一种基于PVDF的水射流瞬态冲击压力测试方法及装置与流程

本发明属于水射流冲击压力测试技术领域，具体是涉及一种基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试方法及装置。

背景技术：

高压水射流技术是一种以泵体为动力源，以高速水流为能量载体，最终作用于靶体上进行物理破碎的一种新型技术。鉴于高压水射流用于物料破碎具有高效、无尘、低热和低振动等特性，近几十年来该技术已被广泛应用于工业清洗、表面除锈、岩石切割、矿山开采和石油天然气钻探等工程领域。

高压水射流破碎岩石是该技术的一个重要应用分支，可用于地下煤矿水力开采与石油天然气喷射钻井等方面。水射流对岩石的冲击破碎可以分为两个阶段，即初始破碎阶段与后期裂纹扩展阶段。大量实验研究表明，岩石初始破碎核的形成需要的冲击力度远远大于岩石破碎后期裂纹扩展所需力度。水射流之所以能高效破碎岩石，是因为在水射流冲击靶体的初始瞬间会诱导产生巨大的冲击压力—水锤压力，该压力峰值可达稳定冲击压力的数十倍，但持续时间非常短暂，通常在微秒数量级。

因此，准确掌握水射流的瞬态冲击压力对高效指导水射流破岩具有十分重要的意义。目前主要采用文丘里管的方式来测试水射流的冲击压力，但是该方式只能测试射流场中的压力，并不能直接获得射流撞击下靶体所受到的冲击压力。另一方面，水射流的瞬态冲击压力具有强度大、时间短的特性，一般的监测传感器很难满足这种响应时间短、测量范围广、可靠性高的要求。论文《水射流冲击瞬态动力特性及破岩机理研究》采用pvdf薄膜传感器来监测水射流的冲击压力，为水射流瞬态冲击压力测试提供了一种新思路。然而该论文中提出的测试方法尚存在两个重要的缺陷：（1）采用单一的截止盘来截断连续水射流容易造成截断水射流结构不对称、收敛性不好等缺陷；（2）高压水射流直接冲击在pvdf薄膜上，一方面容易损坏传感器结构，另一方面容易导致pvdf薄膜上的微小电荷信号流失。另外，论文《水射流冲击瞬态动力特性及破岩机理研究》中提出的测试系统还存在射流中心与靶体中心难对齐、喷嘴与靶体间距难调节等问题。

技术实现要素：

为了解决上述技术问题，本发明提供一种结构简单，操作方便，不仅可以准确测试纯水射流的冲击压力，还可用于测试磨料射流、气体射流等射流的瞬态冲击压力的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置及方法。

本发明采用的技术方案是：本发明采用的技术方案是：一种基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置，包括水泵、喷嘴、马达、前截止盘、后截止盘、靶板及计算机；所述的水泵的进口通过管道与水箱连接，水泵的出口通过管道与喷嘴连接，所述的马达、后截止盘和靶板安装在测试台上，马达的输出轴与前截止盘连接，靶板、前截止盘与后截止盘平行，前截止盘上对应于喷嘴设有多个通孔，多个通孔沿圆周方向均匀布置；后截止盘上对应于喷嘴设有一个射流孔；所述的靶板上对应于射流孔设有压力传感器，压力传感器与计算机连接。

上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置中，所述的水泵采用的是柱塞泵，压力传感器采用的是pvdf压电传感器。

上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置中，测试台上设有滑轨，所述的马达、后截止盘和靶板安装在测试台的滑轨上。

上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置中，所述的pvdf压力传感器包括上盖和pvdf薄膜，上盖上设有容纳pvdf薄膜的凹槽，pvdf薄膜安装在靶板的圆形凸台上，上盖通过凹槽将pvdf薄膜覆盖，并通过螺栓对上盖进行预紧处理；上盖朝向凸台的端面上设有连通凹槽的导线槽，pvdf薄膜的导线从导线槽引出。

上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置中，水泵的出口通过一管道连回水箱，该管道上设有溢流阀。

上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置中，水泵与喷嘴连接的管道上设有压力表。

一种利用上述的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置的水射流瞬态冲击压力测试方法，包括如下步骤：

