文章编号:󰀁1005󰀂0329(2009)04󰀂0033󰀂05

技术综述

超高压水射流设备的关键技术

薛胜雄1,齐永健2

(1.合肥通用机械研究院,安徽合肥󰀁230088;2.天津通洁高压泵制造有限公司,天津󰀁300385)

摘󰀁要:󰀁超高压、大功率、自动化和成套性这四大特点已经成为超高压水射流技术应用的先进标志,笔者围绕这四点研

发产品,取得了以下定量成果:主泵机组最高工作压力275MPa,最大配带柴油机功率为400kW;对柴油机组动力采用

PLC全自动控制、对电动机组采用变频器自动控制;针对不同的泵机组匹配功能各异的周边设备。上述功能的组合,构

成了具备当今国际先进水平的高压水射流成套设备。本文综合介绍这一系列产品的关键技术及其技术成果,为将我国

此类产品水平提高到一个崭新阶段提供技术参考。

关键词:󰀁超高压;水射流;技术应用

中图分类号:󰀁TB75󰀁󰀁󰀁󰀁文献标识码:󰀁A

KeyTechnologyoftheUltraHighPressureWaterJetEquipment

XUESheng󰀁xiong1,QIYong󰀁jian2

(1.HefeiGeneralMachineryResearchInstitut,Hefei230088,China;

2.TianjinTongjieHighPressurePumpManufacturingLtd.,Tianjin300385,China)

Abstract:󰀁Fourmainfeatures,Ultrahighpressure,highpowerautomationandassembly,havebeentheadvancdemarkofultra

highpressurewaterjettechniqueqpplication.Thetextconcludesthefollowingachievementsaboutthefourmainfeatures:the

maximumworkingpressureofhighpressurepumpunitis275MPa,themaximumpowerofthedieselis400kW;PLCfullautomatic

controlisusedforthedieselunit,andthetransducercontrolisusedforthemotorunit;theancillaryequipmentwithdifferentfunc󰀁

tionsareequipped.Assemblingabovefactorscanformtheinternationaladvancedhighpressurewaterjetequipment.Thetextex󰀁

plainstheuniquetechniqueachievementsoftheseequipments,andpreparesthetechniqueconclusionofhighpressurewaterjete󰀁

quipmentdevelopment.

Keywords:󰀁ultrahighpressure;waterjet;techniqueapplication

1󰀁前言

在每年的国际性高压水射流技术会议上,超

高压、大功率、自动化和成套性已成为专家论文和

企业产品的共性特点,这是因为水射流技术的应

用已经转向到高难度、高效率的工程应用,它面对

的不再是一般的工业清洗,而是坚硬异常、壁厚达

到100mm的氧化铝业管道结疤、超大面积的船舶

除锈、大型桥梁、公路的混凝土破碎工程、铁路货

车复杂表面除锈生产流水线等等[1],应对这些工程,以超高压实现功能,以大流量实现效率,期待

着水射流技术的量变引发质变。与此同时,这种

变化带来的不但是高投入、高效率,而且带来了安

全性与执行机构的问题:大功率机组必须要具备

较高的自动化控制水平,因水射流反冲力必须由

专门的执行机构强制其运动;同时,由于被作业工

件的复杂形状又往往要求执行机构的自动化控

制,即执行机构向机器人转变。也就是说:这四大

特点综合在一套设备上就引发了完全不同意义的

先进技术水平,由此,将水射流设备的技术水平提收稿日期:󰀁2009-01-12修稿日期:󰀁2009-02-10332009年第37卷第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁流󰀁体󰀁机󰀁械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁高到一个崭新阶段。同时,水射流技术的应用也

推进到了工程机械的层面。本文根据笔者近几年

研发超高压水射流设备的实践,从超高压水射流

设备的技术参数与型谱、超高压泵液力端、自动化

控制、执行机构等方面综合介绍其关键技术及其

技术成果。

2󰀁技术参数与型谱

水射流做功的能力取决于其有效功率,可表

示为[2]:

Pe pqv(1)

式中󰀁Pe󰀂󰀂󰀂有效功率,kW

p󰀂󰀂󰀂射流压力,MPa

qv󰀂󰀂󰀂体积流量,L/min

射流打击力:

F=14󰀁d2p(2)

