[发明专利]一种水切割用超高压水射流长度和半径的测量方法

说明书

技术领域

本发明是一种超高压水射流长度和半径的测量装置和测量方法，属于水切割机切割头性 能检测技术领域，也属于超高压喷射过程成像研究领域。

技术背景

在超高压水切割中，切割头产生的高速射流流束会随着喷射距离的增大而逐渐扩散，为 了鉴定射流质量和确定切割靶距，工程中通常会引入一个长度，在此长度内的射流的集束性 较强，适于切割作业，统称为水线长度(coherent length)，可以根据需要对其进行标定，如 将射流初始半径加倍时的喷射距离定为水线长度(double length)。另一个反映射流集束性的 指标是射流半径，是指射流在某个喷射距离的径向尺寸，射流半径也是测定水线长度的依据。

水线长度和射流半径常用于对切割头性能进行检测的重要指标，在超高压射流的相关研 究中也被用于描述射流的结构特性。但是，对其进行定量测量比较困难，是学术界和工程界 一直探索的问题之一。由于超高压射流本身具有非常强的切割能力，接触性的直接测量显然 不可行。若使用非接触性测量，容易想到的是采用光学测量如红外测量或PDPA测量，红外测 量可以通过获得射流的温度分布来判断射流的半径，PDPA可通过获得射流边缘的液滴分布情 况来判断射流的发散程度。这些方法在测量精度上固然可以达到令人满意的结果，但是切割 用水射流的半径一般很小，测量域小就要求光学设备如PDPA光镜和接受镜须设置在较短的距 离内进行测量以保证光点定位的准确度和测量的精度，而超高压喷射过程中难免存在溅射、 雾化等现象，设备的安全和实验的可靠性难以保证，若对设备采取保护措施，无疑会增加前 期准备的工作量，使测量变得更为复杂，同时也增加了测量的成本。《一种测量磨料水射流直 径的装置》(An instrument for measuring abrasive water jet diameter：International Journal of Machine Tools & Manufacturing，2009，49：843-849)提供了一种间接测量射流 半径的方法，首先通过实验获得射流打击力的径向分布，通过观察打击力集中分布区域的宽 度和切口形状来判断核心射流的半径，这种方法具有较高的可操作性，但超高压射流的打击 力测量相对危险，而且，同PDPA方法一样，若要通过这种方法判断水线长度，还须在多个轴 向位置进行实验，增大了测量的复杂程度。

发明内容

本发明所要解决的技术问题是，公开了一种基于拍摄技术和图像后处理获得超高压射流 水线长度和射流半径的方法，这种方法安全、准确，具有很高的可操作性。且所需的均为较 普通的器材，测量成本低廉。可以获得射流在极端工况下的一些统观特性，所结果能够满足 工程和科研的需要，可用于对超高压水切割头性能进行评估。

本发明的技术方案是，本发明的分为通过拍摄获得射流形态的图像和图像后处理两个部 分。主要装置包括数码相机、水箱、具有方形镂空的工作台、盖板、过流部件、幕板、切割 头(纯水)，还有产生高压水的增压器和高压水管。

本发明的主要步骤为：

拍摄：

1.测量前，向水箱中注水，注水或是测量过程中水箱中的水过多时就会从溢流孔中流出， 这样就保证了拍摄过程中水箱的水位不变。

2.调节切割头的位置，使其处于箱中心某一位置的上方并固定其位置。

3.将盖板置于具有方形镂空的工作台之上覆盖工作台。

4.将过流部件置于切割头正下方，过流部件厚度500～600mm，在过流部件中心打孔， 为圆柱形通孔，孔径为40～50mm，调整过流部件位置，使切割头轴线基本与孔心重合。

5.将黑色幕板置于过流部件后方并与过流部件贴合。

6.调节切割头的高度，控制其出口端面与过流部件上端面的距离为某一确定值h，该值 也是后处理阶段获得水线长度和射流半径的长度参考。

7.调节幕板的位置，使切割头位于幕板的中心部位。根据切割头位置定位相机，使相机 镜头的中心与幕板的中心重合。

8.开启增压器，使切割头开始进行喷射。

9.射流击穿盖板后开始进行拍摄，黑色幕板加大了射流与周围环境的反差，使用数码相 机拍摄射流时采用过曝光的设置进一步增强对比度。