基于柴油機組的高壓水射流設(shè)備

劉嬌月， 楊聚慶， 吳柏林

(1．河南工業(yè)職業(yè)技術(shù)學(xué)院，河南南陽473009;2．珠海格力電器股份有限公司，廣東珠海519000)

0 引言

水射流是由噴嘴流出形成的不同形狀的高速水流束。通常，動力驅(qū)動泵通過對水完成一個吸、排過程，將一定量的水泵送到高壓管路，使其以一定能量達到噴嘴。而噴嘴的孔徑要求比高壓管路直徑小的多，因此到達噴嘴的這一定量的水想要流出噴嘴孔，就必須加速。經(jīng)過噴嘴孔加速凝聚的水就形成了射流，其流速取決于噴嘴出口截面前后的壓力降。噴出的射流打擊在靶件(工件)表面上就稱為射流作業(yè)［1-3］。

高壓水射流技術(shù)目前已擴展至工業(yè)清洗工程、除銹工程、水力切割工程、破碎工程、采煤和石油鉆采工程等領(lǐng)域和部門。近年來，我國高壓水射流發(fā)生裝置(高壓泵、增壓泵)及配件(閥、高壓軟管、噴嘴和噴頭)的研究發(fā)展迅速，在其理論、應(yīng)用研究及產(chǎn)品研制中，都有長足進展［2，5-7］。

本文提出了一種新型的以柴油機為發(fā)動機的高壓水射流清洗設(shè)備，該設(shè)備集柴油機、增壓泵、高壓閥、高壓軟管、自動化電氣等于一體，采用柴油機水射流控制器，自動控制轉(zhuǎn)速和高壓水射流壓力，安全、高效、可靠。主要作業(yè)為靶件表面的清洗、除漆、除銹、去除涂層、無飛濺的凈化處理，用高壓裝置以及電氣控制設(shè)施，使水流通過高壓動力傳動設(shè)備實現(xiàn)高壓水射流，從而達到高壓水清洗的目的。

1 高壓水射流設(shè)備總成

成套的水射流設(shè)備差別很大，但基本上都有泵、噴嘴及其中間環(huán)節(jié)，大致可劃分為4個系統(tǒng):壓力水發(fā)生設(shè)備、控制系統(tǒng)、執(zhí)行系統(tǒng)和輔助系統(tǒng)。高壓水發(fā)生設(shè)備由高壓泵機組和增壓泵機組組成;控制系統(tǒng)由安全閥、調(diào)壓閥、控制閥、電控柜等組成;執(zhí)行系統(tǒng)由噴槍、噴桿、噴頭、磨料射流總成、二維或三維旋轉(zhuǎn)噴頭等組成;輔助系統(tǒng)由壓力表、拖車、進給機構(gòu)等組成［3］。

圖1是高壓清洗機的機組管路原理圖，其主要原理是:發(fā)動機帶動增壓泵將水抽出通過過濾器進入高壓泵;同時在電磁閥的控制下，氣體從進氣泵進入高壓泵;高壓泵將水氣混合，增加壓力，然后再通過超高壓軟管進入噴槍，通過噴嘴射出。

圖1 機組管路原理圖

設(shè)備中主要部件的功能是:

(1)高壓泵。用于增加水壓，并將高壓水輸送到噴槍或噴頭。這類泵可以是移動的也可以是固定的，常采用正排量柱塞泵型式以保證在給定泵速下流量的恒定。

(2)安全閥。該閥安裝在泵的排出端，閥內(nèi)設(shè)有彈簧與閥組機構(gòu)，通常由彈簧將閥芯預(yù)置在關(guān)死位置。當(dāng)泵的壓力超過預(yù)定值時，該閥打開。

(3)調(diào)壓閥。該閥安裝在泵的排出端，憑借控制旁通水流來達到自動控制高壓水射流設(shè)備工作壓力的目的。當(dāng)系統(tǒng)中壓力超過力預(yù)置值時，閥將部分開啟。閥開啟升程越高，旁通的水就越多，噴嘴處流量就越小。徑閥溢流的水可以直接返回泵或前置水箱中。

(4)調(diào)壓溢流閥。取代調(diào)壓閥，即在預(yù)置壓力下保證泵的全流量使用;當(dāng)關(guān)閉噴槍瞬間，系統(tǒng)壓力超過預(yù)置壓力，該閥保證泵的全流量溢流。它同調(diào)壓閥手動部分溢流是兩個概念。

