前言
纖維水泥板的成形主要是通過抄取或流漿工藝將料漿小料層帶到成型筒表面，料層形成一定厚度后再分離為板坯。板坯在輸送帶帶動下移動，經(jīng)周邊切割后進(jìn)行養(yǎng)護(hù)，養(yǎng)護(hù)完成后再進(jìn)行周邊及表面深加工而形成成品板材。纖維水泥板板材周邊切割的好壞直接影響成品的質(zhì)量，好的切割方式是保證質(zhì)量的重要一環(huán)。在實際生產(chǎn)過程中通常采用的是刀切割和水切割二種工藝，二者各有優(yōu)點(diǎn)，刀切割簡單可靠，費(fèi)用低，但存在安全隱患，且噪音大;水切割能夠彌補(bǔ)刀切割的不足。目前，在水切割技術(shù)應(yīng)用逐漸成熟的前提下綜合考慮認(rèn)為，水切割技術(shù)優(yōu)于刀切割技術(shù)。
本研究在原有30MPa和50MPa成熟切割技術(shù)的基礎(chǔ)上，研制了100MPa高壓水切割機(jī)，該機(jī)目前已使用到年產(chǎn)800萬mz纖維水泥板生產(chǎn)線上。隨著纖維水泥板生產(chǎn)技術(shù)的成熟和產(chǎn)量的提高以及板材厚度要求的增加，高壓水切割機(jī)有著良好的市場發(fā)展前景。
1.高壓水切割的工作原理
高壓水射流技術(shù)的主要參數(shù)是噴嘴出口水的壓力、噴嘴孔徑、板坯移動速度及板坯的厚度和材料密度。為了節(jié)約用電和用水，噴嘴的孔徑不能太大，但孔徑太小，高壓水在離開噴嘴瞬間就會發(fā)生霧化，達(dá)不到切割板材的目的，故噴嘴孔徑的選擇是高壓水射流設(shè)計的重要一步。流量計算最簡單的公式是:流量=截面積x水流速度，截面積與噴嘴直徑成平方關(guān)系。高壓水電機(jī)功率的計算是個復(fù)雜的過程，在實際運(yùn)用中我們只能簡化進(jìn)行，完整細(xì)致的計算也只能是個參考。圖1為一個完整的運(yùn)用于纖維水泥板高壓水切割的液壓系統(tǒng)原理圖?？紤]到噴嘴直徑小，在理想狀態(tài)下可以忽略管道水流量計算，最基本的計算可以控制油壓系統(tǒng)的壓力，需考慮噴頭一旦堵塞時控制好高壓水的壓力，保證整個系統(tǒng)的自身安全。
高壓水射流控制系統(tǒng)流程為:油泵加壓、電磁換向閥、高壓水增壓器、高壓蓄能器、高壓水換向閥、高壓水噴嘴、板材切割。
增壓器是一種連續(xù)產(chǎn)生高壓水的裝置，通過增壓器柱塞的往復(fù)運(yùn)動及單向閥的作用，具有一定壓力的自來水被吸入增壓器的增壓腔，柱塞的移動將液體水的壓力按增壓器增壓比進(jìn)行增壓。由于是連續(xù)增壓，高壓水在柱塞換向時會發(fā)生壓力波動，波動范圍與噴嘴的直徑及油壓系統(tǒng)的特性有關(guān)，電機(jī)功率富余大，噴嘴孔徑小，系統(tǒng)密封好，壓力波動會相應(yīng)減小，一般在增壓器換向時高壓水壓力可波動40-50%，在設(shè)備使用過程中一旦壓力波動范圍過
大，會給產(chǎn)品質(zhì)量造成很大的負(fù)面影響，減小系統(tǒng)波動是穩(wěn)定高壓水及高壓水切割的必要條件。目前，隨著各行業(yè)技術(shù)水平的提高，高壓蓄能器的使用越來越普及，產(chǎn)品質(zhì)量也有保證，合理選用高壓蓄能器是能夠很好解決這一難題的。
2.高壓水切割技術(shù)參數(shù)
2.1油路
電機(jī):Y160M-4
油泵:齒輪泵CBG2040
額定壓力:P=16MPa
電機(jī)功率:N=11kW
最大工作壓力:P=9MPa
公稱流量:Q=40mL/r
2.2增壓器
流量:Q=58L/min
增壓器:增壓比K理論=14,K實際=11
工作行程:S=230
最大工作油壓:Pmax=9MPa
油缸內(nèi)徑:D=150
水缸內(nèi)徑:d=41
柱塞直徑:d=40
工作水壓:Pmax=100MPa
2.3蓄能器
型號:4AT100-4-2-32-787
工作壓力:P=690bar
保護(hù)壓力:P1=1035bar
安全壓力:P2=2760bar
容積:V=2L
一臺完好的高壓水切割機(jī)必須保證項目三個要素:①使用效率高;②使用故障率低;③使用費(fèi)用低。
3.高壓水技術(shù)的運(yùn)用
