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100MPa高压水切割机原理及应用
来源: 时间:2021-05-12 浏览:212
介绍了高压水切割机的原理及其应用,对设备调试方法和有关参数的设定进行了说明、

前言

      纤维水泥板的成形主要是通过抄取或流浆工艺将料浆小料层带到成型筒表面,料层形成一定厚度后再分离为板坯。板坯在输送带带动下移动,经周边切割后进行养护,养护完成后再进行周边及表面深加工而形成成品板材。纤维水泥板板材周边切割的好坏直接影响成品的质量,好的切割方式是保证质量的重要一环。在实际生产过程中通常采用的是刀切割和水切割二种工艺,二者各有优点,刀切割简单可靠,费用低,但存在安全隐患,且噪音大;水切割能够弥补刀切割的不足。目前,在水切割技术应用逐渐成熟的前提下综合考虑认为,水切割技术优于刀切割技术。

      本研究在原有30MPa50MPa成熟切割技术的基础上,研制了100MPa高压水切割机,该机目前已使用到年产800mz纤维水泥板生产线上。随着纤维水泥板生产技术的成熟和产量的提高以及板材厚度要求的增加,高压水切割机有着良好的市场发展前景。


1.高压水切割的工作原理

       高压水射流技术的主要参数是喷嘴出口水的压力、喷嘴孔径、板坯移动速度及板坯的厚度和材料密度。为了节约用电和用水,喷嘴的孔径不能太大,但孔径太小,高压水在离开喷嘴瞬间就会发生雾化,达不到切割板材的目的,故喷嘴孔径的选择是高压水射流设计的重要一步。流量计算最简单的公式是:流量=截面积x水流速度,截面积与喷嘴直径成平方关系。高压水电机功率的计算是个复杂的过程,在实际运用中我们只能简化进行,完整细致的计算也只能是个参考。图1为一个完整的运用于纤维水泥板高压水切割的液压系统原理图。考虑到喷嘴直径小,在理想状态下可以忽略管道水流量计算,最基本的计算可以控制油压系统的压力,需考虑喷头一旦堵塞时控制好高压水的压力,保证整个系统的自身安全


       高压水射流控制系统流程为:油泵加压、电磁换向阀、高压水增压器、高压蓄能器、高压水换向阀、高压水喷嘴、板材切割。

       增压器是一种连续产生高压水的装置,通过增压器柱塞的往复运动及单向阀的作用,具有一定压力的自来水被吸入增压器的增压腔,柱塞的移动将液体水的压力按增压器增压比进行增压。由于是连续增压,高压水在柱塞换向时会发生压力波动,波动范围与喷嘴的直径及油压系统的特性有关,电机功率富余大,喷嘴孔径小,系统密封好,压力波动会相应减小,一般在增压器换向时高压水压力可波动40-50%,在设备使用过程中一旦压力波动范围过

大,会给产品质量造成很大的负面影响,减小系统波动是稳定高压水及高压水切割的必要条件。目前,随着各行业技术水平的提高,高压蓄能器的使用越来越普及,产品质量也有保证,合理选用高压蓄能器是能够很好解决这一难题的。

2.高压水切割技术参数

2.1油路

    电机:Y160M-4

    油泵:齿轮泵CBG2040

    额定压力:P=16MPa

    电机功率:N=11kW

    最大工作压力:P=9MPa

    公称流量:Q=40mL/r

2.2增压器

    流量:Q=58L/min

    增压器:增压比K理论=14,K实际=11

    工作行程:S=230

    最大工作油压:Pmax=9MPa

    油缸内径:D=150

    水缸内径:d=41

    柱塞直径:d=40

    工作水压:Pmax=100MPa

2.3蓄能器

    型号:4AT100-4-2-32-787

    工作压力:P=690bar

    保护压力:P1=1035bar

    安全压力:P2=2760bar

    容积:V=2L

      一台完好的高压水切割机必须保证项目三个要素:①使用效率高;②使用故障率低;③使用费用低。

3.高压水技术的运用

 图2为纤维水泥板生产线高压水切割应用的典型设计方式,将高压水切割机与接坯输送机、移坯机布置在一起,接坯输送机完成板坯的纵向输送和纵向切割,移坯机则完成板坯的横向移动和横向切割,纤维水泥板的优等品标准长宽允许误差为正负2mm,切割尺寸的控制是成品板材质量好坏的重要指标,要得到理想的产品必须注意以下六个方面的问题。


3.1设备的平稳运行

接坯输送机在输送板坯时表面要保持平直,输送带不发生偏移;横移机吸盘在移动过程中要保持吸盘平稳,导轨导向准确。

3.2高压水工作压力

事实证明,板材周边切割质量的好坏与高压水的压力有直接关系,喷嘴出口水压力越高板材切割边就越整齐,要保证出水口的压力,密封件质量是关键,管路系统不得有泄露现象。3.3喷嘴质量

喷嘴质量好,制作精良,则切割效果好,其使用寿命也长。

3.4切割速度

 切割速度慢,则切割质量好,但会导致使用成本的提高,生产线产量的降低。

3.5喷嘴运行

 板材方向与面的夹角也有一定的关系,在实际使用过程中,喷嘴运行方向与板材表面要保持一定角度,系统切割速度越高其夹角就越小,一般保持在80°-85°之间可满足要求。

3.6喷嘴出口水压

 喷嘴出口直径按0.3mm考虑,假设管路有一小段水柱,横截面积为S,长度为H,则它的体积为V=HxS,质量为M=VxP(P为密度),全过程按动量守恒定律:压力FxT=MxV,其中T为时间,而T=H/V,所以,V=F/(SxP),即当喷嘴出口压力为50MPa时,理论出口水射流速V=4.1 x 104m/s,当喷嘴出口压力为80MPa时,出口理论水射流速V=5.2x 104m/s。很明显,喷嘴出口射流速度与喷嘴直径有关,喷嘴直径越小出口流速越大,出口压力越大则射流速度越快。

