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1、高压水射流粉碎机器人原理及应用获奖科研报告 【摘 要】首先分析了水射流粉碎的特点及其关键技术。阐述了水射流粉碎技术的研究现状及应用领域，工业机器人技术近些年发展迅速并广泛应用于各个领域，随着水射流技术和机器人技术的不断发展，水射流粉碎、解离技术必将有更广阔的应用前景。 【关键词】水射流粉碎;水射流技术;机器人;解离 1.引言 水射流粉碎矿物材料是矿物粉碎工艺中的新技术，这种技术是通过水射流的高速冲击，在矿物材料内部的解理面处产生一定的应力，促使矿物材料沿解理面发生分离，从而达到粉碎、解离的效果。水射流粉碎技术提高了矿物材料的粉碎效率，具有保持矿物材料原始结晶形态和表面光泽度、解离性与分离特性好
2、等优势 1，2。 该技术最突出优点是粉碎能耗低，水射流粉碎技术的颗粒破碎机理不同于传统机械粉碎工艺。在水射流粉碎矿物颗粒的过程中，高压水通过表面裂纹渗进颗粒内部的裂纹顶端，高压水的存在减小了裂纹扩展所需要的力，提高了颗粒的破碎效率。矿物颗在粒宏观上的破碎实际是颗粒内部微裂纹的生成、发育、扩展的最终结果。颗粒受其内部高压水穿渗过程中产生的张应力和冲击力共同作用导致颗粒破碎，其粉碎能耗要远低于传统的研磨工艺。 高压水射流粉碎的另一个优点是：水射流粉碎技术具有良好的选择解离破碎性，即可使矿物材料中的不同矿物组份在原有颗粒的基础上有效解离。高压水射流沿颗粒的裂隙和不同矿物组份界面的穿渗效应，使得水射流
3、粉碎过程变成了一种高效的矿物分选过程。 最近几十年，水射流技术和设备得到迅速发展，数控超高压水射流切割、清洗、破碎及解离技术正在向超高压、智能化、高精度方向发展。高压水射流粉碎机器人是专门为有效的粉碎矿物材料而开发的，通过更换不同的程序，即可进行不同矿物材料的粉碎解离工作。又可以满足对不同矿物材料的加工需要，最终实现自动化、智能化、标准化的工作模式。 2.国内水射流粉碎技术的发展现状 高压水射流粉碎技术问世于上个世纪80年代中期，当时美国密苏里罗拉大学岩体力学及爆破技术研究中心的萨姆等利用水射流粉碎技术对一些产品进行了粉碎试验，试验表明，与普通磨碎方法进行比较，高压水射流对木材纤维的粉碎作用具
4、有明显的优势3。 2007年，徐振亮4在前混合水射流超细粉碎煤粒机理与实验研究中得出了利用水射流对煤进行粉碎与普通粉碎相比具有安全、能耗低、对煤表面晶体形状破坏小的结论，在对煤进行超细粉碎领域提供了一条新的途径。 2010年，王瑞红等5对前混合水射流超细粉碎煤粒自动控制系统进行了研究，通过自动控制系统的设计，实现了对超细粉碎煤粒过程的计算机控制以及对浆料密度、压力等参数的动态监测，控制精度高，能够满足工业生产的要求。 同年，牛助农6对高压水射流粉碎固体物料進行了数值模拟和试验研究，研究表明，与传统的粉碎相比，高压水射流粉碎不仅可以满足矿物具有原始结晶形态和光泽的表面形态，而且还可以得到质量和纯
5、度都比较高的物料产品。 2013年，穆朝民7对高压水射流冲击下煤体破碎程度的确定做了相应的研究，经过数值模拟和模型试验得出了高压水射流冲击下煤体破碎的强度计算公式。 2016年，宫伟力等8采用高压水射流粉碎工艺和传统球磨机粉碎工艺对煤样进行粉碎，通过控制磨煤时间，在保证2种工艺制备的煤样粒度基本相同的基础上，对获得的超细煤粉所需能耗进行了分析。结果表明，高压水射流粉碎技术不但达到了制备超细煤粉的粒度要求，而且其能耗仅为传统球磨粉碎能耗的1/101/6;获得的超细煤粉颗粒表面光洁、无杂质粘附，颗粒之间无联接，有利于分选，具有较高的成浆率和堆积效率。 3.国外水射流粉碎技术发展现状 2004年，H