（1）组装基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置；

（2）将pvdf传感器安装在靶板上；

（3）调节喷嘴高度，使得喷嘴中心与后截止盘上的射流孔的中心在一条直线上，且使得射流孔中心位于前截止盘上多个通孔的节圆上；然后转动前截至盘，让通孔避开喷嘴中心；

（4）调节前截止盘与靶体的位置，使得喷嘴与前截至盘的距离为3mm，调节后截止盘与靶体的位置，使得后截止盘与靶体之间的距离为3mm；

（5）开起电脑，开启水泵，将水泵的工作泵压调节至10mpa，保持稳定后开启马达，使得水射流被截断为多个脉冲射流；

（6）对压力传感器进行数据采集，得到冲击压力曲线图；

（7）逐渐降低水泵的泵压直至关闭，分析处理数据。

与现有技术相比，本发明具有的有益效果是：

（1）本发明采用前截止盘和后截止盘一起作用来截断连续水射流，获得的某一稳定工作压力下的截断水射流结构稳定、收敛性好，可以精确实现某一稳定工作压力下的水射流的瞬态冲击试验。

（2）本发明采用pvdf压电传感器测试冲击压力，可以直接获得高压纯水射流、高压磨料射流、高压脉冲射流等冲击下靶板所受到的冲击载荷；本发明采集卡的采样频率可以高达1mhz，因此采样时间可以精确到微秒数量级，可以有效测试出瞬态冲击压力的变化规律。

（3）本发明采用设有凹槽的上盖与靶板上的凸台安装pvdf薄膜镶，同时将pvdf信号传输的导线封存于上盖的导线槽内，避免了pvdf薄膜被水射流冲击而损坏的问题，同时保证信号传输的准确性。

（4）本发明采用滑动导轨来确定喷嘴、截止盘与靶体的位置，具有定位准确、操作方便的有点。

（5）本发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置还具有结构简单，操作方便的优点。

附图说明

图1是发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置的结构图。

图2是本发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置的前截止盘的结构图。

图3是本发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置的传感器处的主视图。

图4是本发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置的传感器处的剖视图。

图5是水射流瞬态冲击压力曲线图。

具体实施方式

下面结合附图对本发明作进一步的说明。

如图1-图4所示，本发明的基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试装置包括水泵2、喷嘴8、测试台5、马达6、前截止盘9、后截止盘10、靶板12及计算机14；所述的水泵2采用的是柱塞泵，水泵2的进口通过管道与水箱1连接，水泵2的出口通过管道与喷嘴8连接，该管道上设有压力表4。水泵2的出口通过一管道连回水箱1，该管道上设有溢流阀3。

所述的测试台5上设有滑轨7，所述的马达6、后截止盘10和靶板12安装在测试台的滑轨7上，马达6、后截止盘10和靶板12均可以在滑轨7上移动，以调节马达6、后截止盘10和靶板12的位置。

马达6的输出轴与前截止盘9连接，能够带动截止盘9旋转。靶板12、前截止盘9与后截止盘10平行，前截止盘9上对应于喷嘴设有四个通孔16；四个通孔16沿圆周方向均匀布置。后截止盘10上对应于喷嘴设有一个射流孔17，射流孔17的直径小于通孔16的直径。所述的靶板12上对应于后截止盘10上的射流孔17设有压力传感器，压力传感器通过采集卡13与计算机14连接。

所述的压力传感器采用的是pvdf压电传感器，包括上盖11和pvdf薄膜19，上盖11上设有容纳pvdf薄膜19的圆形凹槽22，pvdf薄膜19安装在靶板12的圆形凸台23上，上盖11通过凹槽22将pvdf薄膜19覆盖，并通过安装孔21内的螺栓对上盖11进行预紧处理。上盖11朝向凸台23的端面上设有连通凹槽的导线槽20，pvdf薄膜19的导线从上盖11的导线槽20导出，连接至采集卡13。

一种基于pvdf的水射流瞬态冲击压力测试方法，包括如下步骤：

（1）按照水射流瞬态冲击压力测试系统总体连接示意图连接测试装置；

（2）将pvdf薄膜19安装在靶板12的凸台23上，并将上盖11覆盖在pvdf薄膜19上，调节预紧螺栓使上盖11紧贴在pvdf薄膜19上；

（3）调节喷嘴8的高度，使得喷嘴8的中心与后截止盘10上的射流孔17中心在一条直线上，且使得射流孔17中心位于前截止盘上四个通孔16的节圆上；然后转动前截至盘9，让通孔16避开喷嘴8中心；

（4）调节截止盘与靶体的位置，使得喷嘴与截至盘的距离为3mm，截止盘与靶体之间的距离为3mm；

（5）开起电脑，打开冲击压力测试采集分析软件，进行清零处理，将传感器采集触发方式改为手动触发；

（6）开启柱塞泵，通过溢流阀将工作泵压调节至10mpa，保持稳定后开启马达，使得水射流被截断为多个脉冲射流；

（7）手动点击传感器采集按钮，对压力传感器的数据进行采集，从而得到图5所示的冲击压力曲线图；

（8）逐渐降低水泵的泵压直至关闭，分析处理数据。