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增压器式超高压水射流切割机产品化体会及展望
作者:管理员    发布于:2011-11-15 19:58:53    文字:【】【】【

韩育礼 袁人枢 侯健

【摘 要】 作为我国高压水射流切割机的第一个产品即“大地水刀”,已进入市场两年多了。笔者以此为背景,介绍增压器式水切割机的超高压发生器及切割部分;讨论其主要部件、零件结构设计及关键技术。尤其在产业化中,对高压缸体疲劳寿命和高压动密封可靠性等问题解决方案作深入探讨;给出在相关技术方面近期的发展。最后,结合我国水切割机技术的提高和推广,提出初步的看法和建议。
  【关键词】 超高压水射流切割机 增压器 磨料水射流切割 高压密封 疲劳寿命

Experience and Perspective of Putting the Intensifier-Like Ultra-High Pressure(UHP) Water Jet Cutting Machine into Production

Han Yuli Yuan Renshu Hou Jian

Nanjing University of Science & Technology

  Abstract  The first commodity of China made UHP water jet cutting machine (Dadi Water Cutter), has come into market for more than two years. Taking this product as an example, the UHP generator and the cutting portion of the intensifier-like UHP water jet cutting machine are introduced. The main components, the design of individual parts and the key techniques in the design are discussed, especially emphasizing on solving the problems such as the fatigue of the high pressure cylinder body and the reliability of seals under high pressure. Recent developments of related technologies are also provided. Finally, some idea and suggestions are given in accord with the improvement and spread of this technology in China.
  Key words:  Ultra-high pressure(UHP) water jet cutting machine Intensifier Abrasive water jet cutting High pressure seal Fatigue limit

1 前言
  超高压水射流切割具有高能、冷态、点割的特点,因此,它可以对各种软、硬质材料进行任意切割。这种方法与传统的机械、火焰切割法以及近年发展的等离子、激光切割法对比,有其独特的优点。加之此法能方便配合数控加工,以及在环保上的优势,近年来,它已成为切割技术中发展最快的产业之一。国际上普遍认为,它将成为下世纪优先发展的切割技术。在工业先进国家中,本世纪70年代末,推出超高压纯水切割机,80年代中期,磨料水切割机已形成产品。由于水切割机对于某些材料切割的特殊优势,例如,钛合金、芳纶(kevlar)等,它是这些材料的最佳切割方法,甚至是唯一的切割手段。因此,首先在航空、航天部门得到广泛地采用。我国也先后从美国引进多台,并在航空制造部门得到应用。
  由于高压水切割机的明显优点,因此,也引起国内多个工业部门重视并组织研究。在本世纪90年代初,己有几个研究院、所成功研制出水切割(包括清水、磨料)的实验样机,并组织了鉴定。它为我国发展超高压水射流技术积累了宝贵的经验。但是,由于种种原因,在90年代中期,尚未有此类产品进入市场。同时,在国内急需使用水切割机(水刀)的航空、航天部门,他们用的产品全是美国(主要是FLOW公司)产品。
  南京理工大学超高压研究组,自60年代以来,长期从事超高压零部件的理论和实验技术的研究,其重点是自增强(厚壁圆筒预应力)理论和实践。其目的是提高容器的强度以及疲劳寿命。同时,进行超高压动态、静态密封,管路、阀门以及相应的超高压检测、安全技术措施的研究。研究的压力范围一般超过(800~1400)MPa。由70年代开始,跟踪国外水射流技术的进展,进行某些专项的研究。在90年代初开始试制400MPa水射流切割机实验台,并进行多项实验、测试和改进。在1995年底,同南京微分电机厂合作成立大地水射公司。在提供图纸后不到3个月的时间,研制出第一台水切割机的样机,并参加1996年全国机床展览。由于该产品在使用中暴露了一些缺点和问题,主要集中在高压密封、高压零部件疲劳以及换向机构等问题上,随后进行了专项研制和改进,在1998年下半年,达到了产品的初步要求。进行小批量生产,改变了国外水切割机产品一统我国市场的局面。国产水切割机为国内多家产业部门,尤其是石材、地砖等装饰材料行业所采用,收到明显的社会和经济效益。此种超高压水切割技术获得第十届全国发明展览会的金奖,该产品的基本性能达到美国FLOW,JETEDGE两家公司所生产的300MPa等级产品的水平。现重点对笔者在研制开发产品过程中,对其超高压部份以及喷射部分中的结构选择、关键技术解决的途径做简要的介绍。最后,结合我国现状,对超高压水切割技术的发展提出一些看法以供讨论和批评。

