高壓水射流切割技術(shù)是近幾十年來(lái)發(fā)展起來(lái)的一項(xiàng)新技術(shù)，最早應(yīng)用于切割土砂、巖石和采掘煤炭，目前已成功應(yīng)用于采礦、冶金、航空、建筑、化工、醫(yī)學(xué)等領(lǐng)域。與其他加工工藝相比越來(lái)越顯示出其優(yōu)越性，而且磨料水射流的出現(xiàn)，大大提高了水射流切割能力，進(jìn)一步拓寬了水射流切割的應(yīng)用范圍［1］。水切割機(jī)就是利用加砂高壓水射流對(duì)材料進(jìn)行切割，屬于冷態(tài)切割，利用加砂高壓水射流的動(dòng)能對(duì)金屬進(jìn)行切削而達(dá)到切割目的，切割過(guò)程中無(wú)化學(xué)變化，具有對(duì)切割材質(zhì)理化性能無(wú)影響、無(wú)熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無(wú)污染等優(yōu)點(diǎn)。水切割機(jī)可切割幾乎任何材料，除了能加工常用的金屬材料，還可加工用傳統(tǒng)加工方法無(wú)法加工或難以加工的材料，如玻璃、陶瓷、復(fù)合材料等。目前，國(guó)內(nèi)外數(shù)控水切割機(jī)床的研究與制造已基本處于成熟階段，其應(yīng)用范圍涵蓋各個(gè)領(lǐng)域的材料切割。但在一些特殊場(chǎng)合，因水切割機(jī)床為固定設(shè)備，對(duì)無(wú)法搬運(yùn)的材料難以進(jìn)行切割加工，如采礦、消防搶救、防爆等領(lǐng)域。在已有研究基礎(chǔ)上［2－7］，作者對(duì)便攜式水切割機(jī)進(jìn)行相關(guān)研究，能對(duì)無(wú)法搬運(yùn)的材料進(jìn)行切割加工，并能適合于特殊場(chǎng)合，即煤礦井下操作。該水切割機(jī)采取液動(dòng)控制系統(tǒng)，整機(jī)操作不產(chǎn)生電火花或其他火花。
1 便攜式礦井用水切割機(jī)的總體方案研究首先，為了便于煤礦井下操作，能對(duì)無(wú)法搬運(yùn)的材料進(jìn)行切割加工，該水切割機(jī)需具備便攜式特點(diǎn)。為此，可將產(chǎn)生加砂高壓水射流的發(fā)生裝置及水刀安裝在可移動(dòng)機(jī)架 ( 以下稱機(jī)架) 上以滿足便攜要求，增壓后的高壓水和磨料同時(shí)從水刀口噴出即可對(duì)物料進(jìn)行切割加工。需要強(qiáng)調(diào)的是，為了保證切割效能，水刀口必須能上下左右及前后移動(dòng)并可在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。其次，為了煤礦井下的安全操作，在水切割操作過(guò)程中應(yīng)不產(chǎn)生電火花或其他火花。為此，該水切割機(jī)械應(yīng)避免使用傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，以機(jī)械控制或液動(dòng)控制系統(tǒng)為宜。
1. 1 便攜裝置的方案設(shè)計(jì)將產(chǎn)生加砂高壓水射流的發(fā)生裝置及水刀安裝在可動(dòng)機(jī)架上以滿足便攜要求。在機(jī)架底部安裝 4 只萬(wàn)向輪，使機(jī)架可在地面上移動(dòng)便實(shí)現(xiàn)了便攜的要求。
在使用時(shí)，當(dāng)便攜裝置到達(dá)指定位置時(shí)可將其以一定的方式固定。在機(jī)架上按照傳統(tǒng)方式固定安裝產(chǎn)生加砂高壓水射流的機(jī)械裝備，而將水刀底座 ( 見(jiàn)圖 1)的安裝支座固定安裝在傳統(tǒng)的三坐標(biāo)可移動(dòng)平臺(tái)上，并將水刀安裝在水刀底座上。三坐標(biāo)可移動(dòng)平臺(tái)實(shí)現(xiàn)上下左右及前后移動(dòng)，水刀在水刀底座上一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)。因三坐標(biāo)可移動(dòng)平臺(tái)為傳統(tǒng)的機(jī)械設(shè)計(jì)
1. 2 基于安全考慮的液動(dòng)控制系統(tǒng)方案設(shè)計(jì)目前在用的數(shù)控水切割機(jī)床控制系統(tǒng)均為電氣控制方式，通過(guò)電控元件實(shí)現(xiàn)對(duì)水切割機(jī)床的控制。在通常加工情況下，該控制系統(tǒng)具有極大的優(yōu)越性。但是在特殊場(chǎng)合，若存在易燃、易爆危險(xiǎn)傾向情況下，電氣控制系統(tǒng)具有產(chǎn)生電火花的風(fēng)險(xiǎn)?；诿旱V井下的安全操作，在水切割操作過(guò)程中應(yīng)不產(chǎn)生電火花或其他火花，避免使用傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，擬采用液動(dòng)控制方式加以解決，利用液動(dòng)力控制產(chǎn)生連續(xù)高壓水射流裝置的換向閥。該液動(dòng)控制系統(tǒng)是便攜式礦井用水切割機(jī)的核心部分，在下節(jié)中詳細(xì)介紹。2 高壓水射流發(fā)生裝置及其液動(dòng)控制系統(tǒng)
