一种磨料浓度自动调节系统及调节方法

技术领域

本发明涉及机械磨料射流领域，具体涉及一种磨料浓度自动调节系统及调节方法。

背景技术

磨料水射流是磨料颗粒与水混合形成的液固两相流体通过喷嘴加速后形成的一种高度聚能的高速射流，最先对磨料水射流进行研究的是美国，主要应用于石油钻井中，国际上对该技术的大规模研究和实际应用始于上世纪70年代末，在80年代得到了迅速发展。磨料水射流具有切割精度高、不发热、环保无尘等优势，目前已经广泛应用于冶金、机械、石油、煤炭、航空、建筑及轻工业领域，主要用于切割、破碎和清洗作业。根据混合方式的不同，磨料水射流可分为前混合式磨料水射流和后混合式磨料水射流，其中后混合磨料水射流由于磨料不能与高速流动的水进行充分的紊动混合，水对磨料的能量的传输效率较低。为了提高能量传输效率，改善磨料加速效果，因此发展出了前混合磨料水射流技术，该技术在低压状态下与水充分混合后进入高速水流，从而大大提高了能量传输效率。但由于磨料混合和加速过程均在密闭带压环境下进行，作业过程中磨料的质量流量准确调节和控制难度大，已经严重影响了前混合磨料水射流技术的发展。

目前关于磨料水射流磨料质量流量的控制的研究中，多采用控制螺杆推送转速或者人工控制磨料罐阀门开度的方法来控制磨料供给速度，螺杆推送技术在磨料水射流中存在磨料沉降、螺杆卡顿等问题；人工控制磨料罐阀门开度仅能改变磨料的供给速度大小，但无法准确调控磨料质量浓度，且存在阀芯磨损速度快的问题。

发明内容

本发明所要提供一种磨料浓度自动调节系统及调节方法，用户可直接输入作业所需磨料质量浓度参数，实现了磨料水射流作业中磨料质量流量的精准调控，且无需人工计算。

本发明通过下述技术方案实现：

一种磨料浓度自动调节系统，包括：

磨料射流装置，所述磨料射流装置包括磨料罐、液体供给机构、磨料颗粒供给机构、沉淀池和喷嘴组件，所述磨料罐的顶部安装有阀座，所述液体供给机构通过第一管路和/或第二管路与所述阀座连接，所述磨料颗粒供给机构设置在所述第一管路上，所述沉淀池通过第三管路与所述阀座连接，所述磨料罐的底部通过第四管路与所述混合腔的其中一个输入端连接，所述混合腔的另一个输入端与所述第二管路连接，所述混合腔的输出端通过第五管路与所述喷嘴组件连接；

质量监测仪，水平设置在所述磨料罐和磨料颗粒供给机构的底部，用于检测所述磨料罐和磨料颗粒供给机构在磨料水射流作业过程中的质量变化；

数据处理中心，与所述液体供给机构、磨料颗粒供给机构以及质量监测仪电连接，用于接收所述质量监测仪的质量差信号并对所述液体供给机构、磨料颗粒供给机构进行相应的控制使得所述磨料罐内的磨料浓度得到自动调节。

作为优化，所述液体供给机构包括蓄水池、柱塞泵和电子流量计，所述柱塞泵的输入端通过管道与蓄水池连接，所述柱塞泵和电子流量计连接在总管路上，所述总管路一分为二成第一管路和第二管路，所述第一管路远离所述总管路的一端与所述阀座连接，所述第一管路上沿水流方向依次设有第二电控气动高压阀、磨料颗粒供给机构和第四电控气动高压球阀；所述第二管路上串联设置有第一电控气动高压球阀，所述第二管路远离所述总管路的一端一分为二成第一支管路和第二支管路，所述第一支管路通过伺服比例节流阀与所述阀座连接，所述第二支管路通过第七电控气动高压球阀与所述混合腔连接，所述数据处理中心与所述伺服比例节流阀、柱塞泵、电子流量计、第一电控气动高压球阀、第二电控气动高压阀、第四电控气动高压球阀和第七电控气动高压球阀电连接。

