增壓器式超高壓水射流 切割機(jī)產(chǎn)品化體會(huì)及展望

超高壓水射流切割機(jī)的基本類(lèi)型有前混和后混之分。 前者工作壓力低、能量利用率高 ,但 由于某些技術(shù)問(wèn)題的限制 ,在產(chǎn)品中較少采用。 后混式由其壓力產(chǎn)生的不同 ,又可以選擇增壓 式和直接加壓式。前者通過(guò)活塞面積比的變化 ,使普通 30M Pa以?xún)?nèi)的油壓泵站的壓力 ,轉(zhuǎn)換為 大于 ( 200～ 400) M Pa水壓。另一種形式是通過(guò)三或五柱塞的往復(fù)泵使水的壓力直接加壓到預(yù) 定的范圍。由于筆者對(duì)增壓器有著長(zhǎng)期使用及設(shè)計(jì)的實(shí)踐經(jīng)驗(yàn) ,以及對(duì)其高壓密封和缸體的強(qiáng) 度 ,壽命問(wèn)題及相關(guān)技術(shù)的儲(chǔ)備 ,因此 ,選用增壓器型的超高壓系統(tǒng)。 增壓型的水切割機(jī)主要的特點(diǎn)是其低壓缸動(dòng)力來(lái)源于低壓泵站 ,它可選標(biāo)準(zhǔn)產(chǎn)品供應(yīng)和 配套。 使研制集中在超高壓增壓系統(tǒng)之中。 超高壓水射流切割機(jī)中有關(guān)數(shù)控機(jī)床方面的問(wèn)題 這里不作更多討論。 增壓器型超高壓水切割機(jī)的高壓發(fā)生器 ,主要由以下幾個(gè)部分組成: 增壓器、單向閥門(mén)、換 向器、高壓儲(chǔ)能器、高壓接頭和管路、高壓測(cè)量系統(tǒng)和安全系統(tǒng)、以及水的預(yù)處理設(shè)備等。 切割 部分包括純水或磨料切割頭、高壓快速閥門(mén)、磨料供給和控制系統(tǒng)等。

2. 1 超高壓發(fā)生系統(tǒng) 超高壓發(fā)生系統(tǒng)是超高壓水射流切割機(jī)的核心。除結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和運(yùn)行可靠性之外 ,解決問(wèn)題 的關(guān)鍵集中在高壓部件的疲勞壽命以及動(dòng)態(tài)密封件的使用壽命上。 現(xiàn)結(jié)合各主要部件的結(jié)構(gòu) 選擇 ,討論如何解決研制中出現(xiàn)的一些問(wèn)題。

2 .1. 1 增壓器 增壓器是高壓發(fā)生器中的核心 ,它主要由同軸大活塞和左右兩個(gè)柱塞 (高壓活塞 )及高、低 壓缸體、連結(jié)件和密封件所組成。 其中的低壓部分可采用現(xiàn)有的液壓技術(shù)解決。 因此 ,其關(guān)鍵 技術(shù)在于高壓缸體和密封方面的問(wèn)題。 高壓缸體具有足夠的強(qiáng)度之外 ,還要求具有的使用壽命 ,如活塞運(yùn)行頻率為 40次 / 分 ,要求高壓缸體工作壽命達(dá)到一年時(shí) ,其疲勞壽命必需在數(shù)百萬(wàn)次以上?？梢哉J(rèn)為 ,在缸體尺 寸限制的條件下 ,工作壓力達(dá)到 300M Pa,選用高強(qiáng)度合金鋼 ,這些指標(biāo)是難以達(dá)到的。開(kāi)始的 壽命達(dá)三四百小時(shí) ,由于對(duì)此問(wèn)題重視不夠 ,當(dāng)材料某些指標(biāo)有些波動(dòng)時(shí) ,缸體的壽命有時(shí)甚至僅有數(shù)十小時(shí)。通過(guò)在結(jié)構(gòu)上及預(yù)處理技術(shù)改進(jìn)后 ,使缸體壽命穩(wěn)定在 800小時(shí)以上。由于 對(duì)應(yīng)力的進(jìn)一步分析和技術(shù)改進(jìn) ,其壽命又有成倍的提高。 高壓動(dòng)態(tài)密封是增壓器的另一個(gè)關(guān)鍵技術(shù)。通常采用高、低壓自動(dòng)密封組合件完成的。其 中低壓預(yù)密封是保持可靠工作的首要條件。 出于對(duì)可靠性的考慮 ,在開(kāi)始選某些進(jìn)口密封件。 但是還出現(xiàn)密封失效的例子 ,影響生產(chǎn)的連續(xù)性。 對(duì)破壞的低壓密封件分析表明 ,它是因?yàn)楦?溫熔化而失效。 從水的壓力 /溫度狀態(tài)圖可知 ,在 200M Pa以上時(shí) ,水的沸點(diǎn)遠(yuǎn)超過(guò) 100℃ ,因 此 ,塑料密封件的熔化并不足為奇。 采用新的材料重新設(shè)計(jì)此部分的低壓密封 ,上述失效現(xiàn)象 得以 ,高壓動(dòng)密封達(dá)到正常持續(xù)工作的要求。