2 超高压水切割机的结构选择和技术关键
  超高压水射流切割机的基本类型有前混和后混之分。前者工作压力低、能量利用率高,但由于某些技术问题的限制,在产品中较少采用。后混式由其压力产生的不同,又可以选择增压式和直接加压式。前者通过活塞面积比的变化,使普通30MPa以内的油压泵站的压力,转换为大于(200~400)MPa水压。另一种形式是通过三或五柱塞的往复泵使水的压力直接加压到预定的范围。由于笔者对增压器有着长期使用及设计的实践经验,以及对其高压密封和缸体的强度,寿命问题及相关技术的储备,因此,选用增压器型的超高压系统。
  增压型的水切割机主要的特点是其低压缸动力来源于低压泵站,它可选标准产品供应和配套。使研制集中在超高压增压系统之中。超高压水射流切割机中有关数控机床方面的问题这里不作更多讨论。
  增压器型超高压水切割机的高压发生器,主要由以下几个部分组成:增压器、单向阀门、换向器、高压储能器、高压接头和管路、高压测量系统和安全系统、以及水的预处理设备等。切割部分包括纯水或磨料切割头、高压快速阀门、磨料供给和控制系统等。
2.1 超高压发生系统
  超高压发生系统是超高压水射流切割机的核心。除结构设计和运行可靠性之外,解决问题的关键集中在高压部件的疲劳寿命以及动态密封件的使用寿命上。现结合各主要部件的结构选择,讨论如何解决研制中出现的一些问题。
2.1.1 增压器
  增压器是高压发生器中的核心,它主要由同轴大活塞和左右两个柱塞(高压活塞)及高、低压缸体、连结件和密封件所组成。其中的低压部分可采用现有的液压技术解决。因此,其关键技术在于高压缸体和密封方面的问题。
  高压缸体具有足够的强度之外,还要求具有极高的使用寿命,如活塞运行频率为40次/分,要求高压缸体工作寿命达到一年时,其疲劳寿命必需在数百万次以上。可以认为,在缸体尺寸限制的条件下,工作压力达到300MPa,选用高强度合金钢,这些指标是难以达到的。开始的寿命达三四百小时,由于对此问题重视不够,当材料某些指标有些波动时,缸体的寿命有时甚至仅有数十小时。通过在结构上及预处理技术改进后,使缸体寿命稳定在800小时以上。由于对应力的进一步分析和技术改进,其寿命又有成倍的提高。
  高压动态密封是增压器的另一个关键技术。通常采用高、低压自动密封组合件完成的。其中低压预密封是保持可靠工作的首要条件。出于对可靠性的考虑,在开始选某些进口密封件。但是还出现密封失效的例子,影响生产的连续性。对破坏的低压密封件分析表明,它是因为高温熔化而失效。从水的压力/温度状态图可知,在200MPa以上时,水的沸点远超过100℃,因此,塑料密封件的熔化并不足为奇。采用新的材料重新设计此部分的低压密封,上述失效现象得以根除,高压动密封达到正常持续工作的要求。
2.1.2 换向系统
  保证双相增压器的活塞能够有序的往复运动,必须保证在活塞向一个方向运动接近终点之前,发出换向信号,使活塞向相反的方向运动。由于运动的活塞完全处于油压和超高水压密封的环境之下,通用的接触式或非接触式开关难以直接采用。目前国外增压器中所采用的换向器结构有机械式、电触点式以及采用各种传感器的非接触式。实际上,机械式结构比较复杂,又没有电气元件能直接推动换向先导阀而带动液动阀换向,使活塞完成循环动作。实践表明,换向器对推动位移和精度都非常敏感,因此,在加工、装配及调整时,有严格的要求。电接触式易受某些环境的影响,选择时应采取适当措施。对于非接触式的换向器,要求专门设计其相应的机构以产生换向信号。在研制中,特别注意排除在换向时非换向工作腔中,油压脉冲产生误触发信号的干扰。近期研究的新结构的非接触式换向器,克服上述液压脉冲的影响,结构简单,换向位置调整方便并具有极高的可靠性。它可以满足在各种环境下,长时间稳定工作的要求。
2.1.3 高压储能器
  由于增压器的高压是活塞往复、间歇运动产生的,运动频率为每秒30至60次。其产生压力的波动不可避免,为使对切割过程不致产生不利影响。在高压管路中增加有一定容积的储能器,平缓上述波动是非常必要的。储能器实为一高压容器。其容量的增大对其高质量切割有好的影响。但是容量过大也有不利的因素。其一,是压力的增长有一定的滞后作用,其二是它将带来体积和重量的增加。通过计算和相关的实验表明,在此产品中选用(0.5~1.0)升容积的储能器是合适的。由于选材及预处理手段,其强度和疲劳寿命有很大的提高。该储能器已运行了3年多时间,仍能连续安全工作。
2.1.4 单向阀门
  为保证低压水进入高压缸,加压后仅注入高压管路的单向运动。在增压器式高压发生器中,采用四支单向高压阀门是必要的。为保证这些阀门可靠工作,对它们的密封性能、开闭的灵活性、工作寿命以及可维修性等方面都有严格的要求。高压单向阀门常采用球形或是锥形阀芯。通过总结,笔者对超高压阀门的研制、对比实验,在这里选用了平面密封阀芯。在结构设计合理、工艺满足要求的情况下,此类密封阀门密封可靠性强、工作寿命长,又具有很好的可修复性。为实施维修以及工艺加工方便,笔者将单向阀门安装设为外置式,不同于国外一些产品将其置于高压缸体的端部塞头内。此种结构的优点是结构紧凑,但由于偏心孔、侧孔、环行密封等要求带来结构的复杂性,给加工及维修工作带来不便。实践表明,外置式的平面单向阀门能够保证长期稳定地工作。
2.1.5 高压管路
  国内并没有可选用的不锈钢高压管路产品。一般不锈钢强度不足。在同钢管厂共同协作下,研制成直径为10mm和6mm的厚壁高强度无缝不锈钢管。实验表明,它可以承受450MPa以上的工作压力,接近国外同类产品水平。选用6mm(或7mm)钢管的主要目的是配合平面数控机床的设计。由于6mm钢管有足够挠性,它可以方便地实现切割头的运动。相对比,其占地面积远小于床身或水槽移动方案。
2.1.6 高压测量系统和安全装置
  高压测量、超压报警和卸压是水切割机的重要组成部分。这里采用自行研制的增强型500MPa压力传感器以及配套的数字式压力显示和控制器。对比波登管式压力表,此系统主要优点是压力显示稳定、精确,同时可以方便地控制超压报警和控制卸压。为了防止超高压水切割机的意外超压的危害,采用了自行研制的超压爆破管,它可以在预设的精确压力下发生作用。即保证在压力超过预定值后迅速卸载,以保证设备和人员的安全。此两项技术均属笔者的专利产品。
2.1.7 水回路及水处理
  为了保证高压水路畅通及提高设备的效率,对输入切割机的水必需进行过滤预处理。有条件应进行去离子处理,以便更好防止在水喷咀有水垢产生。实践表明,进入增压器的水预先通过1μm左右的过滤器是合适的。为防止增压器系统内部新产生的颗粒碎屑可能对喷咀的损坏和堵塞,在喷咀进水前,设置高压过滤器是非常必要的。为简化结构,笔者在高压储能器的出口处增加过滤网,有着良好的效果。适当提高进入高压缸体水的压力,对保证增压器正常工作和提高效率非常有利。国外设备一般要求在0.4MPa以上,应用中选用1.5MPa以上的前置泵,可以有更好的效果。
2.2 高压水切割部分
  切割部分作为高压水射流切割机的工作端。以磨料水射流切割为例,它主要由磨料切割头、快速阀门、供沙系统和磨料所组成。磨料切割头是由高压水喷咀、磨料混合腔和磨料喷咀(砂喷咀)所组成。其中水喷咀的直径一般为(0.07~0.3)mm左右。对于磨料水射流切割而言,其直径一般为0.25mm左右。磨料水喷嘴是切割部分的核心。目前,国外高压水切割装置已经发展到第三代。第三代为非调整式的,其主要特点是由各零件的精密工艺,保证水喷咀射流同磨料喷咀中孔同心,以确保切割效率。它通常由(5~7)个零件组成。安装后即可使用。通过实践表明,在目前采用国产喷咀条件下,采用第二代可调式磨料水喷咀是比较方便的。通过各种多方案的对比和改进,新设计的磨料水切割头的质量仅500g左右,调整水射流的时间一般不超过5分钟。使用极为方便。
  高压快速阀门对于打孔和封闭曲线切割,是不可少的高压部件。通过方案的设计和改进,使其外形直径由原有的130mm减小到80mm。
  目前,适宜水射流切割机的磨料有多种,通常采用天然石榴石,其粒度在(40~80)目之间。此种矿砂在我国有大量的储备,价格便宜又无污染。它对于推广磨料水切割技术有重要意义。不同的切割对象选不同的磨料,其中,应注意硬质磨料对喷嘴寿命的影响。

