數控高壓水清洗系統的設計

□ 崔永紅 □ 張 虎

太重集團 榆次液壓工業有限公司 山西榆次 030600

高壓水射流清洗設備在一些發達國家已占到市場份額的80%以上，我國的水射流清洗設備比重在大中型城市及企業雖不到20%，但以每年10%左右的速度增長，預計經過6～7年的時間，中國的高壓水射流清洗設備將占絕對優勢。

1 系統設計及工作原理

高壓水射流清洗系統主要包含機床主體、高壓泵組、水處理單元、控制單元4個部分。機床主體帶動清洗頭進行定位清洗，高壓泵組為清洗中心提供安全、穩定的高壓水，水處理單元為高壓泵組提供干凈的水源，控制單元為整個清洗中心提供動力和控制驅動。

圖1為高壓水射流清洗系統中液體流動示意圖，從圖中可以看出，水流在水箱中經過過濾之后，供給高壓泵，通過高壓泵將高壓水噴出；經過清洗之后的水流又回收到水箱中，實現整個系統的水循環。

▲圖1 設計原理圖

2 結構設計

2.1 機床主體

機床結構應保證有足夠的剛度，機床清洗腔采用全密封式，有安全性好的防護門，機床整體采用全密封防護，內部有高亮度的照明燈，機床清洗腔有觀察窗口和收集氣霧裝置，方便觀察清洗過程。

工作臺尺寸為600 mm×600 mm，X軸最大行程≤550 mm，Y軸最大行程≤550 mm，Z軸最大行程≤200 mm，工作臺最大承重350 kg。

2.2 高壓泵組

高壓泵組整機帶有高壓抗震壓力表、安全閥、溢流閥、水箱缺水和飽和保護系統，輸出最高壓力為53 MPa，清洗設定壓力為 50 MPa，流量≥15 L/min，配有高精度并聯水過濾器,高壓水裝置設置安全的外防護裝置。

2.3 水處理單元

設置回水、出水等多級過濾裝置，最終過濾等級為5 μm，水處理單元中過濾裝置采用一用一備，過濾精度由低到高。水箱備有油水分離系統，并設置加溫及溫度傳感器，對水溫進行控制，還配有液位顯示裝置，有方便的進水、排水口，方便清理水箱。

2.4 控制檢測單元

控制檢測單元采用國內先進的廣數控制系統 （中文版），具備的功能有：人機對話功能和錯誤記憶及診斷功能，工作穩定，操作和維護方便；帶有緊急停車裝置，能存儲多個清洗程序，每個程序可自由編程；有故障信息顯示及故障排除建議功能，可在線觀察系統運行情況。

水處理單元中除配置了液位和溫度控制系統外，還配置了過濾器堵塞報警裝置，使系統在正常運行時，既能實時監控水流運行情況，又能及時將信號傳輸給操作系統，實現智能化控制。

高壓泵組中選取國外進口的安全閥和調壓閥，在壓力調好之后，無需再進行重復變更。同時，配置了壓力檢測裝置，在壓力減小或增大時，能夠及時報警，并通過控制系統實現智能化控制。

3 系統元器件選型

根據清洗試驗對象的要求，壓力選擇為50 MPa，流量選擇為20 L/min。

3.1 電機動力選型

高壓泵在正常運行下輸出壓力為50 MPa，依據式（1）求出電機功率：

式中：P1為電機功率，kW；η為電機功率因數，國產電機取85%，進口電機取90%；p為泵的壓力，MPa；Q為泵的流量，L/min。

將高壓泵的壓力50 MPa和流量20 L/min代入式（1），算出P1=19.2 kW，選取電機功率為22 kW。

3.2 噴嘴選型

式中：d為噴嘴直徑，mm；Q 為噴射流量，L/min；n為噴嘴個數；γ為噴射效率，一般取1.05～1.1。

取：n=1，γ=1，并將壓力和流量代入式（2），求出噴嘴直徑為1.1718 mm，實際選用噴嘴直徑為1.2 mm。

確定流量為20 L/min，由式（2）求出噴嘴直徑：

3.3 水箱設計

系統流量為20 L/min，由于系統采用循環水進行工作，考慮到過濾時間及循環時間，設計水箱容積為1 m3，實踐證明，該容積既能滿足正常工作用水，又能保證過濾時系統能正常運轉。

4 現場應用

采用筆者設計的清洗設備與人工清洗進行清洗試驗，并進行清潔度對比，結果顯示，在清洗速度提高的情況下，清洗效果更好，且對被清洗件無任何損傷。

▲圖2 現場試驗工件

5 結論

（1）數控高壓水清洗中心是基于數控技術和壓力清洗相結合的清洗機，占地面積小，對操作人員無傷害，對環境無污染，清洗效果好，對清洗件無影響，在后期維護上簡單省事。

（2）設備最高壓力可達到50 MPa，流量的大小、噴頭清洗方式可視清洗對象和清洗要求進行變更；設備智能化程度高，定位準確，可形成高壓水清洗設備中的高端產品。

（3）清洗結果顯示，設備柔性清洗能力強，將數控技術應用到清洗設備中，可預置零件的形狀和工藝參數，解決了對復雜工件的定位清洗，只要更換程序就可以清洗不同規格型號的產品。

（4）采用高壓小流量水基清洗，減小了過濾系統、儲液槽的規格；采用全自動循環過濾反沖排渣、自動油水分離裝置，使設備能源消耗降低，廢水排放量也相應降低，設備體積相對常規數控中心減小。

（5）模塊化設計，運動部件采用標準化零件，互換性、通用性好；出現故障時計算機具有故障自診斷功能，具有遠程故障診斷、在線幫助和遠程監控功能。

（6）設備具有自潔凈、自動潤滑、消霧、過濾等功能，整機維護簡單；一鍵啟動，所有典型產品清洗參數預置在計算機中，一經設定，自動完成整個清洗過程。

［1］ 楊林，唐川林，張鳳華.高壓水射流技術的發展及應用［J］.洗凈技術，2004，2（1）：9－14.

［2］ 賴金榮，趙付國，徐依吉.石油石化行業清洗中的高壓水射流技術［J］.洗凈技術，2004， 2（4）：32－37.

［3］ 王萍輝.空化射流在管道清洗中的應用［J］.電力科學與工程，2002（4）：21－24.

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