高压水射流范文

高压水射流范文（精选9篇）

高压水射流 第1篇

在制药机械设备制造业, 超高压水切割机用于面板、支架构件及其他部件的切割和成形加工。该类机械设备制造过程中呈现出所需材料多样、产品外观及精度要求较高、非标件多等特点, 传统切割方式在材料材质以及加工方式上多存在一定的弊端, 如小批量加工不经济、切割精度差等, 而超高压水切割技术克服了以上不足, 水切割材料材质不受限制, 可切割各种平面异型图案, 产品精度要求不是很高的工件, 水切割可以一次成型加工, 精度要求高的工件, 水切割加工后易于二次加工。

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高压水射流 第2篇

使用高压清洗机进行高压水射流清洗工作时往往需要调节压力以看出，从上面的分析。高压水射流清洗时，所需的压力，应根据工作的具体要求和清洗对象外表污垢的性质及清垢水平来综合考虑，所需压力的大小，才是最为科学合理的现如今，高压水射流清洗时，所需的压力大小的确定，经常使用的方法是实验法和类比法两种。

使用高压清洗机进行清洗时究竟该如何确定工作压力的大小才是最为科学合适的呢？下面我就来介绍一下这一方面的内容。使用高压清洗机进行高压水射流清洗工作时往往需要调节压力。那么。

不能错误地认为将高压清洗机压力调得越高，使用高压清洗机进行清洗工作时。其清洗效果越好。通常而言采用的压力越高，对元件的性能和装置的密封性的要求，也会要求相应地提高，那么，这样一来，就会导致利息提高，由此可见，高压水射流清洗时，并不是把压力调得越高越好。除此之外，压力一旦过高，当射流喷到清洗对象外表之后，就很有可能导致水花四溅，结果对清洗工作造成有利现象，这样一来，就会抵消了水压的作用，还可能使水雾化，结果造成清洗效率不但降低，而且清洗效果也不是太理想。超声波清洗机:http://

高压水射流 第3篇

关键词：路桥；桥梁：溶洞：多孔射流；后压浆

一、前言

桥梁桩基础做为桥梁上部的主要支承结构，是以安全、可靠为前提。岩溶地区的溶（土）洞发育，设计及施工中常常遇到桩基础位置地面以下一定深度内存在有溶（土）洞，对其处理的方法多种多样，主要分为施工前预先加固处理、加长桩基础穿过不良地质或成桩后处理等方法。压注水泥浆液处理方法属于成桩后压浆处理的方法之一，压浆管常采用袖阀管或类袖阀管，具有适用性广，加固方案简单，材料常用、机械人工使用较少等优点，主要质量控制指标为：压注浆液的配比、压浆量、稳压压强及稳压时间等。但该方案有以下缺点：1、袖阀管分段注浆对小空间多次注浆效果较好，对深地层大空间压浆意义不大；2、对地面以下40米至50米深度的饱水填充物无搅拌作用，渗透效果有限，浆液常成为浮在填充物上的壳体，原有填充物极易流失形成新的空洞；3、溶洞地底下排气（水）孔堵塞，滞留的气（水）形成高压腔，造成压浆饱满的假象，实际桩底仍然存在空洞，地面判别困难，缺乏有效直观的控制手段。由于以上原因造成后压浆后抽芯检验质量不合格，需多次压浆加固处理的情况，质量及工期难予保证。

二、压浆质量控制难点分析

通过施工前地质补勘揭示，不利的岩溶地形主要有三种：空洞、全填充物的溶（土）洞，半填充物的溶（土）洞。空洞一般位于溶蚀通道的中上段，其向上、向下和向四周的通透性较好，压浆量一般较大。半填充物的溶（土）洞具有向上和向四周的通透性。全填充溶（土）洞由于原有空洞内被溶蚀残留物或迁移物堆积填充，其向上及向四周的通透性差。其中空洞后压浆施工质量控制难度相对较低，全填充物的、半填充物的溶（土）洞后压浆质量控制较难。有效提高桩基础底部溶（土）洞内一定范围内的填充物强度，改变其力学性质是难点一。

施工过程中对浆液填充的饱满度直观判断是难点二。

三、工艺流程

预埋钢管→压浆孔施工→ 压浆管制作及埋设→ 预留孔封堵→压浆设备检测→洗孔→压浆→间歇压浆→结束

1、预埋钢管

为保证施工质量，对需处理的桩基础内预埋钢管，以便减少压浆孔成孔时间，降低成孔难度。钢管按轴对称埋设， 桩径1.2～1.6米的桩基础两根预埋钢管， 2.0米桩基础按方形设四根预埋钢管。预埋钢管采用直径114mm，壁厚3mm的钢管成孔，下端用8mm钢板焊接封闭，顶部高出桩顶、底部高于桩底均为0.5米。压浆前每根预埋钢管内埋设两根pvc管，一根为压浆管，一根为排气稳压管。

2、压浆孔施工

桩基础桩检合格后，利用地质钻顺预埋钢管引孔至溶（土）洞底以下4米，详细记录地质变化情况和不良地质深度及范围，该数据用于指导压浆管埋设深度。

3、压浆管制作及埋设

在地质钻完成引孔后的2小时内，通过该孔下放两根直径25mm壁厚1mm的pvc管，一根管埋设至洞底以下2.5米处，该pvc管底部以上至溶洞顶这一段按每隔0.5米布置一对连线过圆心直径5mm的射流孔，射流孔排间交角约为30度，压浆管顶部设阀门与高压压浆管相接，以便在不良地质部位形成高压射流及压浆后持压；另一根管底约埋至桩顶以下1.0米，地面上设阀门，以便排气及稳压使用。

4、预留孔封堵

用水泥口袋纸或其它材料围住压浆管和出气管，向下塞至0.8米处，每层厚约0.1米，共塞3层，其上灌入水泥浆，防止漏气。

5、压浆设备检测

双缸6Mpa注浆机的出浆口接30Mpa高压钢丝橡胶管，管长10米，出口设阀门。按设计水灰比拌合水泥浆，经检测，连续压浆时水平喷射流长度大于五米，持壓稳定，机械及接头部位无漏浆现象后方能投入使用。

6、洗孔

压入高压水，清理压浆孔间空隙，在土洞（溶洞）内有填充物时确保一侧压浆时另一侧压浆孔可以排气。溶洞内无填充物，两压浆孔联通时可以不洗孔。

7、压浆

压浆材料为水：灰=0.7：1的水泥浆，水泥采用325#普通硅酸盐水泥。当压浆至无气体和清水排出，出气管的水泥浆液流连续、稠度基本与注入浆液相同时关闭出气管，加大注浆稠度至水：灰=0.4：1，加压至压强0.3～0.5Mpa。

8、间歇压浆及结束

持压15分钟后，打开出气孔排气（水），等出浓浆后关闭阀门加压至压强0.3～0.5Mpa再次持压15分钟，经过不少于三次的多次间歇压浆后，当满足持压15分钟、压力表值稳定在0.3Mpa以上、浆液稠度稳定的条件后，即可停止压浆。