式中󰀁F󰀂󰀂󰀂射流打击力,N

d󰀂󰀂󰀂喷嘴直径,mm

由此可见,做功的能力(无论是pe还是F)总

是与压力、流量成正比,即压力和流量的乘积是水

射流做功的标志。压力和流量两个参数的作用是

互补的,但又不能替代,不能偏废。也就是说,对

于某一特定作业目标,必须要有一定的射流压力,

在此基础上,流量越大作业效率显然越高。

然而,射流功率的增加将会极大地增加机组

成本,射流压力的大幅度提高又会极大地降低机

组的运行可靠性。即提高压力,是保证水射流作

业的能力;提高流量,是保证水射流作业的效率,

然而,提高机组功率,势必造成泵造价的大幅度提

高,对泵的运行可靠性要求也随之提高。

表1󰀁超高压泵机组基本参数序号

型号压力

(MPa)流量

(L/min)功率

(kW)1900型14030120,道依茨

2900型707090,电动33D3Q-S型10080170,斯太尔

4250TJ3型25050298,康明斯5200TJ3型27530204,斯太尔

65D1-S型(五柱塞泵)130140375,康明斯73DS-2型2013560,道依茨

8200TJ3型14060160,电动9K2500-S型7535图1󰀁高压清洗机型谱

为了应对高难度工业清洗、表面预处理、破

岩、深度铝孔和下水道清洗等市场需求,笔者开发

了9种高压泵机组,由于大功率机组的应用机动

性特点,它们多为柴油机驱动。表1为这9种泵

机组技术参数。表1中的3、4

、5、6、8项为超高压

应用的典型产品,它们大多填补了国内高压泵产

品空白,在高压清洗机型谱上占据着新的位置

(如图1所示)。

由图1可以看到,序号5填补了标准空白,序

号4和6填补了国内现有产品空白,序号8与3

为国内现有产品高端,序号9也超高了标准型谱。

5种泵的型谱范围基本上超出了现有产品范围。

3󰀁超高压泵液力端

高压泵是水射流技术得以实现的基础,占整

套机组投资比例的绝大部分,必须引起重视;而液

力端又是高压泵的心脏,尤其对超高压泵而言,液

力端可以说是重中之重。开发这类产品,实质上

就是研究液力端。

液力端的技术关键主要有以下几个方面:

(1)结构与参数设计;

(2)材料及其工艺;

(3)相关设计,如与动力端和各类阀的连接、

进出口系统设计等。

液力端的参数设计是与动力端密切相关的,即由泵的往复次数n、行程s决定的柱塞平均速度

Um。34󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁FLUIDMACHINERY󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁Vol󰀂37,No󰀂4,2009传统意义上的Um=0.15[2],目前的产品都已

远远超出这一限度。尽管超高压泵的往复次数n

已在300~400r/min(传统要求在100r/min左

右),但比起一般高压泵还是低得多。

增压器之所以可以用在更高压力,就是因为

其往复次数n一般都在100r/min以下甚至更低,

且s行程较大,由此产生的压力严重脉动使机组

功率受到很大限制。因此,工程意义上的超高压

泵必须选择三柱塞泵形式。

尽管泵的参数范围变化很大,但是好的液力

端型式确实可以做成系列化产品的。图2所示是笔者设计的在超高压领域通用的液力端结构。

图2󰀁液力端结构示意

这种液力端的设计原则是[3]:每一个缸自成

独立单元,易装拆、易定位、行程较长、便于密封和

适应较高泵速。该液力端只需断开与动力端螺纹

连接,取下压块与机身连接的4只螺栓就可整体

从泵上取下。其高压缸由内嵌双层缸套组成,单

孔经可压缩套筒不存在交叉孔的危害,不承受缸

体拉伸应力,而这两点是导致缸体失效的主要因

素。

液力端要保证精密加工、公差准确、密封填料

函同样形成径向压力、单孔设计的特点,消除了交

叉孔和填料函的张应力,保证填料函长期工作不

被损坏。填料配置不可调整、弹簧预载,可配合使

用V型、平面型或平面V型密封圈以承受高压脉

动;柱塞采用不锈钢材料,表面喷涂处理硬度达到

H60Rc,而超高压柱塞则特别采用WC材料,表面

光洁度为8󰀂m,将大大有利于延长填料寿命。

组合阀组是该液力端的特色,只采用一只弹

簧、径向挤压内部液体,即可完成进排液功能,有

效降低了弹簧损坏的概率。进出水阀组呈水平布置,出水阀芯又是进水阀芯的导向,吸入与排出通道同置于压块上。这一设计极大地减小了各接触

面的径向尺寸,尽可能采用端面静密封形成超高

压内腔。进出水阀刚性搭接形成了强制选择吸、

排功能的特点,克服了吸、排液某一功能滞后的缺

点。显然,这种组合阀的加工,及其与阀座的偶配

都是要求非常精密的。

柱塞与动力端为快速连接,泵的各类阀和仪

表配置都集结在压块上,即将径向孔危害全部分

离出去。为了应对应力集中,必须对交叉孔相贯

线做精细磨圆处理。

由于尽可能减小径向尺寸,这种液力端的设

计不太适合高压大流量泵。它的超高压设计特点

满足了工程流量在100L/min以内的要求。表1

序号6的泵流量达到130L/min以上,功率

400kW,则由5个此类液力端并联构成了五柱塞

泵,达到了3140MPa的超高工作压力要求。

4󰀁自动化控制

4.1󰀁气动控制

气动控制的特点是以低压控制超高压,与液

压控制相比较,气动控制结构简单,不存在跑冒滴

漏和沉重软管拖动问题,是超高压水射流执行机

构常用的方法。

下面介绍的是一台大泵通过气动控制既可以

带一支喷枪作业,也可以带两支喷枪作业,极大地

提高了作业效率。图3所示为双枪气动控制原理

图。泵的左端出口连接一只喷枪作业,它直接控

制喷枪溢流阀;当需要两支喷枪作业时,泵的右端

并联带动两支枪,由于气动控制阀的作用,两支枪

的截止与溢流都是独立的,它们相互毫无影响,因

此,这一功能特别适应于不在同一工位的清洗作

业。

4.2󰀁可编程控制器控制

可编程控制器控制(PLC)控制适用于柴油机

和电机驱动的泵机组。

在触摸屏上设置高压出水压力,PLC根据柴

油机的发电机输出电压频率可算出柴油机的转

速,泵头出水口处高压水传感器把出水压力信号

回馈到PLC,PLC发出信号给电动推杆推动油门

摆臂,使油门稳定于某一合适位置,此时压力达到

设定压力。

不使用喷枪时,系统自动使柴油机回到待速

状态。352009年第37卷第4期󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁流󰀁体󰀁机󰀁械󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁󰀁