[发明专利]一种基于PVDF的水射流瞬态冲击压力测试方法及装置

说明书

本发明公开了一种基于PVDF的水射流瞬态冲击压力测试方法及装置，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；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。本发明结构简单，操作方便；本发明采用截止盘来截断连续的水射流，可以对某一稳定工作压力下的水射流的瞬态冲击效应进行测试。

技术领域

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。

发明内容

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：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。