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1、 毕业设计(论文)开题报告院 系 机械工程学院 专 业 机械工程 姓 名 学 号 指导教师 开题报告日期 论文题目多喷头高压水铣刀优化设计一、 选题背景和意义：高压水铣刀也就是高压水射流，其原理就是把具有一定压力的水从直径较小的喷嘴射出形成高速射流，利用射流产生的能量对作用材料进行切割，粉碎或清洗等作业。从上世纪30年代开始，就已经开始利用10MPa以下的水射流对中硬以下的煤层进行冲采。随着科技的发展和需求的增长，更高压力的水射流也逐渐被应用到其他工业部门，比如：石油、化工、航空、建筑等等领域。目前，根据水射流的压力可分为三类，（1）低压水射流，工作压力低于10MPa；（2）高压水射流，工作压
2、力在10MPa-200MPa；（3）超高压水射流，工作压力在200MPa以上。而本次课题需要进行优化设计的就是高压水射流，高压水射流广泛应用于船舶除锈和工业清洗，此外高压水射流还可以用于材料的破碎，起到切割或粉碎材料的效果，所以也可称为高压水铣刀。高压水铣刀切割具有以下特点，切口平整，无需二次加工；无切割热，材料无热变质和热变形；适用于易燃易爆等物品的切割。此外，对于老旧橡胶轮胎的粉碎更具有独特优势。利用高压水铣刀可以在粉碎轮胎上旧橡胶的同时完好的 图一 高压水铣刀设备 分离出轮胎里的金属丝。此外，可以通过调整水铣刀设备的相关参数，使得水铣刀粉碎的橡胶粉末达到一定的粒径，从而让这些橡胶粉末具有
3、高度的再生性，可以重复利用，非常符合当今节约减排的潮流。图一中的水铣刀设备就是现在一般企业里使用的，设备上的喷嘴是采用往复运动的形式。而本次课题需要进行优化设计的是多喷嘴并且喷嘴是采用旋转运动形式的设备。其具体结构是由放置材料的传送带和安装有多喷嘴的旋转横杆组成。为了能够提高水铣刀的切割或粉碎效率，可以调整的参数有传送带直线速度、横杆旋转速度、喷嘴分布以及各个的喷嘴流量。通过调整这些参数使得水铣刀粉碎效率达到最大，完成其优化设计。正因为高压水铣刀有这些突出的优点，在发展高压水铣刀技术的同时，如何提高高压水铣刀的切割或粉碎效率也是非常重要的。二、 课题关键问题及难点：设备：多喷头高压水铣刀；材料
4、：橡胶。课题的关键问题是：分析多个高压喷头分布、喷头旋转速度、材料直线移动速度对于材料粉碎效率的影响，并对其进行优化。此外在考虑射流流量受限情况下，分析多喷头流量分配的设计与优化。课题难点：（1）使用ANSYS建立模型分析材料被高压水射流粉碎时的受力分析，确定不同流量作用下的粉碎区域。（2）利用Matlab建立多喷头高压水铣刀模型，并调整喷头分布、喷头旋转速度、材料直线移动速度或喷头流量这四个变量，使得材料被粉碎的体积达到最大，实现提高粉碎效率的目的。注：开题报告可单独装订，但在院（系）范围内，封面和装订格式必须统一。三、 文献综述（或调研报告）：当今国内正是制造业和各种工业蓬勃向上之际，而对
5、各种工业部门来说，众多材料的切割或粉碎是至关重要的一步。一般传统的切割或粉碎手段都是使用各种机械机床来实现，虽然机床技术较为成熟普及，但是其中也会有很多弊端，比如巨量的切削热、成本高昂或者材料容易受热变质变形等等。而从上个世纪30年代出现并发展至今的高压水铣刀技术或者称为高压水射流技术却能够很好的克服这些弊端。高压水铣刀的工作原理就是把具有一定压力的水从直径较小的喷嘴射出形成高速射流，利用射流产生的能量对作用材料进行切割，粉碎或清洗等作业。由于其用来切割的介质是水而不是各种金属刀具，水能够吸收大量切割或粉碎材料时产生的热量，这样就不需要添加各种机械机床所必须的冷却液，从而节省了切割机构复杂性，
6、也降低了使用成本。因为没有巨量的切削热，所以一些特殊材料在切割时也不会发生受热变质或变形。此外，高压水铣刀由于采用的是高压水流作为刀具，而不需要购买昂贵的其他材质的刀具，所以使用高压水铣刀切割的成本是极低的。高压水铣刀还有一个其他切割技术所没有的优势，那就是可以用来切割易燃易爆物品。因为高压水铣刀是用水作为刀具切割，所以能够吸收大量切割热而且不会产生火花，因此非常适合用来切割各种易燃易爆物品。按照中国标准，水射流按照压力一般分为低压水射流，其工作压力低于10MPa，用于消防、喷泉以及灌溉；高压水射流，其工作压力在10MPa-200MPa，用于船舶除锈、工业清洗或者材料粉碎；超高压水射流，其工作