作为优化，所述磨料颗粒供给机构包括给料斗，所述给料斗的输出端依次通过第三电控气动高压球阀和射流泵与第一管路连通，所述第三电控气动高压球阀和射流泵与所述数据处理中心电连接。

作为优化，所述第四管路上设有第五电控气动高压球阀，所述第五电控气动高压球阀与所述数据处理中心电连接。

作为优化，所述第三管路从所述阀座延伸出的一端一分为二为第三支管路和第四支管路，所述第三支管路远离所述阀座的一端设置在所述沉淀池的上方，所述第四支管路远离所述阀座的一端设置在所述沉淀池内，所述第三支管路上串联设有用于泄压的第一安全阀，所述第四支管路上设有第六电控气动高压球阀，所述第一安全阀、第六电控气动高压球阀与所述数据处理中心电连接。

作为优化，所述柱塞泵与所述电子流量计之间的总管路与第二安全阀的其中一端连接，所述第二安全阀的另一端设置在蓄水池的上方，所述第二安全阀与所述数据处理中心电连接。

本发明还公开了一种运用上述的一种磨料浓度自动调节系统进行磨料浓度的调节方法，包括：

S1、进行磨料水射流作业，在磨料水射流作业过程中所述数据处理中心自动计算当前磨料质量浓度C

S2、将在磨料水射流作业过程中的实时工况参数、磨料相关信息以及伺服比例节流阀开度校准情况存储在所述数据处理中心，以供在磨料水射流作业结束后，进行数据查看并分析，并供后续的磨料水射流作业时直接调用；

S3、对磨料浓度自动调节系统进行清洗作业，以备下次使用。

作为优化，S1的具体步骤为：

S1.1、对磨料浓度自动调节系统进行充水作业，并在磨料浓度自动调节系统充满水后通过质量监测仪记录第一质量参数m

S1.2、将磨料颗粒加入至给料斗中，此时，所述质量监测仪记录第二质量参数m

S1.3、进行磨料自动供给作业，待磨料罐中加满磨料颗粒后通过质量监测仪记录第三质量参数m

S1.4、进行磨料水射流作业，磨料水通过第五管路从喷嘴组件处喷出，并通过质量监测仪记录检测的质量差、电子流量计记录的流量差计算出磨料水射流中某一时段的磨料颗粒的平均质量浓度C

S1.5、根据用户输入的磨料颗粒的质量浓度C

S1.6、检测出调控后的磨料质量浓度C

作为优化，位于磨料罐内的磨料颗粒的质量m

m

其中，ρ

作为优化，S1.5中，进行磨料水射流作业时某一时段的磨料颗粒的平均质量浓度C

其中，m

本发明与现有技术相比，具有如下的优点和有益效果：

通过本发明的自动调节系统和调节方法，用户可直接设置所需磨料质量浓度参数，系统可自动校准，参数精度高，且无需人工计算；数据处理中心自动保存常用种类和粒径的磨料参数，在相同试验工况下可直接执行特定磨料质量浓度的磨料水射流作业，极大的提高了作业效率；磨料质量流量自动调控系统所需参数通过电子流量计和精密质量监测仪获得，对磨料质量流量的自动调控动作通过纯水管路中上的伺服比例节流阀执行，磨料质量浓度自动调控的全过程不直接接触磨料，系统可靠性和使用寿命大大提高。

附图说明

为了更清楚地说明本发明示例性实施方式的技术方案，下面将对实施例中所需要使用的附图作简单地介绍，应当理解，以下附图仅示出了本发明的某些实施例，因此不应被看作是对范围的限定，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他相关的附图。在附图中：

图1为本发明所述的一种磨料浓度自动调节系统的结构示意图。

附图中标记及对应的零部件名称：

1-柱塞泵；2-电子流量计；3-第一电控气动高压球阀；4-第二电控气动高压球阀；5-射流泵；6-第三电控气动高压球阀；7-给料斗；8-伺服比例节流阀；9-第四电控气动高压球阀；10-第一安全阀；11-磨料罐；12-质量监测仪；13-沉淀池；14-混合腔；15-总管路；16-第二管路；17-第一管路；18-第三支管路；19-喷嘴组件；20-阀座；21-第五管路；22-第二安全阀；23-蓄水池；24-第五电控气动高压球阀；25-第四管路；26-第六电控气动高压球阀；27-高压水入口；28-第四支管路；29-数据处理中心；30-第一数据传输线；31-第二数据传输线；32-第七电控气动高压球阀；33-第一支管路；34-第二支管路；35-第三数据传输线。