2. 1 高壓水射流發(fā)生裝置的動(dòng)力輸入水切割刀具所接的連續(xù)加砂高壓水射流發(fā)生裝置的機(jī)械部分為傳統(tǒng)設(shè)計(jì)。為滿足便攜式要求，液壓泵和水泵的動(dòng)力為內(nèi)燃機(jī)。從安全角度考慮，必須滅除內(nèi)燃機(jī)廢氣排放時(shí)所夾雜的火花。在裝置使用時(shí)，可將內(nèi)燃機(jī)廢氣排放口插入專用水箱內(nèi)使其被滅除。
2. 2 高壓水射流發(fā)生裝置及其液動(dòng)控制系統(tǒng)圖 2 為高壓水射流發(fā)生裝置的液動(dòng)控制系統(tǒng)。雙作用增壓缸 26 是產(chǎn)生高壓水射流的核心部件，該部件的內(nèi)部空腔被活塞分割為水腔和油腔，和水腔相連接的系統(tǒng)介質(zhì)為相對(duì)潔凈的水并構(gòu)成高壓水系統(tǒng)，和油腔相連接的系統(tǒng)介質(zhì)為液壓油并構(gòu)成液壓傳動(dòng)和控制系統(tǒng)。其工作原理是: 啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)液壓泵 4 工作，液控?fù)Q向閥 9 左位接入，液壓油經(jīng)單向閥 10 進(jìn)入雙作用增壓缸 26 左油腔并推動(dòng)活塞向右運(yùn)動(dòng)，增壓缸右油腔的油液經(jīng)調(diào)速閥 12 回油箱，活塞向右運(yùn)動(dòng)速度由調(diào)速閥 12 調(diào)定。與此同時(shí)，啟動(dòng)內(nèi)燃機(jī)水泵 22工作，當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)時(shí)，增壓缸左水腔負(fù)壓吸水并由水泵提供，增壓缸右水腔產(chǎn)生高壓水經(jīng)單向閥 19壓出進(jìn)入水切割系統(tǒng)。當(dāng)活塞向右運(yùn)動(dòng)壓到頂桿柱塞閥時(shí)，頂桿柱塞閥中的高黏度液壓油經(jīng)油管 16 使液控?fù)Q向閥 8 因右位的液動(dòng)力而換位使其右位接入，液壓泵提供的液控油經(jīng)減壓閥 5 減壓后接入液控?fù)Q向閥 9 右位并推動(dòng)其換位使其右位接入，這時(shí)液壓泵提供的壓力油經(jīng)單向閥 13 進(jìn)入增壓缸右油腔并推動(dòng)活塞向左運(yùn)動(dòng)，增壓缸左油腔的油液經(jīng)調(diào)速閥 11 回油箱，活塞向左運(yùn)動(dòng)速度由調(diào)速閥 11 調(diào)定。增壓缸右水腔負(fù)壓吸水并由水泵提供，增壓缸左水腔產(chǎn)生高壓水經(jīng)單向閥 18 壓出進(jìn)入水切割系統(tǒng)。當(dāng)活塞向左運(yùn)動(dòng)壓到頂桿柱塞閥 14 時(shí)，頂桿柱塞閥中的高黏度液壓油經(jīng)油管 17 使液控?fù)Q向閥 8 左位接入，液控油經(jīng)減壓閥 5 減壓后接入液控?fù)Q向閥 9 左位并推動(dòng)其換位使其左位接入，如此循環(huán)往復(fù)產(chǎn)生的高壓水則可連續(xù)供給水切割系統(tǒng)。水切割系統(tǒng)由水刀、蓄能器 23、先導(dǎo)式溢流閥25 等構(gòu)成。為了保證水切割系統(tǒng)的壓力穩(wěn)定，蓄能器則是必不可少的關(guān)鍵元件之一。液動(dòng)控制系統(tǒng)是礦井用水切割機(jī)安全保證的關(guān)鍵因素。由液控?fù)Q向閥、頂桿柱塞閥及減壓回路等構(gòu)成的液動(dòng)控制系統(tǒng)使雙作用增壓缸往復(fù)運(yùn)動(dòng)從而產(chǎn)生連續(xù)的高壓水。
3 結(jié)束語(yǔ)
在煤礦井下進(jìn)行水切割操作必須滿足便攜、安全等使用要求。將內(nèi)燃機(jī)安裝在可動(dòng)機(jī)架上即可輕易實(shí)現(xiàn)便攜功能。在可動(dòng)機(jī)架上安裝的三坐標(biāo)可動(dòng)裝置則可滿足水刀底座的三維平動(dòng)，加上水刀底座在一定角度范圍內(nèi)轉(zhuǎn)動(dòng)，即可滿足水切割的基本操作。
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