9、质量控制指标

采用桩内抽芯检测压浆质量，要求达到：a、填充密实，填充体与溶洞顶板紧密接触。b、溶（土）洞有填充的，填充体强度得到改善。c、浆液柱的抗压强度≥5Mpa以上。

10、安全

压浆时与压浆机相连的压浆管需采用压力管，防止该管由于长期使用磨损老化，导致压力管不能经受住压强，在加压时管壁破裂浆液射出伤人。出气孔稳压开关不能对准人，出气孔阀门的操作人员离开后才能开机加压。

11、质量检测情况

由于压浆时间一般超过24小时，溶（土）洞内原有填充物被压浆射流搅拌为水泥土，水泥土中含大量3mm～50mm结核物，结核物剖开为水泥净浆凝固体，施工后抽芯揭示压浆7天后的芯样内结核状物莫氏硬度（摩氏硬度）大于2.5，充分改变了填充物性质，填充密实，芯样与溶洞顶接合紧密，28天浆液柱体强度大于10Mpa，质量检验合格率达100%。

四、结束语

单桩多孔预埋压浆管，减小注浆管控制范围，改善了处理效果；充分利用注浆机产生高达6Mpa的高压水泥浆液射流，长时间的对溶（土）洞一定范围内的填充物进行强制搅拌，有效的改良了桩底正下方填充物的力学性质；压浆后期调整水灰比并多次的间歇压浆，以及通过观察持压期压力表读数变化快慢、打开出气阀门检查浆液稠度、查看出气管的排水（气）量、浆液排出持续顺畅度及排出浆液压力等手段，为施工控制提供了直观的判断依据。使用单桩多孔高压射流后压浆技术，提高了溶（土）洞内浆液填充的饱满度，保证了桩基础施工质量和桥梁结构安全。

高压水射流技术及应用 第4篇

高压水射流加工技术作为一种新型的加工手段,它既不同于传统机械加工的车、铣、刨、磨、镗需要有专用的加工刀具,也不同于铸、锻、焊、轧等成型工艺需要模具、胎具或者轧辊。它以水珠或者磨料通过加压后获得巨大的能量后,从喷嘴中高速喷射出来的高能量水流束作为“刀具”对产品进行加工。由于刀具材料的天然特性决定了它是一种冷加工方式,同近年来随着高科技的迅速发展起来的激光束、电子束、等离子体等相比,激光束、电子束和等离子体切割加工技术,均属于热加工范畴,唯有高压水射流切割加工技术独树一帜,是唯一的一种冷式加工。在对材料进行切割加工中,高压水射流具有对切割材料无选择性以及热变质,作用力小,加工柔性高,不破坏材料内部组织结构,所以对它的研究倍受各国学者的青睐。

2 高压水射流技术的渊源及发展历程

利用高压水为人类生产服务始于1970年代左右,当时人们用来采金矿、剥树皮等。直到1950年代高压水切割技术正式发源于原苏联。到1960年代初,美国、英国、意大利、日本和前苏联等国家也投入大量的人力和物力研究开发超高压水射流技术。经多年潜心钻研,美国在1971年设计制造了世界上第一台超高压纯水射流切割机,将它应用到家具制造行业中,取得了很大的成功。鉴于纯水射流的切割能力较差,仅适用于布匹、木材、塑料、泡沫塑料及橡胶等软质材料的切割,这就促使人们去研究开发切割能力大的超高压磨料水射流技术。美国在1982年计制造出超高压磨料水射流切割机(Abrasive water jetuctting,AWCJ),它能切割各种金属、硬质合金、玻璃、陶瓷、大理石及花岗岩等几乎所有的材料。随后英国和意大利等国也设计制造了磨料水射流切割机,并于近年将其成功地应用到抛光砖的切割生产过程中。

回顾水射流技术的发展历程,大体上可以分为4个阶段[3]。

第一阶段(探索试验阶段):1960年代初,主要研究低压水射流采矿。1950年代初前苏联和中国的应用水力采煤,其中我国在开滦唐家庄矿成功地使用水枪落煤就是利用水射流的冲击和输送作用。

第二阶段(基础设备研制阶段):1960年代至1970年代初,主要研制高压泵、增压器和高压管件,当时已能生产400MPa以上的柱塞泵和1700MPa以上的增压器产品;大批高压柱塞泵和增压器的问世,极大地促进了高压水射流技术的研究和发展,同时推广了水射流清洗技术。

第三阶段(工业应用阶段):1970年代至1980年代初,大量地利用水射流技术采煤机、切割机、清洗机先后面市,并进行了工业试验和推广应用。其应用也由采矿领域发展到清洗、切割等其它行业。

第四阶段(迅速发展阶段):1980年代至1990年代中,水射流技术的研究进一步深化,空化射流、磨料射流、自激振动射流等新型射流发展很快,许多产品已达到商品化,并出现了以水射流技术为核心的成套设备,如前混合磨料射流除锈成套设备、高压水射流钢管内磨机、靶式和对撞高压水射流粉碎机等。

3 高压水射流技术的特点

(1)其工作介质是水,不但丰富、便宜而且切割过程中不产生弧光、灰尘及有毒气体,操作环境整洁,与环境的相容性好;

(2)水射流切割是一种冷加工方式,加工方式本身无热量产生,加工区域不会出现热影响区,切口处材料的组织结构不会发生变化,不存在热应力、应变、残余应力。

(3)水射流切削作用力集中在射流方向,横向分力小,因此几乎不存在机械应力,切口不会产生变形,切口缝隙小(磨料射流切割一般在0.25mm以下),无需二次加工,无缝隙、无毛边、无浮渣,切割品质优良;

(4)“水刀”不磨损且半径很小,能加工具有锐边轮廓的小圆弧;

(5)水射流加工有冲运切屑的功能,切割时不必设计排屑装置;

(6)水射流的压力、流量易控制,易于改变工作条件,以适应不同的作业要求;

(7)高压水射流工作机构的喷嘴体积很小、反力小、改变角度方便,便于实现光控、数控或机械手控制;

(8)加工角度较大,可以切割水射流方向与工件表面法线方向的夹角小于30°工件。

(9)高压水射流对材料无选择性,不但可用来加工非金属材料如工程陶瓷、玻璃、石材、混凝土构件等,也可以加工金属材料及那些无法用氧气切割的金属,如钛合金及不锈钢等。其应用范围已扩展到建材、建筑、采矿、机械、纺织、食品、航天、航空等许多行业。

(10)适合在一些特殊场合下加工,如易燃、易爆等危险场合;

高压水射流切割技术虽然有以上优点,但是还存在以下问题:

(1)所需功率大、总效率低;如1mm的喷嘴在压力为200MPa时射流功率近50k W;

(2)切割精度比机械加工相比稍差;

(3)一些水射流部件,如耐磨喷嘴、高压管路等,质量很难过关;

(4)水射流加工,水滴的飞溅不仅影响工作环境的可视度、造成能量的浪费,而且对加工人员的安全造成威胁;