综合分析上述六个方面认为,保证水压运行平稳及提高喷嘴质量是最主要的因素。因高压水工作压力和切割速度成相反关系,故在实际使用过程中要重点注意工作压力与切割速度二个参数的选择与设计。实践表明,切割速度控制在25-35m/min为宜,可兼顾生产线产量和产品质量及设备使用成本三者之间的关系。

 

4.高压水切割技术关键

       高压水切割机技术具有系统压力高、纵横切换向频繁、需要连续射流及喷嘴孔径小的特点,因此,对设备相关零部件的设计和加工质量有很高的要求。

 高压水发生装置示意图见图3


4.1喷嘴

 喷嘴是高压水射流设备的核心元件,压力一定时,喷嘴直径越大射流冲击力也越大,但喷嘴直径的增大会导致破坏面的加大,需要的能量消耗也越大,也就失去了高压水射流的优势,因而,高压水射流的喷嘴直径都比较小。圆锥型喷嘴具有射流集中、扩散角小、无回流等特点适合纤维水泥板的切害。影响射流冲击压力的主要因素是射流压力、射流流量、喷嘴的移动速度(切割速度)及喷嘴到板材表面的距离,对干坯切割由于需要采用磨料水射流增加了设备的难度及使用的成本,所以,高压水射流在干坯工业化生产线上的应用不是很普遍。

为了达到更好的切割质量,使板材边缘没有突出的锯齿线、无毛刺和外形整齐,高压水射流和大孔径喷嘴(增加流量)是必要的,这两种方式都可以增加切割效果。切割力越大,水射流切割系统就更高效,但过高的压力通常会带来较高的投资和运营成本。因此,我们必须在成本效益分析的基础上确定需要的水射流最佳压力和切割速度。实践证明,30MPa高压水射流可以满足切割厚5-10mm板材,年产量150m2的需要,如要进一步提高产量和质量就要提高切割系统的压力。近年来,随着加工及配套技术的成熟,液压系统的设计及制造水平的提高,在纤维水泥板的切割中,100MPa高压水切割成为可能。

4.2增压器

      自来水经过滤器过滤之后,由油压系统进行增压进入增压器两端的高压缸内。当油压系统往复运动时,一端高压缸通过进水单向阀进水,另一端高压缸的水被推出,经过出水单向阀进入高压管路。如此反复,在两端的高压缸中交替进行,形成源源不断的高压水射流。由于存在增压器换向周期,输出水流的压力形成周期性波动。因此,高压水流需经高压蓄能器进行稳压,通过高压管输送到喷头。掉压发生在增压器柱塞换向的瞬间,柱塞在加压过程中突然换向,高压水就失去了动量,加压腔变为无压状态,此时,蓄能器释放能量将单向阀关闭,由于喷嘴孔径很小射流的能量完全由蓄能器供给,当增压器柱塞换向完成后依靠增压器产生的压力抵消蓄能器的释放压力,增压器另一侧单向阀打开,此时压力继续上升,蓄能器处于加压蓄能状态,当增压器产生的压力与蓄能器的压力持平时,系统压力维持平衡,压力没有波动,继续提供系统所需的高压水。为了节约运行成本,在生产过程中不要设置压力一直在高压段,纤维水泥板在切割后还需要磨边和倒角,过高要求水切割边的质量会增加加工成本。


4.3高压水过滤器

       由于喷嘴的出水口径通常都很小,在日常使用过程中高压水通过喷嘴时不免有自来水的杂质以及设备在运转过程中的磨损物质将喷嘴堵死,严重影响设备的正常运转,经常需要停止设备进行检修。在喷嘴的前部设置高压水过滤器,结构如喷头组件(4)所示,能有效的解决喷嘴容易堵死的问题。

4.4高压蓄能器

      可采用活塞式蓄能器,其使用寿命长,安装使用方便,安全可靠,一次充气可有效使用3}5年,对系统的水压稳定有很好的效果。100MPa高压水切割机设计压力为100MPa,综合使用情况,可以考虑系统最低水压为60MPa,系统充气压力为(0.8-0.9 )x60MPa,即48-54MPa }  100MP高压蓄能器能确保切割压力的稳定性,使系统更加安全,效率更高,并使系统能耗得到降低。

4.5连续水射流

       为了满足高产生产线板坯的切割需求,使水射流连续是必须采取的措施。

4.6高压换向阀

       高压换向阀的设计和使用可使纵横切方式的转换变得容易实施,切割节奏容易得到控制。

4.7设备调试

       由于高压水切割水压系统是属于超高压,因而应把使用安全放在第一位。设备现场安装完成后要仔细检查各个部件是否安装到位,高压水管路是否连接正确,接头焊接是否规范。检查红宝石喷嘴的安装是否正确,要注意安装时用力不要过大,以防宝石破损影响使用。开机前要调整油压系统溢流阀,使系统处于无压状态,开机后逐步调整油压系统,使压力保持在5MPa。检查水压及油压系统是否有渗漏现象;检查高压水换向阀是否换向灵敏且无漏水现象;观察高压水在增压器换向时压力表指针波动是否在正常范围,如果过大就要检查蓄能器的充气压力是否满足生产需要和相关密封;系统使用正常后可逐步调高油压系统压力,最终使水压系统压力稳定在100MPa以下。

5.结论

       实践证明,100MPa高压水射流技术应用到纤维水泥板的切割是可行的,有效的。该技术不仅环保而且安全,更有利于保障纤维板材后面的加工工序,如磨边和倒角加工的质量。

 

 

 

 

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