圖2為纖維水泥板生產(chǎn)線高壓水切割應(yīng)用的典型設(shè)計方式，將高壓水切割機(jī)與接坯輸送機(jī)、移坯機(jī)布置在一起，接坯輸送機(jī)完成板坯的縱向輸送和縱向切割，移坯機(jī)則完成板坯的橫向移動和橫向切割，纖維水泥板的優(yōu)等品標(biāo)準(zhǔn)長寬允許誤差為正負(fù)2mm，切割尺寸的控制是成品板材質(zhì)量好壞的重要指標(biāo)，要得到理想的產(chǎn)品必須注意以下六個方面的問題。
3.1設(shè)備的平穩(wěn)運(yùn)行
接坯輸送機(jī)在輸送板坯時表面要保持平直，輸送帶不發(fā)生偏移;橫移機(jī)吸盤在移動過程中要保持吸盤平穩(wěn)，導(dǎo)軌導(dǎo)向準(zhǔn)確。
3.2高壓水工作壓力
事實證明，板材周邊切割質(zhì)量的好壞與高壓水的壓力有直接關(guān)系，噴嘴出口水壓力越高板材切割邊就越整齊，要保證出水口的壓力，密封件質(zhì)量是關(guān)鍵，管路系統(tǒng)不得有泄露現(xiàn)象。3.3噴嘴質(zhì)量
噴嘴質(zhì)量好，制作精良，則切割效果好，其使用壽命也長。
3.4切割速度
切割速度慢，則切割質(zhì)量好，但會導(dǎo)致使用成本的提高，生產(chǎn)線產(chǎn)量的降低。
3.5噴嘴運(yùn)行
板材方向與面的夾角也有一定的關(guān)系，在實際使用過程中，噴嘴運(yùn)行方向與板材表面要保持一定角度，系統(tǒng)切割速度越高其夾角就越小，一般保持在80°-85°之間可滿足要求。
3.6噴嘴出口水壓
噴嘴出口直徑按0.3mm考慮，假設(shè)管路有一小段水柱，橫截面積為S，長度為H，則它的體積為V=HxS，質(zhì)量為M=VxP(P為密度)，全過程按動量守恒定律:壓力FxT=MxV，其中T為時間，而T=H/V，所以，V=F/(SxP)，即當(dāng)噴嘴出口壓力為50MPa時，理論出口水射流速V=4.1 x 104m/s，當(dāng)噴嘴出口壓力為80MPa時，出口理論水射流速V=5.2x 104m/s。很明顯，噴嘴出口射流速度與噴嘴直徑有關(guān)，噴嘴直徑越小出口流速越大，出口壓力越大則射流速度越快。
綜合分析上述六個方面認(rèn)為，保證水壓運(yùn)行平穩(wěn)及提高噴嘴質(zhì)量是最主要的因素。因高壓水工作壓力和切割速度成相反關(guān)系，故在實際使用過程中要重點(diǎn)注意工作壓力與切割速度二個參數(shù)的選擇與設(shè)計。實踐表明，切割速度控制在25-35m/min為宜，可兼顧生產(chǎn)線產(chǎn)量和產(chǎn)品質(zhì)量及設(shè)備使用成本三者之間的關(guān)系。
4.高壓水切割技術(shù)關(guān)鍵
高壓水切割機(jī)技術(shù)具有系統(tǒng)壓力高、縱橫切換向頻繁、需要連續(xù)射流及噴嘴孔徑小的特點(diǎn)，因此，對設(shè)備相關(guān)零部件的設(shè)計和加工質(zhì)量有很高的要求。
高壓水發(fā)生裝置示意圖見圖3。
4.1噴嘴
噴嘴是高壓水射流設(shè)備的核心元件，壓力一定時，噴嘴直徑越大射流沖擊力也越大，但噴嘴直徑的增大會導(dǎo)致破壞面的加大，需要的能量消耗也越大，也就失去了高壓水射流的優(yōu)勢，因而，高壓水射流的噴嘴直徑都比較小。圓錐型噴嘴具有射流集中、擴(kuò)散角小、無回流等特點(diǎn)適合纖維水泥板的切害。影響射流沖擊壓力的主要因素是射流壓力、射流流量、噴嘴的移動速度(切割速度)及噴嘴到板材表面的距離，對干坯切割由于需要采用磨料水射流增加了設(shè)備的難度及使用的成本，所以，高壓水射流在干坯工業(yè)化生產(chǎn)線上的應(yīng)用不是很普遍。
為了達(dá)到更好的切割質(zhì)量，使板材邊緣沒有突出的鋸齒線、無毛刺和外形整齊，高壓水射流和大孔徑噴嘴(增加流量)是必要的，這兩種方式都可以增加切割效果。切割力越大，水射流切割系統(tǒng)就更高效，但過高的壓力通常會帶來較高的投資和運(yùn)營成本。因此，我們必須在成本效益分析的基礎(chǔ)上確定需要的水射流最佳壓力和切割速度。實踐證明，30MPa高壓水射流可以滿足切割厚5-10mm板材，年產(chǎn)量150萬m2的需要，如要進(jìn)一步提高產(chǎn)量和質(zhì)量就要提高切割系統(tǒng)的壓力。近年來，隨著加工及配套技術(shù)的成熟，液壓系統(tǒng)的設(shè)計及制造水平的提高，在纖維水泥板的切割中，100MPa高壓水切割成為可能。
4.2增壓器