7、压力为200MPa以上，用于工业切割、破碎等1。水射流根据射流形式大致可分为连续射流、脉冲射流、空化射流三种类型。本次课题所使用的就是连续射流。连续射流是最普通的射流形式，由于水射流作业的高压化、大型化发展趋势，高压水射流是指其驱动压力在150-200MPa范围；由于200MPa压力是一般水射流作业压力的下限，因此当驱动压力高于200MPa后即被认为是超高压水射流。连续射流还可以进行加温、加入化学清洗剂或者加入磨料以提高其应用性能。国内外对高压水铣刀的使用较大一部分是在老旧轮胎上的回收上。老旧轮胎上的旧橡胶和轮胎里的金属丝纠缠在一起，利用高压水铣刀可以快速粉碎表层的橡胶使得橡胶和金属丝分离开，
8、这样方便金属丝的回收再利用。国外的学者彼得、恩尼克、松田聪等在Toughening of Epoxy Resin: The Effect of Water Jet Milling on Worn Tire Rubber Particles一文中研究了水射流粉碎老旧轮胎颗粒对环氧树脂增韧的影响，通过加入由高压水射流粉碎老旧轮胎的橡胶颗粒，可以增加环氧树脂的韧性2。国内的合肥工业大学对研究使用高压水射流粉碎老旧橡胶的论文较多，谢仁婷3在超高压水射流破碎废旧子午线轮胎的机理研究一文中研究得出水射流的驱动压力是影响橡胶粉碎后颗粒粒径的主要因素，从而能够在特定驱动压力下得到足够精细粒度的橡胶颗粒，实现提
9、高橡胶粉末的再生性能。唐强4、吴师强5、余德桥6等人研究了高压水射流粉碎子午线轮胎的机理和影响胶粉性能的各个因素，此外还研究了影响高压水射流破碎子午线轮胎效率的主要因素。论文通过ANSYS仿真和以单一变量试验研究了水射流参数水平的变化时破碎效率的变化规律。通过分析比较得出高压水射流破碎橡胶效率主要受泵压也就是水射流的驱动压力的影响，如果同时提高泵压和喷嘴移动速度可以更显著地提高橡胶破碎效率。按照文献经验，为了提高高压水铣刀粉碎或切割效率，在泵压保持不变的情况下，可以优先考虑调节喷嘴移动速度，同时观察粉碎或者切割材料效率的变化趋势，找出两者之间变化的联系，实现优化处理。然后再改变材料直线移动速度
10、和多喷嘴之间的分布来观察粉碎或切割材料效率的变化，以期达到最大粉碎或切割效率的优化设计目的。参考文献：1 查辉. 超高压水射流破碎子午线轮胎的空化效应及胶粉脱硫机理D.合肥工业大学,2015.2TAMAS-BENYEI P, BITAY E, KISHI H, et al. Toughening of Epoxy Resin: The Effect of Water Jet Milling on Worn Tire Rubber Particles J. Polymers-Basel, 2019, 11(3): 529.3谢仁婷.超高压水射流破碎废旧子午线轮胎的机理研究D.合肥工业大学,201
11、5.4 唐强. 超高压水射流下轮胎化学键断裂及胶粉成形机制D.合肥工业大学,2017.5吴师强. 超高压水射流破碎子午线轮胎效率及胶粉性能研究D.合肥工业大学,2016.6 余德桥.超高压水射流破碎子午线轮胎解离行为研究D.合肥工业大学,2015.四、 方案（设计方案、或研究方案、研制方案）论证：1.查阅文献通过图书馆或其他网络资源查阅相关文献，了解高压水射流切割技术以及在材料粉碎方面的应用。收集有关资料，并对收集到的材料进行归纳分类。2.总结归纳对与课题相关的文献，需要详细阅读，总结别人的研究方法和最终结果，阅读过程中及时做好记录，以备借鉴。3.使用ANSYS进行应力分析使用ANSYS中ex
12、plicit dynamic模块进行高压水铣刀粉碎旧轮胎上橡胶仿真，分析橡胶在被高压水射流粉碎的瞬时应力分析，确定射流作用宽度。图二ANSYS模型简图4.多喷头高压水铣刀建模仿真优化a.首先分析多喷头高压水铣刀旋转运动和材料直线运动的合成的数学模型，写出其数学公式；b.然后在Matlab上编程，画出四个喷头在需要粉碎材料上的轨迹，再计算出材料上粉碎轨迹的面积；c.接着进行立体化，将平面的轨迹转换成立体，再计算出材料被粉碎的体积；d改变高压喷头旋转速度、材 料直线移动速度、高压喷头分布以及 图三 Matlab模型简图 各个喷头流量的数值使得材料被粉碎的体积达到最大，以达到优化材料粉碎效率的目的。五、进度安排：起止日期工作内容备 注3.1-3.15开展文献查阅，完成开题报告3.15-4.15完成ANSYS仿真分析，建立运动轨迹平面模型4.15-5.5完善运动轨迹三维模型，开展优化设计，开始撰写毕业论文5.5-5.25完成剩余研究内容，修改完善毕业论文
开题报告-多喷头高压水铣刀优化设计
