超高压水射流切割技术及其应用

超高压水射流切割技术及其应用

发表时间：2018-10-18T15:04:50.543Z 来源：《电力设备》2018年第18期作者：李东旭1 杨艳超2

[导读] 摘要：水射流技术凭仗高能级密度的纯水射流以及磨料混合射流，发挥水射流冲击、水楔等效应，完成对相关材料的除层、破碎以及切开等功能。

(1沈阳海德力诺机械有限公司辽宁省沈阳市 110000;2沈阳奥拓福科技股份有限公司辽宁省沈阳市 110000) 摘要：水射流技术凭仗高能级密度的纯水射流以及磨料混合射流，发挥水射流冲击、水楔等效应，完成对相关材料的除层、破碎以及切开等功能。由于冷态的水射流工艺处理材料的过程中不会出现积累热量，对基体资料无损伤，也不会对形成环境污染，在我国国民经济相关领域内已得到非常广泛得到应用，呈现了设备及管道的结垢物清洗，石材及钢板切开等非常熟练的水射流应用技术与配备。

关键字：超高压；水射流；切割技术及应用

1水射流基本理论研究概况

近年来，国外虽然在超高压水射流清洗使用方面己经适当成熟，但是因为影响水射流清洗效率的要素许多而且很复杂，许多要素之间彼此联络或者彼此限制，值得进一步的研讨以及分析。假如等效动态应力小于资料的耐久极限，则材料去除将不会出现。为了彻底了解腐蚀进程及由此发生的有用清洁，有必要了解打击到基体外表的水射流压力的大小以及分布。在喷嘴的出口处，射流速度是均匀的，但是射流一离开喷嘴就开端卷吸周围的介质并与其发作强烈的能量交流，射流的分散开端于射流外表并逐步向轴心开展，并在距喷嘴出口必定间隔内就形成了锥形等速流核区。射流中心核在冲击靶件外表时起了首要的冲击效果，明显，操控靶距巨细能有用的减小空气阻力的阻滞效果。

2水射流应用技术基础分析

2.1水射流应用基本参数及定性分析

详细的水射流使用主要由水射流的做功能力决定，主要是在于水射流的有用功率，也就是水射流的压力以及流量。压力是完成水射流详细使用方针的根本保障，水射流完成项目使用须满足必定的门限压;而由此水射流的流量就会越大，其工程的功率越是高。在详细的水射流使用中，不是单纯地只是追求某一种水射流参数的极限值，而是需要在实际的工程实践中以效果与功率的归纳方针下优化取得彼此适合的技术参数。

2.2水射流应用成套装备的共性技术

在以往，高压工况发生设备的主要型式是复式高压泵以及增压器为主。而复式高压泵的压力参数能够达到280~320MPa，其在和流量匹配后成则为250~500kW的大功率机组;后者压力参数掩盖250~600MPa，流量仅1~10L/min，而且机组的功率通常都不会超过90kW。对比而言，前者使用的场合会更多，牢靠的密封技能、泵头结构优化规划设计以及超高压材料的处理工艺等是其关键技能。

3超高压水射流切割机器人关键技术

水切割机器人工作站系统主要由超高压水发生装置（包括给水装置、相控式增压器等）、液压气动系统（推动增压器活塞往复运动）、切割头组件、切割头驱动机器人（包括机器人本体、控制柜）和工控机等。

3.1超高压水射流装置主泵机组的设计

超高压往复柱塞泵是其关键部件之一，该柱塞泵存在诸多问题，主要包括其排液阀阀板易卡死、泵头寿命短、柱塞加工难以及易发生泄露等技术问题的研究。天津市通洁高压泵制造有限公司自主研发了国内领先的275MPa，50L/min，250kW的大功率超高压往复柱塞泵及执行机构，是超高压水射流切割的理想动力源。

3.2水切割头的运动速度、水射流靶距及位姿的精确控制

天津职业技术师范大学机电工程研究所设计了一种便于操作和集成的具有充分柔性的水切割机器人系统，并根据水射流切割工艺的要求进行切割路径规划、运动参数优化。

3.3喷嘴耐磨材料的研究及喷嘴的结构优化设计

研制出具有优良性能的耐磨材料，以提高喷嘴寿命。改进其控制系统、开发全自动快换喷嘴以提高水射流设备自动化程度，优化喷嘴结构参数，提高水射流加工系统的可靠性。

4安全性分析

4.1 SDT过程的安全性分析

当水射流的头部刚刚接触到装药外表时，一旦射流速度达到某一临界值，装药的外表状态参数会发作骤变，并构成应力波以加快损坏，该应力波的效果可产生通常意义上的水锤压力。该进程被称为动态加载进程，即SDT进程。水锤压力的风险程度通常用碰击感度来衡量。碰击感度指在机械碰击效果下，装药发作焚烧或爆破的难易程度，可用落锤法测定。水锤压力对装药的影响，其总打击力包括磨料颗粒及水两部分的打击力之和。