自來水經(jīng)過濾器過濾之后，由油壓系統(tǒng)進(jìn)行增壓進(jìn)入增壓器兩端的高壓缸內(nèi)。當(dāng)油壓系統(tǒng)往復(fù)運(yùn)動時，一端高壓缸通過進(jìn)水單向閥進(jìn)水，另一端高壓缸的水被推出，經(jīng)過出水單向閥進(jìn)入高壓管路。如此反復(fù)，在兩端的高壓缸中交替進(jìn)行，形成源源不斷的高壓水射流。由于存在增壓器換向周期，輸出水流的壓力形成周期性波動。因此，高壓水流需經(jīng)高壓蓄能器進(jìn)行穩(wěn)壓，通過高壓管輸送到噴頭。掉壓發(fā)生在增壓器柱塞換向的瞬間，柱塞在加壓過程中突然換向，高壓水就失去了動量，加壓腔變?yōu)闊o壓狀態(tài)，此時，蓄能器釋放能量將單向閥關(guān)閉，由于噴嘴孔徑很小射流的能量完全由蓄能器供給，當(dāng)增壓器柱塞換向完成后依靠增壓器產(chǎn)生的壓力抵消蓄能器的釋放壓力，增壓器另一側(cè)單向閥打開，此時壓力繼續(xù)上升，蓄能器處于加壓蓄能狀態(tài)，當(dāng)增壓器產(chǎn)生的壓力與蓄能器的壓力持平時，系統(tǒng)壓力維持平衡，壓力沒有波動，繼續(xù)提供系統(tǒng)所需的高壓水。為了節(jié)約運(yùn)行成本，在生產(chǎn)過程中不要設(shè)置壓力一直在高壓段，纖維水泥板在切割后還需要磨邊和倒角，過高要求水切割邊的質(zhì)量會增加加工成本。
4.3高壓水過濾器
由于噴嘴的出水口徑通常都很小，在日常使用過程中高壓水通過噴嘴時不免有自來水的雜質(zhì)以及設(shè)備在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中的磨損物質(zhì)將噴嘴堵死，嚴(yán)重影響設(shè)備的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，經(jīng)常需要停止設(shè)備進(jìn)行檢修。在噴嘴的前部設(shè)置高壓水過濾器，結(jié)構(gòu)如噴頭組件(圖4)所示，能有效的解決噴嘴容易堵死的問題。
4.4高壓蓄能器
可采用活塞式蓄能器，其使用壽命長，安裝使用方便，安全可靠，一次充氣可有效使用3}5年，對系統(tǒng)的水壓穩(wěn)定有很好的效果。100MPa高壓水切割機(jī)設(shè)計壓力為100MPa，綜合使用情況，可以考慮系統(tǒng)最低水壓為60MPa，系統(tǒng)充氣壓力為(0.8-0.9 )x60MPa，即48-54MPa } 100MP高壓蓄能器能確保切割壓力的穩(wěn)定性，使系統(tǒng)更加安全，效率更高，并使系統(tǒng)能耗得到降低。
4.5連續(xù)水射流
為了滿足高產(chǎn)生產(chǎn)線板坯的切割需求，使水射流連續(xù)是必須采取的措施。
4.6高壓換向閥
高壓換向閥的設(shè)計和使用可使縱橫切方式的轉(zhuǎn)換變得容易實施，切割節(jié)奏容易得到控制。
4.7設(shè)備調(diào)試
由于高壓水切割水壓系統(tǒng)是屬于超高壓，因而應(yīng)把使用安全放在第一位。設(shè)備現(xiàn)場安裝完成后要仔細(xì)檢查各個部件是否安裝到位，高壓水管路是否連接正確，接頭焊接是否規(guī)范。檢查紅寶石噴嘴的安裝是否正確，要注意安裝時用力不要過大，以防寶石破損影響使用。開機(jī)前要調(diào)整油壓系統(tǒng)溢流閥，使系統(tǒng)處于無壓狀態(tài)，開機(jī)后逐步調(diào)整油壓系統(tǒng)，使壓力保持在5MPa。檢查水壓及油壓系統(tǒng)是否有滲漏現(xiàn)象;檢查高壓水換向閥是否換向靈敏且無漏水現(xiàn)象;觀察高壓水在增壓器換向時壓力表指針波動是否在正常范圍，如果過大就要檢查蓄能器的充氣壓力是否滿足生產(chǎn)需要和相關(guān)密封;系統(tǒng)使用正常后可逐步調(diào)高油壓系統(tǒng)壓力，最終使水壓系統(tǒng)壓力穩(wěn)定在100MPa以下。
5.結(jié)論
實踐證明，100MPa高壓水射流技術(shù)應(yīng)用到纖維水泥板的切割是可行的，有效的。該技術(shù)不僅環(huán)保而且安全，更有利于保障纖維板材后面的加工工序，如磨邊和倒角加工的質(zhì)量。
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