(5)喷嘴的寿命不够长,如磨料射流切割耐磨陶瓷喷嘴也只能使用20~100h。

4 高压水射流的分类

4.1 按工作环境的介质分类

按照工作环境的介质可以分为:淹没射流和非淹没射流。工作介质与环境介质相同时为淹没射流,例如水中喷射的水射流或者是空气中喷射的气体射流,都属于淹没射流。工作介质与环境介质不相同时为非淹没射流。大气中的水射流是常见的非淹没射流。这种划分类型的原因主要是从射流的流体的动力学结构和动力特性考虑的,因为淹没射流的运动属于单一介质的流动问题,而非淹没射流的运动属于两相(或多相)介质的流动问题。此外,在石油钻井或者水下切割等场合,环境介质处于高压状态,这种射流称为高围压淹没射流。

4.2 根据射流中有无磨料分类

根据射流中有无磨料可以分为纯水射流和磨料射流。纯水射流工作介质完全是水,没有添加剂或磨料。高压纯水射流利用高速水束的动能,主要应用于各种清洗作业中,而其切割加工能力有限,只适用较软的材料,如纸、食品、布、橡胶、木板、皮革、泡沫塑料、碳纤维织物等材料的切割。磨料射流工作介质除水之外,还在其中加入了一定粒度和比例的固体颗粒(如刚玉、石榴石等),以提高其切割、去除能力,这些固体颗粒称为磨料。根据介质与磨料混合过程的不同,可以分为前混合磨料射流和后混合磨料射流两种。磨料的加入,大大提高了其切割、去除能力,使得水射流在压力较低时就能切割、破碎较硬的物料。磨料射流已在切割、破碎等方面得到了广泛应用。

4.3 按照水射流的技术特征分类

按照水射流的技术特征分:脉冲射流、空化射流、自激振荡脉冲射流。

4.3.1 空化射流[6]

空化射流,是指从喷嘴出来的水射流中诱发空泡初生,适当地控制喷嘴出口截面形状与靶体物料表面之间的距离,使空泡在运动过程中发育长大,并在射流冲击靶体物料表面上瞬间(微秒级)溃灭,这是一个瞬态的动力过程。水射流中不断溃灭的空泡,在靶体物料表面上产生极高的瞬时压力,引起反复的水力冲击,使靶体物料产生空蚀破坏,从而加强高压水射流切割、破碎靶体物料的能力。因此空泡的孕育与初生、发育与长大以及收缩和溃灭过程是空化射流研究的核心。

4.3.2 脉冲射流

脉冲射流是将连续水射流改变为压力和流量脉动的冲击式射流,使作用在靶物料上的力为按一定频率周期性变化的高频冲击载荷,利用水力冲击带来的巨瞬态能量,即水锤效应,从而达到切割和冲蚀靶体物料的目的。试验和现场应用证明,这种冲击力是连续水射流滞止压力的1.5~2.5倍,极大地提高了对靶体料的切割和冲蚀破坏作用。因而,国内外专家对脉冲射流进行了大量的理论探讨和试验研究,现己广泛应用于石油钻井、煤岩破碎、巷道掘进以及表面清洗等诸多方面。

4.3.3 自激振荡脉冲射流

流体自激振荡是自然界的一个普遍现象,作为流体动力学的一个重要课题已有近百年的研究历史,通常存在于气、水、油等输送管路和阀门以及各种流体机械、液压系统中流道发生突然变化处。自激振荡脉冲射流是利用水声学、流体动力学、流体共振和流体弹性等原理而发展起来的一种新型高效脉冲射流,通过自激励即不需要其它外加激励源,靠流体本身在特殊的流体结构(振荡腔)中产生自激振荡,将连续水射流转变为振荡脉冲水射流。

5 高压水射流的应用

5.1 水射流切割

1968年,美国密执安大学教授诺曼·弗兰兹博士首次获得水射流切割技术专利。1971年,利用该技术对做家具的硬木进行水射流切割获得成功,引起了国际关注。1996年末,中国石油行业以石英砂作磨料,通过混砂车与水均匀混合,经压裂车加压送至井下喷头,通过喷头上一对互成180°的喷嘴形成磨料射流,同时自动向下移动,切开金属套管,在油层中造成较长深缝,井周地层由于应力集中产生的压密效应得以部分解除,提高了近井地层渗透性,油井产量一般提高一倍以上,目前已推广至大庆、胜利、辽河、中原、河南、长庆等油田[7]。磨料射流目前已应用于井喷管口的切割、井下断铣套管、开窗口等作业,具有效率高、安全等突出优点。航空航天工业:切割特种材料,如铝合金、蜂窝状结构、碳纤维复合材料及层叠金属或增强塑料玻璃等,用水射流切割飞机叶片,切割边缘无热影响区和加工硬化现象,省去了后续加工。

5.2 水射流清洗

水射流的清洗功能是其他方法无可比拟的,它以操作、控制过程易实现自动化,而且以清洗高效、无污染、成本低著称。例如在原油管道的加热输送或对粘油罐的加热过程中,锅炉、换热器等传热设备由于长期使用,结垢严重,传热效率下降,能耗增加,使用高压水射流清洗,可以有效地清除结垢层,提高传热效率,提高能源利用率。在油气储运工程中,高压水射流清洗技术主要用于对以下设备的清洗:管道、立式或卧式储油罐、各种油罐车、油轮船舱、油桶等小型储油设备等。因此,世界各国在清洗作业中都倾向于采用水射流清洗技术,水射流清洗现已占清洗份额的80%左右。

5.3 水射流掘进与钻探

美国水射流辅助全断面掘进机上盘形滚刀破岩可以改善掘进机的工作效率。在辅切割煤系岩石方面,刀具由射流冷却和润滑,可以降低刀具承受力,射流进入煤系进行水力破煤,降低了瓦斯起火爆炸的发生率。运用空化射流对混凝土和沥青路面进切割,目前美国在挖掘、开采和钻探系统中应用水射流技术,处于领先地位的是高级采矿建筑系统公司、弗勒第尔公司和弗尔莫尔公司。其开发的射流锚杆钻机,可用于顶板锚杆安装;移动射流设备可为建筑工业提供切割和拆除服务;钻探系统可以为石油天然气工业提供钻探服务。

5.4 水射流用于医疗

水射流可以作为外科大夫的手术刀用于切除病变的人体组织,对人体创伤小出血少。水射流无针注射器1h能完成500人次的注射,特别适用于预防针之类的同一药液多人注射的场合。由于注射器不与被注射者有任何接触,从根本上消除了疾病传染的可能性。同时避免使用一次性注射器带来的大量医疗垃圾的后果。

除此之外,水射流还可以用来钻孔、去毛刺、抛光等加工,尤其是由水射流技术发展起来的磁射流抛光技术在加工高质量非球面军用光学零件是目前高效可行的有效手段,对国防工业有重要的意义。