4.2 LALDS过程的安全性分析

水锤压力效果于装药表面的继续时刻仅为微秒级，然后会敏捷衰减并根本稳定为滞止压力，跟着冲击效果的继续，便构成了准静态加载进程，即LALDS进程。与其相对应的冲击起爆转换为长继续脉冲时刻压力起爆，LALDS进程中滞止压力效果下的升温规模的风险阈值需求凭借热感度来衡量。热感度指火炸药在热效果下发作焚烧或爆破的难易程度，热起爆理论以为火炸药发作热爆破有一个临界温度，一旦超越，系统发生的热量就急剧添加，然后出现爆破，通常可用5s迸发点来表示。在长时刻压力效果下，含有磨料颗粒的射流与药柱触摸面会构成较大的继续压力，伴有热量发生、热门构成和升温改变，假如达到装药的迸发点，在理论上会引起热爆破。

5超高压水射流切割技术的应用领域

5.1工业制造

超高压水射流切割几乎适用于所有工业领域，用水射流切割碳纤维复合材料，各种坚硬的金属及非金属材料，或带有蜂窝结构的材料等。以汽车制造业为例，其中汽车内部装饰材料(如汽车地毯、仪表板、顶蓬等)的加工占水射流加工的40%，此外，还用于汽车后架、车轮罩和隔热材料等的切割。由于数控技术发展，因此，水射流切割很容易通过计算机实现自动控制，从而可切割各种曲线形状的工件。目前，国内外已安装了数千条水射流自动切割生产线，尤其是在航空航天、舰船、军工、核能等高、尖、难技术上更显优势，已可切割500多

余种材料，其设备增长率超过20%。

5.2安全减灾环保

高压水射流技术广泛应用于桥梁、水电工程等大量使用钢筋混凝土结构的部门，特别在煤炭、石油、化工、军工、核工业等自然条件恶劣、工作危险的部门应用，能高效作业，大大减轻工人劳动强度、改善劳动环境、降低和防止危险事故的发生。在地震抢险和灾后重建工作中，高压水射流喷雾降尘和切割混凝土结构等能够发挥重要作用。

5.3建筑物的切割或破碎

高压水射流可以按人们的意愿，在各种建筑物上切割、开孔、破碎。因此，可用于拆除旧建筑物，维修桥梁，开挖铺设电缆或煤气管道的沟槽，破碎马路等等。虽然理论上说超高压水切割可以切割任何材料，但在应用上还是有所侧重的。超高压水切割的用途主要有3个:一是切割非可燃性材料，如大理石、瓷砖、玻璃、水泥制品等材料，这是热切割无法加工的材料;二是切割可燃性材料，如钢板、塑料、布料、聚氨酯、木材、皮革、橡胶等，以往的热切割也可以加工这些材料，但容易产生燃烧区和毛刺，而水切割加工不会产生燃烧区和毛刺，被切割材料的物理、机械性能不发生改变，这也是水切割的一大优点;三是切割易燃易爆材料，如弹药和易燃易爆环境内的切割，这是其它加工方法无法取代的。

例如，我国对厚壁无缝钢管测定冷态除鳞(锈)实施的酸洗、磨削以及喷砂清除等工艺，其不仅会对环境产生很大的污染，而且效率也非常的低。但作业压力为40~70MPa的磨料水射流钢管冷态除鳞(锈)工艺却是除净率极高的，生产线作业方式效率能够充分满足实际工程应用要求，同时环保性也非常好。

总之，伴随着国家不断加大对环境保护的力度，超高压水射流技术正向着高效、多功能、智能化、精细化方向发展，其应用领域也随之越来越广泛。

参考文献：

[1]薛胜雄.高压水射流技术工程[M].合肥:合肥工业大学出版社，2006

[2]张成光，张勇，张飞虎，等.新型后混合式磨料水射流系统的研制[J].机械工程学报，2015