咀27的材料采用高强耐热材料（如高强度合金制造振动体11、园锥壳体14、喷咀27、予压弹性组件以及流体介质在装置上的供应管道、通道、密封圈组成流体介质波高密度能量发生装置的发生机构。

    机体支架28，是根据要求制作的，它是连接园锥壳体外部的一 定部位并用螺栓29固定的，它的下脚可固定在混凝土基础上或适应射束角度变化的活动支撑轮上。它是由金属材料（如炭素钢或低合金钢）制成的。支架并不参予流体介质的迭加升压机制，总之根据需要制作即可。

    本发明的工作机制。由动力、振动机构带动振动体沿装置的轴线方向作垂直的上下振动，激发波能迭加腔中流体介质S面，产生球面或近似球面波源，该波源激起的流体介质压力波的波前向球心收缩，形成收敛性的球面弹性波前，随着球面面积的缩小，能量逐步集中到逐步减小的球面上，最后集中到球心处，产生聚焦现象，由此获得高能的流体介质并通过喷咀射向装置的外部。

    本发明有以下优点：1.在工作状态中所产生的高压流体束的峰值压强达到5000公斤/厘米²至30000公斤/厘米²;2.发生机构在工作过程中流体介质从低压到高压升压的过程，能量、压强在流体介质中分布是极不均匀的，且具有脉冲性变化的。能量、压强是同步上升的，能量、压强在流体介质中的传递具有极强的方向性，且是不可逆的;3.发生机构，材料的材质、加工精度、安装技术要求都不算高;4.由于流体介质在装置中能量、压强具有很强的方向性，又没有什么管路阀件，也不要求有很高的密封，即使个别地方发生泄漏，对工作人员也无危险。

    这些优点是运用帕斯卡原理设计的，任何高压流体束发生装置所无法实现的。

    实施例。本发明实施例按图4加工，采用10KW直流调速电机作动力，振动装置采用对称双偏心轴作振动部件，双轴组合最大激振力为2500kgf，偏心距为1.0毫米到2毫米之间。立体角Ω对应的球面上的S面直径D为600毫米，波能迭加腔半径R为700毫米， 园锥壳体壁厚为30毫米，喷咀外径采用20毫米至30毫米，内径为0.5毫米，加工装配完成后电机重心，振动装置的合力中心，振动体的轴线，园锥壳体的轴线、喷咀的轴线应当重合在一条轴线上，其偏差不得大于0.1毫米。予压弹性元件为6组、沿振动体11圆周平均分布，激振力和部件重量均匀分配，每组由蝶形弹簧四对（8片）组成。振动体11和园锥壳体的组合间隙保持2毫米，工作介质采用水，当偏心轴速度达到3000转/分时为工作转速，高压流体束脉冲峰值压强可达5000公斤/厘米²至12000公斤/厘米²，喷咀采用高强合金钢，如W₃CrV，其它工作主体部件采用不锈钢，蝶簧采用弹簧钢。

    本发明具有明显的社会经济和技术效益。因为它克服了用帕斯卡原理设计的任何高压流体束发生装置所无法克服的困难，把高压流体束的压强大大的提高了，并扩展和推延了高压流体束应用的范围，在技术应用上和已有技术相比是一个突破，在制造工艺上降低了难度，提高了经济性，在使用过程中提高了安全度。