6 水射流学术交流及成套设备制造商

高压水射流作为流体力学的重要分支,涉及流体动力学、多相流理论、空化与气蚀理论、岩石破碎力学、水声学、机械学、流变学、爆炸动力学、材料科学等众多相关学科理论。目前国内外都相当重视高压水射流技术的理论、开发和应用的研究,国内外的学术交流也非常活跃。自1972年英国流体力学研究会(BHRA)组织了第一次国际水射流切割技术会议以后,全世界每年都要举行一至两次国际性水射流技术学术研讨会和举办新产品展示展销会。主要有英国流体机械研究集团(BHRG)主办的国际水射流技术会议(逢双年在欧洲举行);美国水射流技术协会(WJTA)主办的美国水射流技术会议(逢单年在美国、加拿大举行),以及和美国水射流协会等联合主办的亚太国际水射流技术会议;日本水射流协会也定期召开水射流技术讨论会和展览会,并邀请国外水射流专家参加会议;国际水射流协会(International Society of Water Jet Techno1ogy)1987年成立,协会有自己的正式刊物-《国际水射流杂志》(International Journal of Water Jet Technology)定期出版,并组织召开了多次环太平洋国际水射流会议。国内也成功地举办了多届全国性水射流会议,这些会议论文和其它有关水射流理论、应用的研究文献累计达数千篇[6]。

目前,生产该种产品比较著名的国外厂家有:美国的福禄公司、依格索尔公司、兰德公司,瑞士的百惠公司、德国的克努特公司、日本的速技能机械公司等。这些厂家可向用户提供成套的高压水切割与清洗设备,设备最高压力可达390MPa。我国高压水射流技术的研究和应用,通过近几十年的发展,也取得了令人瞩目的成绩。但总体来说,水射流切割技术在产品化及商品化方面还很薄弱,国内目前较大的企业有南京大地水刀有限公司、山东法因数控机械有限公司、上海金箭水射流设备制造有限公司、广州华臻机械设备有限公司等[8]。

7 高压水射流技术的发展趋势和研究的问题

高压水射流技术发展趋势可以概括为主机的超高压、大功率化。

7.1 需要解决的理论问题

高压水射流破岩研究,不论从破岩机理方面,试验研究方面还是数值计算方面都存在模型简化过多、基础理论支持不充分等诸多问题,从而导致研究结论与实际有较大差异。同时高压水射流钻孔破煤机理和高压水射流煤层钻孔的破煤钻头亟待研究。

目前国内对深水即高围压环境条件下磨料水射流切割机理、性能方面的研究较少加强磨料磨料水射流技术在海洋工程中的应用研究,创立淹没射流条件下的切割机理,解决淹没射流条件下靶距范围小的难题。

7.2 需要解决的工程技术问题

超高压动密封、进水阀组和控制泄露和使用寿命问题,国外水射流切割技术已经向智能化发展。而且国内在数控切割平台CNC程序设计,三维仿形切割、六轴机器人等技术同国外相比存在较大的差距。

摘要：高压水射流是一种迅速崛起的冷加工方式,该方式技术全新,工艺独特;同时也是以射流为核心,集机、电、液为一体的综合学科。文中就水射流的起源、发展特点、分类、应用、技术交流、理论研究热点和发展趋势进行了论述。

关键词：高压,水射流,分类,应用,特点

参考文献

[1]刘忠伟.高压水喷射技术综述[J].湖南冶金职业技术学院学报,2005(9):300-331.

[2]薛百文.超高压磨料水射流切割技术研究及其在光整加工中的应用方案[D].太原:太原理工大学,2005:1-7.

[3]沈忠厚.水射流理论与技术[M].东营:石油大学出版社,1998.

[4]刘丽萍,王祝炜.高压水射流切割技术及应用[J].农业机械学报,2000(9):118-119.

[5]苏卫民.磨料水射流切割技术[J].大众科技,2004(3):25-26.

[6]廖勇.高围压下磨料水射流切割的模糊建模和实验研究[D].重庆:重庆大学,2003:3-5.

[7]李忠华,等.磨料射流割缝技术在油井增产中的应用[J].东北大学学报,2000,22(S1):108-110.

[8]刘小建.磨料浆体射流技术及其机理研究[D].上海:上海大学,2006.

[9]Nanduri M,Taggart D G,Kmi T J.Cutting Efficiency of Abrasive Waterjet Nozzles[C]//10th AmericanWa-terjet Conference,Houston,Texas U·S·A,August14-17,1999.

高压水射流切割误差试验方法的研究 第5篇

随着五轴联动高压磨料水射流设备的问世以及水射流误差补偿模型的完善[1,2], 磨料水射流技术已经成为了一种精密加工的手段。结合其冷态加工的特点, 当前, 磨料水射流技术已受到众多行业的关注, 特别是在航空航天、模具、军工等既需要保证加工精度又需要保证材料性能的行业, 磨料水射流技术更是备受青睐。

与其它诸如激光、等离子等高能束加工技术一样, 高压磨料水射流是一把“软刀子”, 这把“软刀子”在切割材料过程中其形状会发生改变, 因此, 被加工零件的形状不能完全由喷嘴的走刀路径决定。为加工出高精度的零部件, 需要对磨料射流进行大量的控制和补偿。目前, 精密的五轴联动水射流机床与磨料水射流独特有效的控制及补偿方法相结合, 可实现尺寸误差为±0.025mm的高精度零部件的加工。然而, 要达到上述精度, 深刻理解及认识水射流切缝特性必不可少。然而, 要深刻理解及认识水射流切缝特性并非易事, 其主要原因是影响高压磨料水射流的切缝特性的因素较多, 如压力、喷嘴特性、、切割速度、磨料种类、磨料粒度等等。此外, 对切缝特性的刻画也需要从多个角度描述, 包括射流后拖量、切面锥度、切缝宽度等。因此, 如果要逐个描述切缝锥度及其影响因素, 需要做大量试验。针对上述问题, 本文提出一种综合试验方法, 这种试验方法不但能够完整获得相同参数下的各种水射流切缝特性, 而且能够大大较少试验次数。

1 磨料水射流切缝特性概述

磨料射流切割是一个很复杂的过程, 此过程不仅涉及到高压、高速等极端条件, 还涉及到固、液、气三相流, 有着极为复杂的机理, 从理论上对此过程进行描述是非常困难的。尽管目前已经可以对水射流误差进行精密的补偿, 但这都是建立在试验基础上的经验、半经验公式基础上, 其精度依赖于对高压磨料水射流切割过程的研究理解程度, 以及各因素对水射流切割特性的影响的量化程度。

通常考虑在高压磨料射流切割过程中的影响因素如下:压力、喷嘴直径比、喷嘴磨损状况、磨料种类、磨料粒度、磨料颗粒形状、磨料流量、切割速度、待切割材料类型、待切割材料厚度等等。而其切缝特性则包括:切割前沿与后拖量、切缝宽度、切面锥度、鼓形误差、表面粗糙度与波纹度、底角毛刺、顶角弧度[3], 如图1所示。其中直接影响加工精度的有三种, 切面锥度、切缝宽度以及切割后拖量。