6、.Z. Kuyumcu9在高压水射流粉碎的研究中提出了高压水射流粉碎技术具有固体和液体相互作用的特点，具有能量可以破坏固体的形态，可以应用于很多领域，特别是在环保和物料的再利用方面得到充分的利用。 2006年，Georgy Sankin10对高压水射流粉碎作业工艺参数对粉碎效果的影响进行了研究，分别对九个工艺参数：泵压力、高压管的长度和直径、煤颗粒的质量流率、原料粒径、靶距、加载时间、目标的硬度和冲击角做了相应的分析研究，得到了九个参数的最优组合。 2010年，Przemysaw Borkowski11在利用高压水射流对煤进行粉碎的研究中，采用水力喷射装置对原煤进行粉碎，并进行了相应的试验研究
7、，得到了粉碎效果更好、细度更高的煤粒。综上所述，现有研究成果采用的水射流粉碎技术可以对云母、永磁铁氧体和煤等一些矿物材料进行高效粉碎。 4.机器人技术发展现状 机器人是科技不断发展和人类文明不断发展的产物，机器人的设计以及研发实际上是时代发展的必然产物，也能够从很大程度上证明机器人的创造是能够满足人们生产以及生活利益的。因此，机器人的创造以及研发是一项必要的科学研究项目。 现如今国外有很多机器人设备创造成功的实例，在创造过程中他们所使用的先进的设计技术是我国无法比拟的，但是随着我国科技的不断发展与进步，现如今有很多的高端设计研究方式正在投入应用，对机器人的新的认识也为今后机器人的设计提供很优越
8、的条件。机器人正在朝着高度的人性化方向发展，通过机器人内部装备设计的不断更新而让机器人拥有一定的思维，从而能够自动的操作，进行工作。那么目前对机器人的发展将会有更高的要求，要求机器人不再是简单地由机械设备组成，而是模仿人类思维与模样接近的具有人类相同思维的产物。 5.基本原理及系统组成 高压水射流粉碎机器人系统，如流程图1所示，它是将机器人控制系统加入整个水射流粉碎工艺中，按照一定的要求，控制整个粉碎流程，首先控制增压系统，将水增压到一定压力使之产生高压射流，然后将高压水通入供料装置，控制系统控制物料的混合比，最后通过喷嘴将压力能转变为高度聚集的水射流能，用这种水射流对矿物进行破碎、解离，破碎
9、完成的矿物进入收集装置内。 整个粉碎、解离工作过程，选用如图2所示圆锥收敛型喷嘴，高压水及矿物充分混合后通过入口直径为7mm，圆锥收敛段长度为9.3mm，圆锥收缩角为30，圆柱段长度为10mm，圆柱段直径为2mm，圆锥扩散段长度为10mm，圆锥扩散角为60的剪切性喷嘴。当混合流从喷嘴喷出时，完成矿物材料的粉碎解离。 在这个过程中，常采用前混合的方式将矿物材料和水进行混合，前混合就是在水射流形成之前，使水、礦物材料均匀混合，之后在高压下，水和矿物材料从喷嘴高速喷出，矿物材料和水具有相同的压力及速度。矿物材料通过压力释放作用、微射流冲击作用、水楔拉伸作用和摩擦作用最终实现矿物材料的破碎、解离。 6.结论 高压水射流粉碎技术目前正沿着高效、多功能、智能化、精细化的方向不断发展，与此同时机器人技术发展也比较迅速，高压水射流粉碎机器人系统是水射流粉碎技术与机器人技术的完美结合。其发展空间是巨大的，伴随着高压水射流粉碎机器人的智能化、模块化和标准化程度的提高。高压水射流粉碎机器人可以在提高整个粉碎系统的可靠性、功率及智能化水平方面发挥其重要作用。相信今后在高压水射流粉碎技术的研究与应用领域会有更多新的突破。