3 国产增压器型水切割机的主要特点
  研制成功的增压器式超高压水切割机产品的性能达到了美国FLOW和JETEGE两家公司的6XS—40型和42—30型产品的基本性能。其最高工作压力为300MPa,流量为2.7l/m,电机功率为22kw,而其主要零部件的工作寿命接近国外产品的水平。产品的全部零件可以做到国产化,对比国外产品它还具有以下特点:
  1) 具有超高寿命的高压缸体:由于采用了结构优化设计,综合的预应力处理措施以及高强、高韧性的钢材选择。合理的设计,使缸体的工作应力在疲劳的安全限之内。实践表明,新开发的缸体工作寿命己超过1500小时。这为进一步提高工作压力奠定了基础。
  2) 结构紧凑的高压储能器:由于高强度材料、预处理技术、轴向应力的引入以及结构的合理设计,产品的质量仅十余千克,不到进口该部件重量的八分之一。
  3) 高压传感器 数字显示/控制器:它在测量精度、远距离监测以及压力控制方面远优于机械式压力表。而目前国外此类切割机中可能由于价格原因,仅少数产品采用此类系统。
  4) 消除反向压力脉冲影响的非接触换向器:新的方案中,在不加大弹簧尺寸,不采用时间继电器的条件下,巧妙地解决消除反向压力脉冲影响问题。结构及线路简单,工作可靠。
  5) 产品的材料选择、零部件的加工及配套设备的选用,适合于国内的实际条件:因此,它易于国内批量生产和推广应用。