2 试验方法

2.1 速度的测定

磨料水射流切割对于不同材料的切削能力是不一样的, 而对同种材料, 不同的参数也意味着完全不同的切缝宽度、切面粗糙度。根据Zeng的研究, 磨料水射流切缝的表面质量与其分离速度成反比关系[5], 据此将切割速度以不同的质量等级Q来表示, 如图2所示。

磨料水射流的切割速度与质量等级具体关系如下:

式中,

Usep, 材料刚好被磨料水射流分割的速度;

Q, 磨料水射流切割质量等级;

U, 对应质量等级的切割速度。

根据上式可知, 要确定相应质量等级的切割速度, 必须对材料刚好被磨料水射流分割的速度进行测定。该速度的测定方法如下:

(1) 根据经验确定一个切割速度, 并采用该速度在对应材料上切割一条50mm的切缝;

(2) 观察切缝下表面是否全部都被穿透了, 一般认为在50mm切缝中间断的未切穿长度小于1.5mm时, 即可认为该速度为材料的分离速度。

(3) 如若不是, 则在该速度的基础上增加或减少百分之五的速度, 并重复试验, 直到发现该速度。

上述测定方法中, 选择切缝长度50mm的原因是:切割直线时, 运动系统有一个“加速→匀速→减速”的过程, 如果切缝过短, 当试验速度过高时, 可能出现还未完全加速便开始使减速的情况;相反, 如切缝过长, 则试件的切割长度增加。此外, 测试中两条相邻切缝间距不能小于5mm, 如果小于该值, 可能会因为该处材料强度不足而影响对材料分离速度的判断。分离速度确定的实例如图3所示。

2.2 试验切割路径

为得到包含试验所需的数据的试件, 并在有限次的试验中获得尽可能多的信息, 试验的切割路径经过了精心的设计, 如图4所示。该长方形路径长50mm, 宽20mm, 中线长度为30mm, 红色的线条为实际切割部分。

试验时从中线开始, 材料应选用没有内应力的立方体, 以免试验完成后由内应力的释放导致外形的改变。此外在装夹材料时, 须尽量保证材料上表面与射流的垂直关系, 并且不能对试验过程进行任何精度补偿。图5是试件沿中线的剖面结构图, 这部分主要用于获取切割前沿迹线与后拖量。

2.3 试件分析

通过以上措施, 可以保证试验所得试件完整地包含磨料水射流切割过程中的各种特性。具体试件结构如图6所示, 除了切割前沿与后拖量只能在试件的中缝测量外, 其他的特性都可在试件外轮廓上获得。如上下表面切缝宽度等于对上下表面的宽度值与设定值20mm的差值;切缝锥度与鼓形误差可通过对两边切缝表面用千分表测得, 测点最好选在试验时匀速运动的位置上;顶角弧度与底面毛刺可用电子显微镜观察;切面粗糙度可直接在两侧面测得。

3 结论

本文针对高压磨料水射流切缝特性提出一种综合试验方法, 可在简化试验的同时完整获得相同参数下的各种水射流切缝特性。并通过Zeng的切割速度与切割表面质量关系的速度测算方法, 使得不同设备参数下、不同材料参数下的水射流切缝特性有了广泛的可比性, 在提高了数据利用率的同时加快了研究进程, 进而加深对水射流切缝特性的认知, 对促进磨料水射流加工精度的提高有积极的作用。并可结合正交试验法, 大大提高研究效率, 缩短研究周期, 有较强的实用性与可行性。

摘要：随着五轴高压磨料水射流设备以及误差补偿模型的完善, 磨料水射流技术已经成为了一种精密加工的手段。其精度的提高是建立在对磨料水射流切缝特性的认知基础上的, 对切缝特性研究得越深入, 就越可能获得更高的精度。本文针对磨料水射流切割影响因素众多, 切缝特性复杂的特点, 提出了一种可一次性获得所有切缝特性的试验方法。并基于Zeng发现的切面质量与切割速度关系, 建立了在不同因素下切缝特性的可比性, 有一定的可行性与实用性。

关键词：磨料水射流,试验方法,切缝特性,误差补偿

参考文献

[1]J.Zeng, J.Olsen, C.Olsen and Guglielmetti.Taper-free abrasive waterjet cutting with a tilting head[A], 2005 WJTA American Waterjet Conference[C], August 21-23, 2005, Paper 7A-2.

[2]M.Hashish, Benefits of dynamic waterjet angle compensation[A], 2007 American WJTA Conference and Expo[C], August 19-21, 2007, Paper 1-H.

[3]J.Zeng, A.Henning, Kerf characterization in abrasive waterjet cutting[A], 2009 American WJTA Conference and Expo[C], August 18-20, 2009, Paper 1-H;

[4]J.Wang, W.C.K.Wong, A study of abrasive waterjet cutting of metallic coated sheet steels[J], Machine tools&Manufacture, 1999, 39:855-870.

高压水射流割缝半径的研究 第6篇

关键词：高压,水射流,割缝半径,喷嘴

平顶山矿区是全国13个大型煤炭基地和45个安全重点监控矿区之一。矿区主力矿井大多为突出矿井, 且开采深度普遍超过600m, 最大采深达1200m。煤层赋存条件十分复杂, 矿区瓦斯伴生资源丰富、煤层瓦斯含量高、突出危险性大、煤层透气性低, 开采深度增加之后, 开采条件越来越复杂, 矿井瓦斯成为制约安全生产的关键问题。

煤层透气性差是制约瓦斯治理的关键因素, 根据实际测定, 平顶山矿区丁、戊、己三组主采煤层透气性系数在0.0001~0.0228m D (毫达西) 之间, 属于低透气性难抽采煤层;在目前技术条件下, 开采层实际百米钻孔抽采量仅为0.004~0.016m3/min.hm, 制约了开采层预抽效果的进一步提高。瓦斯灾害已经成为制约矿区安全生产的瓶颈问题, 给安全生产造成极大的困难。平煤股份十矿主采丁、戊、己三组煤层, 矿井条件复杂, 在这方面表现较为明显。

高压水射流割缝技术是利用高压水流使钻孔周边煤体产生变形, 进而增加煤层透气性系数、提高瓦斯抽采效率。高压水射流割缝半径是进行高压水射流割缝的重要参数, 是实施高压水射流割缝的重要依据。

1 高压水射流割缝半径数值模拟研究

1.1 模型建立与算法选择

高压脉冲水射流成套装备主要包括高压脉冲射流钻头、自动切换式切缝器、高压密封钻杆、气水渣分离装置、矿用液压钻机、高压密封输水器、高压软管、液压式脚踏阀、矿用乳化泵及水箱等。建立水射流割缝半径数值分析模型。数值模拟模型选择为适合计算射流流场的realizable k-e湍流模拟模型, 模型参数选用模型默认参数;近壁面区域采用标准壁面函数进行近似;两相流模拟模型采用Mixture模型。