2.1. 2 換向系統(tǒng) 保證雙相增壓器的活塞能夠有序的往復(fù)運(yùn)動(dòng) ,必須保證在活塞向一個(gè)方向運(yùn)動(dòng)接近終點(diǎn) 之前 ,發(fā)出換向信號(hào) ,使活塞向相反的方向運(yùn)動(dòng)。 由于運(yùn)動(dòng)的活塞處于油壓和超高水壓密 封的環(huán)境之下 ,通用的接觸式或非接觸式開(kāi)關(guān)難以直接采用。目前國(guó)外增壓器中所采用的換向 器結(jié)構(gòu)有機(jī)械式、電觸點(diǎn)式以及采用各種傳感器的非接觸式。實(shí)際上 ,機(jī)械式結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜 ,又 沒(méi)有電氣元件能直接推動(dòng)換向先導(dǎo)閥而帶動(dòng)液動(dòng)閥換向 ,使活塞完成循環(huán)動(dòng)作。 實(shí)踐表明 ,換 向器對(duì)推動(dòng)位移和精度都非常敏感 ,因此 ,在加工、裝配及調(diào)整時(shí) ,有嚴(yán)格的要求。 電接觸式易 受某些環(huán)境的影響 ,選擇時(shí)應(yīng)采取適當(dāng)措施。 對(duì)于非接觸式的換向器 ,要求專(zhuān)門(mén)設(shè)計(jì)其相應(yīng)的 機(jī)構(gòu)以產(chǎn)生換向信號(hào)。 在研制中 ,特別注意排除在換向時(shí)非換向工作腔中 ,油壓脈沖產(chǎn)生誤觸 發(fā)信號(hào)的干擾。近期研究的新結(jié)構(gòu)的非接觸式換向器 ,克服上述液壓脈沖的影響 ,結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單 ,換 向位置調(diào)整方便并具有的可靠性。 它可以滿(mǎn)足在各種環(huán)境下 ,長(zhǎng)時(shí)間穩(wěn)定工作的要求。