4 推广高压水切割技术的展望
  由于“大地”水射流公司等水切割机产品的出现,改变了国外此类产品占领我国市场的局面。当前,不单是仅讨论高压水切割机的优点、前景等问题,而更要在产品性能提高、推广应用以及社会化的保障体系等方面做更多的工作。为此,应该进行多方面的努力:
  1) 大力开展各类水切割机的理论和产品的研究工作,不但有增压器式,还应对往复柱塞泵式以及前混式水射流切割机进行研究。有针对性的解决其产品化的关键技术。发挥各型水射流技术的优势。
  2) 加强产学研的结合,发挥各自优势,使水切割机产品达到国外新型水切割机的水平,并有所突破。研究部门在理论、实验和设计及开发力量上有明显的优势。但是,在生产、市场和样机产品化方面产业部门更具有实力。
  3) 完善超高压水切割机系统配套的研制和开发,形成社会化体系。以水喷咀和磨料喷咀为例,国内尚无专门生产厂家,由于未进行专项开发,试制的质量和批量都难以保证。此外,在数控机床、高压零部件、密封件和易损件的社会化生产也是极为重要。它将带动一系列新兴的产业,对促进水射流事业的发展和繁荣经济有积极作用。
  4) 广泛宣传和扩展高压水切割机的应用领域。限于目前的价位较高,其应用仅限于装饰行业和航空航天等部门。随着产品成本的降低,在各工业部门的推广应用以及各类切割服务部门的成立,必将加速推进我国超高压水切割事业前进的步伐。

作者介绍:韩育礼教授;袁人枢副教授;侯健博士研究生
作者单位:南京理工大学
作者地址:南京市孝陵卫200号;南京理工大学101教研室;邮编:210094

参考文献

  1 薛胜雄、黄汪平.我国高压水射流设备的评测.第四届全国喷射技术会议论文集,1998.8.
  2 宋拥政.水射流技术发展前瞻研究.第四届全国喷技术会议论文集,1998.8.
  3 国产“水刀”引起轰动.工人日报(第一版),1997.5.20.
  4 大地水刀:中国第一刀.工人日报(第五版),1997.5.9.

脚注信息
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