具体实施方式

为使本发明的目的、技术方案和优点更加清楚明白，下面结合实施例和附图，对本发明作进一步的详细说明，本发明的示意性实施方式及其说明仅用于解释本发明，并不作为对本发明的限定。

实施例1

一种磨料浓度自动调节系统，包括：

磨料射流装置，所述磨料射流装置包括磨料罐11、液体供给机构、磨料颗粒供给机构、沉淀池13和喷嘴组件19，所述磨料罐11的顶部安装有阀座20，所述液体供给机构通过第一管路17和/或第二管路16与所述阀座20连接，所述磨料颗粒供给机构设置在所述第一管路17上，所述沉淀池13通过第三管路与所述阀座20连接，所述磨料罐11的底部通过第四管路25与所述混合腔14的其中一个输入端连接，用于为混合腔14提供均匀流态化磨料，所述混合腔14的另一个输入端与所述第二管路16连接，所述混合腔14的输出端通过第五管路21与所述喷嘴组件19连接，磨料和高压水均匀混合的二相流体通过喷嘴组件19喷出，用于进行磨料水射流作业，即进行切割、除锈等作业；沉淀池13可以回收磨料罐11中排出的磨料；

本实施例中，磨料罐11为球形高压磨料罐11，阀座20安装在球形高压磨料罐11上部，磨料罐11上部与阀座20之间通过螺纹密封连接，并保持连通。

质量监测仪，水平接地设置在所述磨料罐11和磨料颗粒供给机构的底部，用于检测所述磨料罐11和磨料颗粒供给机构在磨料水射流作业过程中的质量变化；具体的，质量监测仪12水平接地安装在给料斗7和球形高压磨料罐11下方。

数据处理中心29，与所述液体供给机构、磨料颗粒供给机构以及质量监测仪电连接，用于接收所述质量监测仪的质量差信号并对所述液体供给机构、磨料颗粒供给机构进行相应的控制使得所述磨料罐11内的磨料浓度得到自动调节。

本实施例中，所述液体供给机构包括蓄水池23、柱塞泵1和电子流量计2，所述柱塞泵1的输入端通过管道与蓄水池23连接，所述柱塞泵1和电子流量计2连接在总管路15上，本实施例中，所述柱塞泵1与所述电子流量计2之间的总管路15与第二安全阀22的其中一端连接，所述第二安全阀22的另一端设置在蓄水池23的上方，所述第二安全阀22与所述数据处理中心29电连接。即柱塞泵1的输出端通过第二安全阀22与蓄水池23连通。

所述总管路15通过三通接头一分为二成第一管路17和第二管路16，所述第一管路17远离所述总管路15的一端与所述阀座20连接，所述第一管路17上沿水流方向依次设有第二电控气动高压阀、磨料颗粒供给机构和第四电控气动高压球阀9，用于向球形高压磨料罐11内供给磨料和纯水；所述第二管路16上串联设置有第一电控气动高压球阀3，所述第二管路16远离所述总管路15的一端通过三通接头一分为二成第一支管路33和第二支管路34，所述第一支管路33通过伺服比例节流阀8与所述阀座20连接，可以通过伺服比例节流阀8平衡磨料罐11内的压力和控制磨料的输出速度，所述第二支管路34通过第七电控气动高压球阀32与所述混合腔14连接，用于给混合腔14输入高压水，所述数据处理中心29与所述伺服比例节流阀8、柱塞泵1、电子流量计2、第一电控气动高压球阀3、第二电控气动高压阀、第四电控气动高压球阀9和第七电控气动高压球阀32电连接。

具体的，电子流量计2通过第一数据传输线30与数据处理中心29连接，质量监测仪12通过第二数据传输线31与数据处理中心29连接，用于将磨料质量数据和系统输入水的流量数据传输到数据处理中心29，并通过计算得到磨料质量浓度，伺服比例节流阀8通过第三数据传输线35将当前阀门开度信息传递给数据处理中心29并记录，数据处理中心29通过计算得到的磨料质量浓度以及当前的模量质量浓度计算阀门开度信息，并将计算得到的阀门开度信息通过第三数据传输线35传递给伺服比例节流阀8，以实现磨料质量浓度的自动调控。

本实施例中，所述磨料颗粒供给机构包括给料斗7，所述给料斗7的输出端依次通过第三电控气动高压球阀6和射流泵5与第一管路17连通，形成磨料自动供给系统，所述第三电控气动高压球阀6和射流泵5与所述数据处理中心29电连接。

本实施例中，所述第四管路25上设有第五电控气动高压球阀24，所述第五电控气动高压球阀24与所述数据处理中心29电连接。

本实施例中，所述第三管路从所述阀座20延伸出的一端一分为二为第三支管路18和第四支管路28，所述第三支管路18远离所述阀座20的一端设置在所述沉淀池13的上方，所述第四支管路28远离所述阀座20的一端设置在所述沉淀池13内，所述第三支管路18上串联设有用于泄压的第一安全阀10，所述第四支管路28上设有第六电控气动高压球阀26，所述第一安全阀10、第六电控气动高压球阀26与所述数据处理中心29电连接。

通过设置第一安全阀10，当磨料罐11内部的压力超限后，第一安全阀10被动开启，对磨料罐11内部进行泄压。

本发明还公开了一种运用上述的一种磨料浓度自动调节系统进行磨料浓度的调节方法，包括：

S1、进行磨料水射流作业，在磨料水射流作业过程中所述数据处理中心29自动计算当前磨料质量浓度C

本实施例中，S1的具体步骤为：

S1.1、对磨料浓度自动调节系统进行充水作业，并在磨料浓度自动调节系统充满水后通过质量监测仪记录第一质量参数m

具体的，第一步，在进行磨料水射流作业前，先进行系统充水作业：关闭第三电控气动高压球阀6、第五电控气动高压球阀24和第七电控气动高压球阀32，打开第一电控气动高压球阀3、第二电控气动高压球阀4、第四电控气动高压球阀9和第六电控气动高压球阀26和伺服比例节流阀8。通过柱塞泵1抽水，高压水自高压水入口27进入总管路15，通过电子流量计2和总管路15后分别沿第一电控气动高压球阀3、第二电控气动高压球阀4分为两个管路(第一管路17和第二管路16)：第一管路17中的水经过第二电控气动高压球阀4、射流泵5、和第四电控气动高压球阀9进入磨料罐11；第二管路16中的水经过第一电控气动高压球阀3、第一支管路33和伺服比例节流阀8进入磨料罐11。当磨料罐11中充满水，并通过第六电控气动高压球阀26排出时，关闭柱塞泵1，此时磨料水射流中各管路(总管路15、第一管路17、第二管路16及其第一支管路33、第四支管路28)和磨料罐11均充满水，精密质量监测仪输出第一质量参数m

S1.2、将磨料颗粒加入至给料斗7中，此时，所述质量监测仪记录第二质量参数m

具体的，第二步，将磨料颗粒加入给料斗7中，此时精密质量监测仪输出第二质量参数m

S1.3、进行磨料自动供给作业，待磨料罐11中加满磨料颗粒后通过质量监测仪记录第三质量参数m

具体的，第三步，进行磨料自动供给作业，将第一电控气动高压球阀3、第五电控气动高压球阀24、伺服比例节流阀8关闭，开启第二电控气动高压球阀4、第三电控气动高压球阀6、第四电控气动高压球阀9和第六电控气动高压球阀26，同时开启柱塞泵1，高压水自高压水入口27进入，沿总管路15，通过第二电控气动高压球阀4在射流泵5处卷吸磨料颗粒，混有磨料颗粒的高压水经第一管路17进入磨料罐11，磨料颗粒在磨料罐11中形成均匀流态化磨料，当磨料罐11中加满磨料颗粒之后，过量的磨料颗粒、水混合流体经第四支管路28流入沉淀池13中，此时依次关闭柱塞泵1和第三电控气动高压球阀6，精密质量监测仪输出第三质量参数m

S1.4、进行磨料水射流作业，磨料水通过第五管路21从喷嘴组件19处喷出，并通过质量监测仪记录检测的质量差、电子流量计2记录的流量差计算出磨料水射流中的磨料颗粒的平均质量浓度C

具体的，第四步，进行磨料水射流作业：将第二电控气动高压球阀4、第四电控气动高压球阀9和第六电控气动高压球阀26关闭，将第一电控气动高压球阀3、第五电控气动高压球阀24、第七电控气动高压球阀32、伺服比例节流阀8开启。打开高压柱塞泵1，高压水自高压水入口27进入，依次通过柱塞泵1、电子流量计2、第一电控气动高压球阀3，沿第二管路16分为两支路，其中一部分高压水沿第一支管路33输送，经伺服比例节流阀8进入磨料罐11，使流态化磨料沿第四管路25通过第五电控气动高压球阀24进入混合腔14，另一部分高压水沿第二支管路34经第七电控气动高压球阀32进入混合腔14，混合腔14用于混合从磨料罐11流出的磨料，经第五管路从喷嘴组件19处喷出，用于进行切割、除锈等作业，作业期间的任一时间段Δt＝t

计算并显示出该时间段Δt内磨料水射流中磨料颗粒的平均质量浓度C

待磨料水射流作业结束后，精密质量监测仪输出第六质量参数m

S1.5、根据用户输入的磨料颗粒的质量浓度C

具体的，第五步，进行磨料质量浓度自动调控：首先使伺服比例节流阀8完全开启，将此时磨料质量浓度设置为C

数据处理中心29对比浓度C

计算出用户输入磨料颗粒的质量浓度C

S1.6、检测出调控后的磨料质量浓度C

具体的，第六步，进行磨料质量浓度自动校准：数据处理中心29自动计算调控后的磨料颗粒的质量浓度C

计算当前误差a

通过本发明的调节系统，用户可以直接输入需要的浓度，该系统会自动监测当前浓度并与目标浓度做对比，实时修正。

由于磨料罐的体积是固定的，但是磨料与水的密度不同，本发明设计出一种新型的测算介质浓度的方法，利用本身原有的设备装置，可以减少设备的投入。首先用质量监测仪监测出的质量变化，再利用混合介质溶液的密度差去换算出介质的浓度。

S2、将在磨料水射流作业过程中的实时工况参数、磨料相关信息以及伺服比例节流阀8开度校准情况存储在所述数据处理中心29，以供在磨料水射流作业结束后，进行数据查看并分析，并供后续的磨料水射流作业时直接调用。

S3、对磨料浓度自动调节系统进行清洗作业，以备下次使用。

具体的，第七步，进行磨料清洗作业：关闭柱塞泵1和第三电控气动高压球阀6，打开第一电控气动高压球阀3、第二电控气动高压球阀4、第四电控气动高压球阀9、第五电控气动高压球阀24、第六电控气动高压球阀26、第七电控气动高压球阀32以及伺服比例节流阀8。将柱塞泵1调为低压输出，低压水自高压水入口27进入，依次通过柱塞泵1、电子流量计2经总管路15分为两路：第一管路17的低压水经过第二电控气动高压球阀4、射流泵5、第四电控气动高压球阀9进入磨料罐11；第二管路16通过第一电控气动高压球阀3分为两个支管路，第一支管路33的低压水通过伺服比例节流阀8进入磨料罐11，磨料罐11中的水经过第四管路25、通过第五电控气动高压球阀24和混合腔14进入第五管路21，最后从喷嘴组件19排出，第二支管路34的低压水通过第七电控气动高压球阀32和混合腔14进入第五管路21，最后从喷嘴组件19排出。当精密质量监测仪输出的质量参数稳定不变并持续1分钟，表明磨料清洗完毕，即可关闭柱塞泵1，最后将水排空以备下次使用。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。