2. 1. 3 高壓儲(chǔ)能器 由于增壓器的高壓是活塞往復(fù)、間歇運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生的 ,運(yùn)動(dòng)頻率為每秒 30至 60次。 其產(chǎn)生壓 力的波動(dòng)不可避免 ,為使對(duì)切割過(guò)程不致產(chǎn)生不利影響。在高壓管路中增加有一定容積的儲(chǔ)能 器 ,平緩上述波動(dòng)是非常必要的。儲(chǔ)能器實(shí)為一高壓容器。其容量的增大對(duì)其高質(zhì)量切割有好 的影響。 但是容量過(guò)大也有不利的因素。 其一 ,是壓力的增長(zhǎng)有一定的滯后作用 ,其二是它將 帶來(lái)體積和重量的增加。通過(guò)計(jì)算和相關(guān)的實(shí)驗(yàn)表明 ,在此產(chǎn)品中選用 ( 0. 5～ 1. 0)升容積的儲(chǔ) 能器是合適的。由于選材及預(yù)處理手段 ,其強(qiáng)度和疲勞壽命有很大的提高。該儲(chǔ)能器已運(yùn)行了 3年多時(shí)間 ,仍能連續(xù)安全工作。 2. 1. 4 單向閥門(mén) 為保證低壓水進(jìn)入高壓缸 ,加壓后僅注入高壓管路的單向運(yùn)動(dòng)。 在增壓器式高壓發(fā)生器 中 ,采用四支單向高壓閥門(mén)是必要的。為保證這些閥門(mén)可靠工作 ,對(duì)它們的密封性能、開(kāi)閉的靈 活性、工作壽命以及可維修性等方面都有嚴(yán)格的要求。 高壓?jiǎn)蜗蜷y門(mén)常采用球形或是錐形閥 芯。通過(guò)總結(jié) ,筆者對(duì)超高壓閥門(mén)的研制、對(duì)比實(shí)驗(yàn) ,在這里選用了平面密封閥芯。在結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 合理、工藝滿(mǎn)足要求的情況下 ,此類(lèi)密封閥門(mén)密封可靠性強(qiáng)、工作壽命長(zhǎng) ,又具有很好的可修復(fù) 性。 為實(shí)施維修以及工藝加工方便 ,筆者將單向閥門(mén)安裝設(shè)為外置式 ,不同于國(guó)外一些產(chǎn)品將 其置于高壓缸體的端部塞頭內(nèi)。此種結(jié)構(gòu)的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)緊湊 ,但由于偏心孔、側(cè)孔、環(huán)行密封等 要求帶來(lái)結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性 ,給加工及維修工作帶來(lái)不便。 實(shí)踐表明 ,外置式的平面單向閥門(mén)能夠 保證長(zhǎng)期穩(wěn)定地工作。