(5)腳踏控制閥。該閥的作用類似于兩種類型的噴槍，其特點是操作者能夠用腳動作，用以控制噴頭。

(6)噴槍。通過高壓軟管總成連接到高壓泵排出端，是清洗作業(yè)較為常用的執(zhí)行機構(gòu)。噴槍可按排放壓力的控制閥型式進一步分成:如果閥關(guān)閉時，高壓水排放到大氣，則為溢流型噴槍;如果閥關(guān)閉時，高壓水仍保留在系統(tǒng)中，則為截留型噴槍。

(7)噴頭。置有一個或多個噴嘴并由此形成水射流的部件。噴頭限制了水的過流面積，加速了水流速度并形成了所要求的射流形狀。噴頭與噴嘴都屬于一個龐大的家族，也是高壓清洗機研究的重點之一。

(8)壓力表。高壓水射流設(shè)備應(yīng)設(shè)置該表以顯示壓力變化。壓力表的刻度范圍至少要比設(shè)備的最大工作壓力高50%。當(dāng)壓力脈動較大時，應(yīng)設(shè)置穩(wěn)壓容器以精確顯示壓力讀數(shù)。

(9)高壓軟管。高壓水射流設(shè)備里的各種連接都需要高壓軟管進行連接，所以高壓軟管的耐壓力情況和選擇使用情況都非常重要［4-6］。

表1為高壓清洗機成套設(shè)備用到的主要部件。

表1 高壓清洗機成套設(shè)備主要部件

2 高壓水射流清洗設(shè)備的安裝

2．1 高壓水射流的管路安裝

(1)高壓泵水路的安裝。先連接高泵水路，由水箱到高壓泵的水路連接，基本連接情況是水箱通過水管進入增壓泵在連接水過濾器，要注意水過濾器是兩個，然后同內(nèi)接頭連接到低壓水通路，這個低壓水通路為六通，即要連接壓力開關(guān)，壓力表，水溫傳感器，泄水閥，然后通過內(nèi)外接頭和高壓軟管連接到高壓泵的水路，連接之后要檢查連接情況。

(2)高壓泵氣路的連接。氣泵通過內(nèi)外快插氣路接頭與壓縮空氣儲氣罐連接，氣路三聯(lián)件連接到接有壓力開關(guān)的氣路三通上，然后經(jīng)過氣路管子連接到電磁閥(氣路經(jīng)過電磁閥時，在通泄氣時候可能會產(chǎn)生很大噪音，所以要在電磁閥上面連接消聲器)，電磁閥通過快插接頭連接到泄水閥進入高壓四通(在高壓四通上接有高壓力傳感器和高壓安全閥，高壓安全閥在壓力達到一定壓力時會使泄流閥泄流)，再通過各種高壓超高壓內(nèi)外接頭連接到高壓水泵上。

(3)高壓力水流從高壓水泵經(jīng)過高壓軟管與高壓噴槍相連。整個水射流清洗系統(tǒng)通過高壓噴槍達到高壓水清洗的作用(單人作業(yè)和雙人作業(yè)就在于噴槍的連接是否是雙槍連接和單槍連接，此處的安裝可以出現(xiàn)雙重連接［7］)。

2．2 高壓水射流電氣控制箱的安裝

電氣控制部分的安裝需要專用工具，例如壓線鉗，剝線鉗，尖嘴鉗等等。另外，安裝必須詳細(xì)了解電氣控制柜的各種元器件?？刂葡涞脑骷笾掠幸韵聨最?柴油機組水射流控制器、繼電氣、隔離轉(zhuǎn)換器、熔斷器、轉(zhuǎn)速控制器、緊急停車開關(guān)、接線端子板等［8-9］。

3 高壓水射流的電氣控制系統(tǒng)

圖2 電氣控制原理圖

該高壓水射流的主要控制部分是上海維電計算機技術(shù)有限公司生產(chǎn)的T210E控制器。其電源采用8～36 V DC，電流0．1 ～0．3 A(24 V);使用環(huán)境約為 －20～+70℃;模擬傳感器輸入A/D轉(zhuǎn)換精度為10 bits;轉(zhuǎn)速測量輸入傳感器類型為磁性轉(zhuǎn)速傳感器;最小輸入電壓2 Vpk-pk(4 Hz to 4 kHz);最大輸入電壓50 V;頻率輸入測量范圍:4 Hz-10 kHz;充電電壓0～36 V DC，適用于柴油發(fā)動機驅(qū)動的超高壓水射流設(shè)備的自動控制、保護。通過對溫度傳感器、壓力傳感器、速度控制器等輸出信號的采集、分析、處理來實現(xiàn)對水壓的控制、發(fā)動機的油溫、油壓的保護和控制［9］。當(dāng)柴油機啟動的時候速度傳感器通過隔離轉(zhuǎn)換器將轉(zhuǎn)速信號傳遞給轉(zhuǎn)速控制器，轉(zhuǎn)速控制器再啟動發(fā)出信號，繼而通過隔離轉(zhuǎn)換器將控制信號傳遞給柴油機實現(xiàn)對柴油機的轉(zhuǎn)速控制?？刂破鞯墓ぷ髟砗驮骷渲萌鐖D2所示。該控制器主要是通過各種傳感器的輸出信號來實現(xiàn)對水壓、油壓、油溫等的控制，控制器的模擬信號如下:

AI1通過柴油機上安裝的水溫傳感器來實現(xiàn)控制器對溫度的調(diào)節(jié)。

AI2控制器通過柴油機上安裝的油壓傳感器來實現(xiàn)對其油壓的控制。

AI3控制器通過高壓力傳感器來實現(xiàn)對水射流的壓力控制。

AI4控制器通過柴油機的燃油液位傳感器來實現(xiàn)液位保護，同時顯示柴油機的燃油液位情況。

AI5控制器通過入水口的水壓開關(guān)來實現(xiàn)其進水壓力情況監(jiān)測。

AI6控制器通過SC1水溫傳感器來了解入水口的水溫狀況。

AI7控制器的作用是當(dāng)油壓達到一定值時打開進油開關(guān)。

BO2通過氣壓電磁閥和繼電氣來實現(xiàn)對氣閥控制閥的控制。

BI1是緊急停車開關(guān)，當(dāng)外部出現(xiàn)緊急情況時候，按下緊急停車按鈕，實現(xiàn)全部作業(yè)的停止，避免事故發(fā)生。

BI2水槍開關(guān)，當(dāng)水槍開關(guān)打開時，控制器對水射流設(shè)備進行控制。

BI3當(dāng)發(fā)動機水溫達到一定值時，控制器控制設(shè)備的停止。

BI4當(dāng)發(fā)動機的油壓達到一定壓力值時，壓力開關(guān)會打開放油，進行進油操作。

BI5手動自動開關(guān)，實現(xiàn)手動或自動控制。

機電一體化控制的柴油機組水射流設(shè)備的執(zhí)行機構(gòu)集微機技術(shù)和執(zhí)行器技術(shù)于一體，是一種新型的水射流控制單元，柴油機組通過內(nèi)部集成的一體化控制器來控制，同一臺智能執(zhí)行機構(gòu)可以在一定范圍內(nèi)具有不同的運行狀況和工作壓力。該智能執(zhí)行機構(gòu)采用了液晶顯示技術(shù)，它利用內(nèi)置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關(guān)狀態(tài)和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇運行參數(shù)設(shè)定，當(dāng)系統(tǒng)出現(xiàn)故障時，能顯示出故障信息。該執(zhí)行機構(gòu)集測量、決斷、執(zhí)行3種功能于一體，順應(yīng)了電動執(zhí)行機構(gòu)的發(fā)展趨勢，它的研制給電動執(zhí)行機構(gòu)的研究開發(fā)提供了新的思路［10-11］。

4 結(jié)語

國內(nèi)水射流技術(shù)不斷與國際水射流技術(shù)接軌，研發(fā)出的新產(chǎn)品功能強、性能好、質(zhì)量高、成本低，具有柔性加工特性［11-12］，可根據(jù)市場需要和用戶反映對產(chǎn)品結(jié)構(gòu)和生產(chǎn)過程做調(diào)整、改進，無須改換設(shè)備［13］。以本文研制的柴油發(fā)動機驅(qū)動的超高壓水射流設(shè)備為例，它擁有手動或自動模式，可直接設(shè)定發(fā)動機轉(zhuǎn)速或水泵輸出壓力，最高控制壓力可達500 MPa;配有液晶中英文圖符顯示;擁有多種保護，如對柴油發(fā)動機的保護、無出水保護、氣動閥故障保護、高水壓保護、安全水壓保護、水壓自動調(diào)節(jié)穩(wěn)定功能、高水溫保護等;自帶轉(zhuǎn)速表、壓力表、水溫表、小時計、油位表等，可靠性高，安裝簡便，可以廣泛地應(yīng)用于熱敏感材料的加工，具有傳統(tǒng)機械加工方法無可比擬的優(yōu)越性［14-15］。

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