1.2 计算结果分析

根据数值计算结果与水射流理论, 射流断面速度最大处为轴心速度;因此对计算结果轴线速度分布进行导出分析。可以看出:在射流速度在开始阶段稳定 (初始段) , 通过该段后速度开始快速衰减, 随着离喷嘴距离的增加衰减速度减小。对水射流进行数值模拟可以获得全流场数值结果, 进而可以得到轴心速度分布, 利用轴心速度分布拟合出压力衰减与距离间的关系。

2 高压水力割缝半径实验室测试

2.1 高压旋喷射流对煤体试件的割缝半径变化规律考察

试验所用煤样试件是以煤炭颗粒、水泥、水按1∶0.3∶0.5的比例混合制作而成, 并填入事先准备的1m×1m×1m试件箱中压实, 试件形成后自然风干30天后放入试件承载台。

煤样试件制作完成后, 对其所形成的煤样试件进行取样, 并对取得的试样基础力学性质进行系统测试。经测试, 试验煤样抗压强度为8.24MPa, 抗拉强度为1.63MPa, 抗剪强度为1.87MPa。

2.2 考察结果分析

根据试验方案, 对制成的试验煤样进行高压旋喷射流割缝半径测试, 在测试过程中, 测量深度标准选定为5mm。随后, 根据建立的高压旋喷射流割缝半径预测方法预测了上述试验方案的割缝半径预测结果。

结果显示, 随着高压旋喷射流射流压力的增加, 煤体割缝半径逐渐增大, 同样, 随着喷嘴直径的增加, 割缝半径也逐渐增大, 但随着钻杆旋转速度的变化, 高压旋喷射流切割煤体割缝半径并没有很大变化, 这说明高压旋喷射流旋转速度 (旋转数) 对割缝半径的影响不大。

2.3 高压水射流割缝半径实验室测试

在理论分析与数值模拟的基础上, 在实验室进行了高压水力割缝半径的实验测试, 为了能够在射流切割过程中试件不产生移动影响切割效果, 同时为了能够模拟地下条件, 首先将采集的煤样放入木箱内, 然后用水泥填实形成规整试件, 养护10天后进行试验。

选取养护好的试件固定在实验台上, 将煤体暴露的一侧平行钻杆放置, 用钢尺测量试件煤体与切割器喷嘴之间的距离, 试验开始将试件调至最大距离, 即起始距离为2m, 试验过程中逐渐靠近, 每次移动100mm, 每切割3min调整一次, 直到射流能够在试件上形成切割槽为止, 记录此时切割距离与切割深度, 两者之和认为是水射流切割半径。

高压水射流切割深度随泵压的增加而呈非线性增加、随喷嘴直径的增大而增大, 由于试验地点平煤股份十矿现有高压泵的最大正常工作压力控制在20MPa, 根据试验测试数据, 当喷嘴直径为4mm时, 在非淹没状态下高压水射流的割缝半径为1.3m。

3结论

(1) 通过水射流进行数值模拟、计算, 研究了水射流割缝轴心速度分布、压力衰减与距离间的关系。

(2) 通过数值模拟, 实验室测试分析, 得出高压旋喷射流对煤体试件的割缝半径变化规律为:高压旋喷射流煤样割缝所形成的割缝半径与射流喷嘴直径呈正比, 与射流压力的根号四分之一呈正比。

(3) 综合孔内返水法现场测试结果及实验室分析、平煤股份十矿的煤层地质条件, 考虑到不确定因素, 最终确定当喷嘴为4mm, 泵压为20MPa时平煤十矿高压水射流割缝半径为1m。

参考文献

[1]张建国, 等.穿层钻孔高压旋转水射流割缝增透防突技术研究与应用[J].采矿与安全工程学报, 2012, 29 (3) :411-415.

[2]沈春明, 等.高压水射流割缝及其对煤体透气性的影响[J].煤炭学报, 2011, 36 (12) :58-63.

[3]李晓红, 等.高压水射流提高松软煤层透气性的研究[J].煤炭学报, 2008, 33 (12) :1386-1390.

机器人高压水射流去毛刺系统的开发 第7篇

毛刺是金属切割加工的必然产物,也是金属切割理论研究中迄今为止尚未解决好的两大难题之一[1]。毛刺的存在不仅仅影响零件的外观,更重要的是降低了零件的质量,给产品后续的检验、装配带来困难和隐患。特别是一些精密产品,如液压元件,汽车、机床中的精密零件,毛刺成为了影响它们整体质量的潜在因素。随着材料向高强、高硬、高韧方向的发展,以及新兴的、复杂的整体结构日益增多,去毛刺的难度也越来越大。

经过多年来的技术进步,去毛刺作为一项重要且必要的生产工序,已经向着机械化、自动化方向发展,在实际生产中的主要方法有:传统机械加工、电化学、电解、超声波、热爆炸、研磨和高压水射流[2]等。然而不管哪种去毛刺工艺,都存在着一定的局限性。尤其是复杂零件如自动变速箱体、液压泵、阀等腔体,受加工工件外形尺寸、内腔结构和毛刺位置的影响[3],去除该部位毛刺普遍效率较低,操作不当还容易引入缺陷,影响尺寸精度,引入形位误差。

高压水射流去毛刺,顾名思义是以水为媒介,利用它的瞬间冲击力来去除加工后产生的毛刺和飞边,同时可达到清洗的目的。现在高压水去毛刺设备简单可归纳为两类:工件移动式和喷嘴移动式。工件移动式造价低,适合简单阀体的去毛刺和清洗,其缺点是喷嘴与阀体的配合度不理想,阀体内部交叉孔、斜孔的毛刺去除效果不好;喷嘴移动式通过CNC控制可有效的调整喷嘴与阀体毛刺产生部位的距离,有效对应阀体内部的交叉孔和斜孔以及盲孔的毛刺,但是用CNC与流水线作业相比效率较低,而且由于此设备造价高,到目前为止只有汽车的关键部位和工程机械的液压控制系统等高价值部件才普遍使用。

机器人高压水射流去毛刺拥有CNC控制喷嘴移动方式的一切优点,同时可实现工件在流水线上不用二次装卸,直接通过机器人工作站对工件进行在线加工作业。同时流水线上可以放置不同的零件,配合零件识别系统,自动识别零件型号及定位参数,从数据库中调出预先设定的数据,进一步提高生产效率。

1 总体设计方案

1.1 系统组成

本系统主要包括控制系统、机器人系统、水处理系统、喷射系统、机架、辅助系统六大子系统。其中机器人系统包括6轴机器人本体、机器人控制器和示教器。水处理系统包括高压发生器、过滤器、油水分离器、加热器和循环管道等。辅助系统包括除雾器、照明、装夹台和安全保护装置等,如图1所示。

1.2 主要技术参数

系统主要参数见表1。

2 主要子系统介绍

2.1 机器人系统

本系统采用史陶比尔TX90L六轴工业机器人,机械手臂的结构与一般机器人手臂相比,结构更加紧凑,采取整体封闭式手臂结构,所有伺服电机、电线、气管等都在手臂内部,并在手臂内增强加压,使电器部件与外部潮湿环境隔离。机器人安装方式采取置顶式安装,充分考虑手臂各关节的转动角度与相互干涉问题,而且使得工作区域最大化。