2. 1. 5 高壓管路 國(guó)內(nèi)并沒(méi)有可選用的不銹鋼高壓管路產(chǎn)品。 一般不銹鋼強(qiáng)度不足。 在同鋼管廠共同協(xié)作 下 ,研制成直徑為 10mm和 6mm的厚壁高強(qiáng)度無(wú)縫不銹鋼管。實(shí)驗(yàn)表明 ,它可以承受 450M Pa 以上的工作壓力 ,接近國(guó)外同類(lèi)產(chǎn)品水平。選用 6mm(或 7mm)鋼管的主要目的是配合平面數(shù) 控機(jī)床的設(shè)計(jì)。由于 6mm鋼管有足夠撓性 ,它可以方便地實(shí)現(xiàn)切割頭的運(yùn)動(dòng)。相對(duì)比 ,其占地 面積遠(yuǎn)小于床身或水槽移動(dòng)方案。 2. 1. 6 高壓測(cè)量系統(tǒng)和安全裝置 高壓測(cè)量、超壓報(bào)警和卸壓是水切割機(jī)的重要組成部分。 這里采用自行研制的增強(qiáng)型 500M Pa壓力傳感器以及配套的數(shù)字式壓力顯示和控制器。對(duì)比波登管式壓力表 ,此系統(tǒng)主要 優(yōu)點(diǎn)是壓力顯示穩(wěn)定、精確 ,同時(shí)可以方便地控制超壓報(bào)警和控制卸壓。 為了防止超高壓水切 割機(jī)的意外超壓的危害 ,采用了自行研制的超壓爆破管 ,它可以在預(yù)設(shè)的精確壓力下發(fā)生作 用。即保證在壓力超過(guò)預(yù)定值后迅速卸載 ,以保證設(shè)備和人員的安全。此兩項(xiàng)技術(shù)均屬筆者的 產(chǎn)品。 2. 1. 7 水回路及水處理 為了保證高壓水路暢通及提高設(shè)備的效率 ,對(duì)輸入切割機(jī)的水必需進(jìn)行過(guò)濾預(yù)處理。有條 件應(yīng)進(jìn)行去離子處理 ,以便更好防止在水噴咀有水垢產(chǎn)生。 實(shí)踐表明 ,進(jìn)入增壓器的水預(yù)先通 過(guò) 1μm左右的過(guò)濾器是合適的。為防止增壓器系統(tǒng)內(nèi)部新產(chǎn)生的顆粒碎屑可能對(duì)噴咀的損壞 和堵塞 ,在噴咀進(jìn)水前 ,設(shè)置高壓過(guò)濾器是非常必要的。為簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu) ,筆者在高壓儲(chǔ)能器的出口 處增加過(guò)濾網(wǎng) ,有著良好的效果。 適當(dāng)提高進(jìn)入高壓缸體水的壓力 ,對(duì)保證增壓器正常工作和 提高效率非常有利。 國(guó)外設(shè)備一般要求在 0. 4M Pa以上 ,應(yīng)用中選用 1. 5M Pa以上的前置泵 , 可以有更好的效果。 2. 2 高壓水切割部分 切割部分作為高壓水射流切割機(jī)的工作端。 以磨料水射流切割為例 ,它主要由磨料切割 頭、快速閥門(mén)、供沙系統(tǒng)和磨料所組成。 磨料切割頭是由高壓水噴咀、磨料混合腔和磨料噴咀 (砂噴咀 )所組成。其中水噴咀的直徑一般為 ( 0. 07～ 0. 3) mm左右。對(duì)于磨料水射流切割而言 , 其直徑一般為 0. 25mm左右。磨料水噴嘴是切割部分的核心。目前 ,國(guó)外高壓水切割裝置已經(jīng) 發(fā)展到第三代。 第三代為非調(diào)整式的 ,其主要特點(diǎn)是由各零件的精密工藝 ,保證水噴咀射流同 磨料噴咀中孔同心 ,以確保切割效率。它通常由 ( 5～ 7)個(gè)零件組成。安裝后即可使用。通過(guò)實(shí) 踐表明 ,在目前采用國(guó)產(chǎn)噴咀條件下 ,采用第二代可調(diào)式磨料水噴咀是比較方便的。 通過(guò)各種 多方案的對(duì)比和改進(jìn) ,新設(shè)計(jì)的磨料水切割頭的質(zhì)量?jī)H 500g左右 ,調(diào)整水射流的時(shí)間一般不 超過(guò) 5分鐘。 使用極為方便。 高壓快速閥門(mén)對(duì)于打孔和封閉曲線(xiàn)切割 ,是不可少的高壓部件。 通過(guò)方案的設(shè)計(jì)和改進(jìn) , 使其外形直徑由原有的 130mm減小到 80mm。 目前 ,適宜水射流切割機(jī)的磨料有多種 ,通常采用天然石榴石 ,其粒度在 ( 40～ 80)目之間。 此種礦砂在我國(guó)有大量的儲(chǔ)備 ,價(jià)格便宜又無(wú)污染。 它對(duì)于推廣磨料水切割技術(shù)有重要意義。 不同的切割對(duì)象選不同的磨料 ,其中 ,應(yīng)注意硬質(zhì)磨料對(duì)噴嘴壽命的影響。

3 國(guó)產(chǎn)增壓器型水切割機(jī)的主要特點(diǎn) 

