基于柴油機組的高壓水射流設備

劉嬌月， 楊聚慶， 吳柏林

(1．河南工業職業技術學院，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［1-3］。

高壓水射流技術目前已擴展至工業清洗工程、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域和部門。近年來，我國高壓水射流發生裝置(高壓泵、增壓泵)及配件(閥、高壓軟管、噴嘴和噴頭)的研究發展迅速，在其理論、應用研究及產品研制中，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動機的高壓水射流清洗設備，該設備集柴油機、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，自動控制轉速和高壓水射流壓力，安全、高效、可靠。主要作業為靶件表面的清洗、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施，使水流通過高壓動力傳動設備實現高壓水射流，從而達到高壓水清洗的目的。

1 高壓水射流設備總成

成套的水射流設備差別很大，但基本上都有泵、噴嘴及其中間環節，大致可劃分為4個系統:壓力水發生設備、控制系統、執行系統和輔助系統。高壓水發生設備由高壓泵機組和增壓泵機組組成;控制系統由安全閥、調壓閥、控制閥、電控柜等組成;執行系統由噴槍、噴桿、噴頭、磨料射流總成、二維或三維旋轉噴頭等組成;輔助系統由壓力表、拖車、進給機構等組成［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，閥內設有彈簧與閥組機構，通常由彈簧將閥芯預置在關死位置。當泵的壓力超過預定值時，該閥打開。

(3)調壓閥。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備工作壓力的目的。當系統中壓力超過力預置值時，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)調壓溢流閥。取代調壓閥，即在預置壓力下保證泵的全流量使用;當關閉噴槍瞬間，系統壓力超過預置壓力，該閥保證泵的全流量溢流。它同調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，是清洗作業較為常用的執行機構。噴槍可按排放壓力的控制閥型式進一步分成:如果閥關閉時，高壓水排放到大氣，則為溢流型噴槍;如果閥關閉時，高壓水仍保留在系統中，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。高壓水射流設備應設置該表以顯示壓力變化。壓力表的刻度范圍至少要比設備的最大工作壓力高50%。當壓力脈動較大時，應設置穩壓容器以精確顯示壓力讀數。

(9)高壓軟管。高壓水射流設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備用到的主要部件。

表1 高壓清洗機成套設備主要部件

2 高壓水射流清洗設備的安裝

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，壓力表，水溫傳感器，泄水閥，然后通過內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。氣泵通過內外快插氣路接頭與壓縮空氣儲氣罐連接，氣路三聯件連接到接有壓力開關的氣路三通上，然后經過氣路管子連接到電磁閥(氣路經過電磁閥時，在通泄氣時候可能會產生很大噪音，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外接頭連接到高壓水泵上。

(3)高壓力水流從高壓水泵經過高壓軟管與高壓噴槍相連。整個水射流清洗系統通過高壓噴槍達到高壓水清洗的作用(單人作業和雙人作業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，安裝必須詳細了解電氣控制柜的各種元器件。控制箱的元器件大致有以下幾類:柴油機組水射流控制器、繼電氣、隔離轉換器、熔斷器、轉速控制器、緊急停車開關、接線端子板等［8-9］。

3 高壓水射流的電氣控制系統

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有限公司生產的T210E控制器。其電源采用8～36 V DC，電流0．1 ～0．3 A(24 V);使用環境約為 －20～+70℃;模擬傳感器輸入A/D轉換精度為10 bits;轉速測量輸入傳感器類型為磁性轉速傳感器;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，適用于柴油發動機驅動的超高壓水射流設備的自動控制、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、處理來實現對水壓的控制、發動機的油溫、油壓的保護和控制［9］。當柴油機啟動的時候速度傳感器通過隔離轉換器將轉速信號傳遞給轉速控制器，轉速控制器再啟動發出信號，繼而通過隔離轉換器將控制信號傳遞給柴油機實現對柴油機的轉速控制。控制器的工作原理和元器件配置如圖2所示。該控制器主要是通過各種傳感器的輸出信號來實現對水壓、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控制器對溫度的調節。

AI2控制器通過柴油機上安裝的油壓傳感器來實現對其油壓的控制。

AI3控制器通過高壓力傳感器來實現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來實現其進水壓力情況監測。

AI6控制器通過SC1水溫傳感器來了解入水口的水溫狀況。

AI7控制器的作用是當油壓達到一定值時打開進油開關。

BO2通過氣壓電磁閥和繼電氣來實現對氣閥控制閥的控制。

BI1是緊急停車開關，當外部出現緊急情況時候，按下緊急停車按鈕，實現全部作業的停止，避免事故發生。

BI2水槍開關，當水槍開關打開時，控制器對水射流設備進行控制。

BI3當發動機水溫達到一定值時，控制器控制設備的停止。

BI4當發動機的油壓達到一定壓力值時，壓力開關會打開放油，進行進油操作。

BI5手動自動開關，實現手動或自動控制。

機電一體化控制的柴油機組水射流設備的執行機構集微機技術和執行器技術于一體，是一種新型的水射流控制單元，柴油機組通過內部集成的一體化控制器來控制，同一臺智能執行機構可以在一定范圍內具有不同的運行狀況和工作壓力。該智能執行機構采用了液晶顯示技術，它利用內置的液晶顯示板，不僅可以顯示閥門的開、關狀態和正常運行時閥門的開度，還可以通過菜單選擇運行參數設定，當系統出現故障時，能顯示出故障信息。該執行機構集測量、決斷、執行3種功能于一體，順應了電動執行機構的發展趨勢，它的研制給電動執行機構的研究開發提供了新的思路［10-11］。

4 結語

國內水射流技術不斷與國際水射流技術接軌，研發出的新產品功能強、性能好、質量高、成本低，具有柔性加工特性［11-12］，可根據市場需要和用戶反映對產品結構和生產過程做調整、改進，無須改換設備［13］。以本文研制的柴油發動機驅動的超高壓水射流設備為例，它擁有手動或自動模式，可直接設定發動機轉速或水泵輸出壓力，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、水壓自動調節穩定功能、高水溫保護等;自帶轉速表、壓力表、水溫表、小時計、油位表等，可靠性高，安裝簡便，可以廣泛地應用于熱敏感材料的加工，具有傳統機械加工方法無可比擬的優越性［14-15］。

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