2.2 控制系统

系统控制器采用镶嵌柜式设计,PLC采用西门子S7-300系统,配数字量和模拟量扩展模块进行扩展,连接HMI人机界面触摸屏、机器人控制器、外部数据采集模块以及外部电脑等,如图2所示。

控制器软件部分由通讯模块、命令解析模块、手动控制模块、程序运行模块、编辑设置模块、运动插补模块、定时驱动模块、数据刷新模块、故障检测模块和故障诊断模块等组成。

2.3 高压发生系统

高压水射流主参数中最重要和最基本的是压力和流量,它们决定射流打击力的大小,决定清洗生产率的高低,决定着设备的制造成本[4]。因此高压发生装置的选择是系统的关键配置之一。液压高压水泵HPW是一个转换器,它能把液压动力转换成输送其它介质的动力,表现为流量和压力(见图3)。HPW泵利用往复运动的液压柱塞推动水柱塞往复运动产生系统压力。液压流量推动柱塞总成直到另一个水柱塞到达极限位置,接着改变集成液压换向阀的位置,柱塞总成被推向相反的方向。真空度被产生在泵送介质的入口线上,压力相应产生在出口系统中。在输送周期中,水被入口单向阀挡住,通过出口单向阀被输送到系统中。当液压系统的流量压力低于HPW泵需要产生的最大输出功率时,水的压力流量也相应的被减小,不会对泵本身造成伤害。

2.4 水循环过滤系统

系统用水经过过滤处理循环使用,过滤系统采取多级过滤方式。工作用水经集水管道首先经过简易多级回环过滤,去除主要颗粒和油,再经过多介质过滤器处理,去除悬浮性固体颗粒等杂质(<50μm等级精度)。然后再经过袋式反渗透过滤和油水分离器,保证进入泵内高压水具有10μm等级精度的纯净度质量。

2.5 喷嘴的设计

(1)点式直喷嘴:适用于小区域上需要大的冲击的场合,如简单直孔和内腔。

(2)涡轮式喷嘴:喷嘴在旁边喷射水的反作用力下旋转,同时保持作用点的冲击力与点式喷嘴一样高。其最大优点是可以非常高效率的清洁大面积,如加工过的平面或多槽散热表面。

(3)内腔喷嘴:专门针对小孔径复杂交错式内腔的清洁,长杆式的喷嘴深入零件内腔从两侧喷射水,并且喷头喷射水的反作用力下旋转,360°快速清洁。

(4)干燥空气喷嘴:主要用于高压水清洁后,快速排出腔体内的水分,以及吹干零件。

同时在机械人抓手上安装快速自动装夹装置按程序自动跟换对应喷嘴。工作状况如图4所示。

3 系统特点

3.1 关键技术

机器人防护技术,要求机械手臂在极潮湿环境下机器人全方位可靠运行。为保证技术通用性,要求考虑并解决所有管线及其连接的保护,防护体易于清洁,能够耐一定腐蚀性液体冲刷。

机器人模块化核心技术,建立统一的机器人软硬件开发平台,为各类机器人产品开发提供支撑。建立统一的机器人软硬件开发平台,有利于快速把机器人控制器应用于不同品种的机器人上。采用模块化的设计方法,可以提高机器人控制软件的修改和移植。

喷嘴的设计及其快速更换技术,根据不同的加工工件和加工部位的不同需要,设计各种结构喷嘴。系统能够自动选择最合适,效率最高的喷嘴,完成复杂零件的精密清洗。

3.2 系统优点

目前国内来说,对于毛刺处理作为现代自动化生产的瓶颈,机器人高压水射流去毛刺除了具有高速、高效、高精度以外,还具有以下技术优点。

(1)工作介质为水价格低廉,属柔性加工,对工件损伤小。去毛刺加工能力稳定,在去毛刺的同时兼有对零件清洗作用。水经过过滤处理后,可循环使用不会对环境造成污染。

(2)机械手臂抓夹持喷嘴机构,具有活动范围广,灵活多角度,适用各种复杂内外腔体形状工件的去毛刺作业,并且不需二次装夹。

(3)通过选定合适的压力、流量及机器手臂喷射角度、进给速度等,可获得与毛刺特性相适应的最佳去除参数。

(4)通过选用与工件加工部位相适应的喷嘴,实现对零件复杂特定部位高效的去毛刺和清洗工作,和最大程度减少工件加工表面的质量和精度影响

(5)机械手臂采用全封闭式设计,结构紧密坚固,稍作改进则可应用于其他各种特殊环境下的自动化加工。

4 结束语

针对目前国内汽车、航空行业的快速发展,对各种机械零件加工去毛刺,各种合金及不锈钢铸造件和烧结金属粉末件的去飞边毛刺的加工需求不断提高,本项目设备的研发应用将为零件去毛刺飞边提供多一种通用性更广、柔性化水平和生产效率更高的自动化手段。

参考文献

[1]陈世平,罗辑,石军.金属切削加工中的毛刺问题[J].机械设计与制造,2004(5):36-39.

[2]薛胜雄.高压水射流技术与应用[M].北京:北京机械出版社,1998.

[3]王楠.直筒横腔工件的高压水射流去毛刺研究[D].长春:长春理工大学,2009.

高压水射流 第8篇

关键词：水射流,数控高压,水切割

1概述

超高压水射流切割是八十年代从国外发展起来的一项冷态切割工艺, 适用于玻璃、陶瓷、石材、化纤、复合材料和合金材料等各种材料任意图形的平面切割, 特别对于那些因其他方法难以切割的材料是一种非常理想的加工手段。数控高压水射流切割机融合了水切割和CNC等技术, 能够大大提升加工效率, 解决了大型、复杂的结构件与难加工材料的加工问题。

2数控高压水射流切割机工作原理

如图1所示, 由低压供水系统、低压油系统、增压器和蓄能器组成超高压水发生器, 将水压增至100~400MPa, 经切割台喷嘴, 形成高压水射流。磨料系统往水射流中混入磨料粒子, 由切割台喷嘴喷射磨料水射流。水射流会加速磨料粒子, 并且磨料质量大、硬度高, 因此, 磨料水射流比水射流动能更大, 切割效能更强。然后在控制台的作用下, 按照编制好的数控程序切割工件。

3数控高压水射流切割机的系统组成

3.1机械结构组成如图2

1.液压柱塞泵2.溢流阀3.电磁换向阀5.增压器4、6.单向阀7.高压蓄能器

8.水箱9.水泵10.压力表11.开关阀12.磨料箱13.磨料阀14.磨料运送装置

15.混合腔16.喷嘴17.主轴18.工作台19.废料回收装置

3.2电气结构组成

大容量电动机启动冲击电流很大, 会对电网及其他各种负载造成干扰, 不利于电网的安全运行。由于油泵电机功率较大, 必须采取降压启动的方式, 可选用软启动器实现降压启动, 如图3、4、5所示, 220VAC电源为软件启动器GS1控制电路、GS2、PLC、两个冷却风机以及过滤器水泵电机供电, 24VAC电源为中间继电器KA1供电, 24VDC电源为高压溢流阀、左右换向阀和继电器模块供电。