研制成功的增壓器式超高壓水切割機(jī)產(chǎn)品的性能達(dá)到了美國(guó) FLOW和 JET EGE兩家公 司的 6XS— 40型和 42— 30型產(chǎn)品的基本性能。其工作壓力為 300M Pa,流量為 2. 7 l /m , 電機(jī)功率為 22kw ,而其主要零部件的工作壽命接近國(guó)外產(chǎn)品的水平。 產(chǎn)品的全部零件可以做 到國(guó)產(chǎn)化 ,對(duì)比國(guó)外產(chǎn)品它還具有以下特點(diǎn): 1) 具有超高壽命的高壓缸體: 由于采用了結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì) ,綜合的預(yù)應(yīng)力處理措施以及高 強(qiáng)、高韌性的鋼材選擇。合理的設(shè)計(jì) ,使缸體的工作應(yīng)力在疲勞的安全限之內(nèi)。實(shí)踐表明 ,新開(kāi) 發(fā)的缸體工作壽命己超過(guò) 1500小時(shí)。 這為進(jìn)一步提高工作壓力奠定了基礎(chǔ)。 2) 結(jié)構(gòu)緊湊的高壓儲(chǔ)能器: 由于高強(qiáng)度材料、預(yù)處理技術(shù)、軸向應(yīng)力的引入以及結(jié)構(gòu)的 合理設(shè)計(jì) ,產(chǎn)品的質(zhì)量?jī)H十余千克 ,不到進(jìn)口該部件重量的八分之一。 3) 高壓傳感器 數(shù)字顯示 /控制器: 它在測(cè)量精度、遠(yuǎn)距離監(jiān)測(cè)以及壓力控制方面遠(yuǎn)優(yōu)于 機(jī)械式壓力表。 而目前國(guó)外此類(lèi)切割機(jī)中可能由于價(jià)格原因 ,僅少數(shù)產(chǎn)品采用此類(lèi)系統(tǒng)。 4) 消除反向壓力脈沖影響的非接觸換向器: 新的方案中 ,在不加大彈簧尺寸 ,不采用時(shí) 間繼電器的條件下 ,巧妙地解決消除反向壓力脈沖影響問(wèn)題。 結(jié)構(gòu)及線(xiàn)路簡(jiǎn)單 ,工作可靠。 5) 產(chǎn)品的材料選擇、零部件的加工及配套設(shè)備的選用 ,適合于國(guó)內(nèi)的實(shí)際條件: 因此 ,它 易于國(guó)內(nèi)批量生產(chǎn)和推廣應(yīng)用。

 4 推廣高壓水切割技術(shù)的展望 

由于“國(guó)內(nèi)”水射流公司等水切割機(jī)產(chǎn)品的出現(xiàn) ,改變了國(guó)外此類(lèi)產(chǎn)品占領(lǐng)我國(guó)市場(chǎng)的局 面。 當(dāng)前 ,不單是僅討論高壓水切割機(jī)的優(yōu)點(diǎn)、前景等問(wèn)題 ,而更要在產(chǎn)品性能提高、推廣應(yīng)用 以及社會(huì)化的保障體系等方面做更多的工作。 為此 ,應(yīng)該進(jìn)行多方面的努力: 1) 大力開(kāi)展各類(lèi)水切割機(jī)的理論和產(chǎn)品的研究工作 ,不但有增壓器式 ,還應(yīng)對(duì)往復(fù)柱塞 泵式以及前混式水射流切割機(jī)進(jìn)行研究。 有針對(duì)性的解決其產(chǎn)品化的關(guān)鍵技術(shù)。 發(fā)揮各型水 射流技術(shù)的優(yōu)勢(shì)。 2) 加強(qiáng)產(chǎn)學(xué)研的結(jié)合 ,發(fā)揮各自?xún)?yōu)勢(shì) ,使水切割機(jī)產(chǎn)品達(dá)到國(guó)外新型水切割機(jī)的水平 , 并有所突破。研究部門(mén)在理論、實(shí)驗(yàn)和設(shè)計(jì)及開(kāi)發(fā)力量上有明顯的優(yōu)勢(shì)。但是 ,在生產(chǎn)、市場(chǎng)和 樣機(jī)產(chǎn)品化方面產(chǎn)業(yè)部門(mén)更具有實(shí)力。 3) 完善超高壓水切割機(jī)系統(tǒng)配套的研制和開(kāi)發(fā) ,形成社會(huì)化體系。 此外 ,在 數(shù)控機(jī)床、高壓零部件、密封件和易損件的社會(huì)化生產(chǎn)也是極為重要。 它將帶動(dòng)一系列新興的 產(chǎn)業(yè) ,對(duì)促進(jìn)水射流事業(yè)的發(fā)展和繁榮經(jīng)濟(jì)有積極作用。 4) 廣泛宣傳和擴(kuò)展高壓水切割機(jī)的應(yīng)用領(lǐng)域。限于目前的價(jià)位較高 ,其應(yīng)用于裝飾 行業(yè)和航空航天等部門(mén)。隨著產(chǎn)品成本的降低 ,在各工業(yè)部門(mén)的推廣應(yīng)用以及各類(lèi)切割服務(wù)部 門(mén)的成立 ,必將加速推進(jìn)我國(guó)超高壓水切割事業(yè)前進(jìn)的步伐。