如图4所示, 按下启动按钮SB0, KA1线圈得电, 其常开触点闭合, PLC、软启动器和人机界面得电工作。在CNC发送油泵启动信号后, PLC的输出继电器Y1输出高电平, 继电器K2线圈得电, 其常开触点闭合, 通过软启动器启动油泵电机, 启动结束后, 软启动器运行输出常开触点闭合。按下SB1, 系统停止运行, 按下急停按钮SB2, 禁止PLC输出控制。

3控制程序的设计

数控高压水射流切割机的控制可分为两大种:一种是对各坐标轴的位移和进给控制, 以CNC为中心, 读取并处理运动G代码, 对机床各动作部件进行统一控制;另一种是切割机的动作顺序控制, 以PLC为中心, 对运动过程的输入信号进行采集, 如按钮、传感器、继电器和接触器等开关量信号, 并按规定的逻辑顺序, 输出开、关超高压系统、伺服就绪、故障报警和抱闸等动作, 以便对切割机进行有效的安全控制。CNC给伺服驱动装置发送控制指令, 实现对切割机的数字控制, 而切割机的顺序控制要通过PLC才能完成, 因此, PLC程序编制是切割机的重要部分, 程序流程图如6所示。

4结束语

高压水切割是新兴的一种切割技术, 与其他切割方法相比具有许多特有的优势。具有切割无尘、无味、无毒、无热变形、无边缝毛刺、噪声低、切割速度快和加工成本低等优点, 适合恶劣的工作环境, 能够切割各种材料, 是一种先进的切割工艺方法。

参考文献

[1]蔡纪鹤.五轴四联动数控水射流切割机的研究与电控设计[D].江苏大学, 2009.

[2]董庆华.数控高压水射流切割机的研究与设计[D].合肥工业大学, 2007.

高压水射流 第9篇

关键词：高压水射流,喷头,曲柄滑块机构

1 高压水射流外墙清洗系统

高压水射流清洗系统原理如图1所示

高压水射流外墙清洗系统由高压泵、水箱、喷头以及喷头工作机构和升降台组成。其中喷头工作机构是用来保证喷头能够左右移动, 以便能清洗一定的面积, 升降台用于使喷头以及喷头工作机构升降到所需要的高度。本文主要研究喷头工作机构的设计。

2 喷头工作机构的确定

为了实现喷头左右移动, 有不同的传动方案。可以利用液压传动, 用液压缸带动喷头作往复运动, 这个方案结构比较简单, 行程范围大, 但成本比较高, 需要一套液压系统和控制系统;也可以用螺旋副机构实现喷头的移动, 但螺旋副的移动速度一般比较慢, 因而清洗效率比较低;第三种方法是曲柄滑块机构来实现喷嘴的移动, 曲柄滑块机构可以方便地实现往复直线运动, 而且结构简单, 能够达到要求的运动速度。另外, 曲柄滑块机构也可以设计成可调节式的形式, 以便在使用过程中根据现场情况, 调节其清洗的面积。

综合比较三种方案, 本文选择对心曲柄滑块机构作为喷头工作机构, 将喷头固定在滑块上, 利用滑块的往复直线运动, 带动喷头左右移动, 从而实现清洗的目的。

2.1 电动机的选择

喷头左右移动的速度应适中, 如果速度太高则不能保证把墙壁冲洗干净, 而速度太低又会影响工作效率, 这样就需要选择具有合适转速的电动机。一般的普通电动机不能满足需要, 因为升降台面积是有限的, 如果选用普通电动机则需要配备减速器等设备, 必然增加体积以及重量。因而最终确定选择微型电动机, 本设计选择转速为12 r/min的微型电机。

1-机架;2-曲柄;3-连杆;4-滑块

2.2 曲柄滑块机构的设计

由电动机带动曲柄作回转运动, 再通过连杆带动固定在滑块上的喷嘴在工作台上做往复移动, 最终完成清洗任务。

2.2.1 曲柄和连杆长度的确定

图2为曲柄滑块机构示意图, 其中r为曲柄的长度, H为滑块的行程。由图2可知曲柄的长度决定了滑块的行程范围, 而连杆的长度至少应该要大于滑块的行程H, 滑块的行程受升降台大小的限制, 应在限定的长度范围内使滑块的行程尽量达到最大值, 若取曲柄长度r=400mm, 为了节省空间, 取B2C1的距离为0时, 则连杆BC的长度为:LBC=800mm。

2.2.2 曲柄和连杆横截面积的确定

为保证曲柄和连杆有足够的强度, 曲柄和连杆横截面积要根据曲柄和连杆的受力加以确定。曲柄和连杆的受力见图3。

图3中M—驱动力矩, FR12—机架1对曲柄2的作用力, FR32—连杆3对曲柄2的作用力, FR34—连杆3对滑块4的作用力, L—力臂。

曲柄在驱动力矩M、力FR32和FR12作用下平衡, FR32=FR12=M/L, 在曲柄回转过程中, L值的大小是变化的, 当L取最小值时受力达到最大, 现按一种极限情况计算, 即在力FR12的作用线与曲柄所夹锐角为0°时, L值最小即等于摩擦园直径2ρ, 根据电动机的轴颈和驱动力矩, 可求得力FR32和FR12的最大值。对于本文FR12max=FR32max=43642.86N。

连杆是二力杆, 在力FR23、FR43作用下平衡, 因此FR23=FR43, 又FR23与FR32大小相等方向相反、FR43与FR34大小相等方向相反, 所以连杆受力最大值也为43642.86N。

曲柄和连杆的材料均选用45钢, 其屈服极限σs=355MPa, 安全系数取1, 则许用应力[σ]=355 MPa, [τ]=248 MPa。

那么:在受最大拉力时, 其受力最小面积为:

在受最大剪切力时, 其受力最小面积为:

故只要所取曲柄和连杆的截面积大于176mm2就能够满足强度要求。

另外在本设计中, 为满足滑块不同行程的需要, 把曲柄设计成了可调节结构, 这样曲柄的长度就能够在200～400mm的范围内进行调整, 同时滑块的行程也就可以在400～800mm之间进行变动。

3 结论

由于对心曲柄滑块机构没有急回运动, 可满足喷头左右移动都能均匀清洗的要求, 因而曲柄滑块机构可作为喷头工作机构, 同时把曲柄设计成可调节结构, 喷头清洗的宽度为400～800mm, 以满足喷头不同行程的需要。

参考文献

[1]孙桓, 陈作模, 葛文杰.机械原理[M].北京:高等教育出版社, 2006.

[2]濮良贵, 纪名刚.机械设计[M].北京:高等教育出版社, 2007.