由于水刀超高压泵的密封副轴向尺寸较长,摩擦生热和抱轴现象都容易产生,因此泵速一般控制在1 50 r/min左右,以利于泵的可靠运行。当然,泵速偏低造成压力脉动大,必须增加稳压容器予以平抑。另外,超高压泵对系统要求很高,如进水的水质与有压供水、出水的压力传感器显示、超压报警和调压等等。毫不夸张地说,超高压泵就是一个完整的系统,每一个环节都必须重视,缺一都会影响系统的可靠使用。
为了形成一个超声速( 600 - 900m/s)的流体连续工况,必须在执行机构(如喷嘴)创造出300-400MPa的超高压条件,双作用式增压器正是将相对低压的液压压力转变成超高压水压的设备。为双作用式(对置式)超高压增压器系统图。
超高压增压器是一种强制流体的正排量泵,其输入能量通过活塞、柱塞机构由工作流体转变成系统流体。工作流体如液压油,在压力下进入动力缸,推动液压活塞自上死点向下死点运动。与此同时,与之相连接的柱塞使系统液体如高压缸内的水增压。水压与油压之比同液压活塞面积与高压柱塞面积之比一致,这就是所谓的“增压”或“倍加”。也就是说,水压的增加是通过作用于大面积活塞上的低压油与作用在小面积上的高压水之间的力平衡实现的。其面积比(增压比)决定了最大油压下的最大排出压力,此时水流量为零。由于增压器只是转换固定功率的变换器,因此其输出流量随压力的增加而减少,其梯度同压力增加值相同。
增压器的最简单型式是单作用式,即它有一个液压活塞和与之相联的柱塞。系统流体经过低压进水阀进入高压腔,再在很高压力工况下经出水阀排出高压腔,两者压力比也就是增压器的增压比。这种单作用增压器在其每次往复运动中包括各自分开的排出行程和吸人行程,因此其动力形成是非连续的。为了改进输出动力的连续性,在液压活塞的另一端再连接第二个柱塞,这就形成,了双作用增压器。凭借这两个反向柱塞,当一个处于吸入行程时,另一个正好是排出行程,这样便每次往复运动周期中形成了两次排出行程。在增压器中,排出动力的连续性以压力的波动或脉动所表现。
由于种种因素,尽管有了两个柱塞,双作用式增压器仍然在高压工况下表现出排出压力的脉动。因素之一是当液压油自液压活塞的一侧换向到另一侧时,柱塞联动运行的反向引起了死点现象;另一因素是系统流体的初始增压没有在排出压力反映。柱塞运动的死点效应可以通过非常灵敏的止回阀和油换向阀极大地限制,油换向阀的极度灵敏可以使进入增压器的油液保持连续。系统流体的初始增压却不能避免,只能指望在流体压力达到平衡后,排出止回阀迅速打开,由此尽量缩短系统流体的增压时间。(2 -3 L/min),故采用超高压蓄能器可以很好地缓解超高压水的压力
波动,实践证明,超高压蓄能器装置可以将超高压水的压力波动控制在5%左右,所以高压单向阀体以及超高压蓄能器承受的交变应力较小,通常可以按恒压情形来处理。这样,在增压器系统中,高压缸和低压单向阀体成为主要承受交变应力的零件,其寿命与其他零件相比要短得多,这种大幅度交变应力的频率在IHz左右,所以超高压零件的失效通常可认为是低周疲劳破坏情形。通常裂纹由材料表面的微观缺陷开始,一旦裂纹形成,将会快速扩展,直至零件失效。
增压器是一种定量的置换泵,因此必须设法排放多余的高压水。实现低压控制高压,通常采用流量可调的压力补偿泵来供应进入增压器的液压油。该泵控制的流量与给定尺寸的喷嘴产生所要求排出压力的流量指标相匹配,因此没有多余的流量产生。另外,这种液压泵提供了一种自动补偿喷嘴磨损的方法,如同给定压力下增加工作流量一样。当然,这种补偿受泵最大流量的限制。再者,如果喷嘴被堵塞,液压泵立即处于零流量状态,从而保护系统不会超压。如果不这样,而如同高压泵依靠溢流阀来突然释放400MPa左右的流体会因溢流的高速度(同喷嘴流速接近)而损坏阀本身。
为6台增压器并联共用一个旋转控制阀的系统。它解决了一台液压泵依次供应并控制数台增压器动力端油压的问题。当给定扭矩驱动呈“工”字形的旋转阀旋转时,阀板上片的孔依次进油, 超高压材料应该具有以下特性:
(1)不锈:由于以水为工作介质,并存在于各超高压零件的管道之中,故超高压材料应具有良好的防锈能力;
(2)高强度:由于超高压零件要承受300MPa以上的超高压,作为超高压零件材料,应具有较高的抗拉强度,这样才能在既保证满足压力要求,同时又具有较高安全系数的情况下,高压零件的体积不至于过于庞大。尤其作为动密封元件之一的高压活塞杆,应具有非常好的抗磨能力;
(3)较强的抗疲劳能力:该材料应具有良好的韧性,材料本身较为致密,材料内部只有极少微观缺陷。
为一种高强度不锈钢的金相组织照片,该钢种抗拉强度高达310MP。,并且金相组织致密均匀,无裂纹及孔洞等缺陷。
只有达到以上要求,并通过合适的表面处理手段,才有可能制造出寿命较长的超高压零件。
实际上高压水射流系统零件材料的选择往往并非强调强度越高越好;而应选择既强度高又韧性好的材料,那些只有很高抗拉强度而伸长率较小的钢材是不宜用作典型的高压系统零件的。由于上述钢种均含有Cr、Ni、Mo,能有效地提高钢的淬透性,增加强度,提高钢的韧性,并且在回火过程中降低了马氏体组织和贝氏体组织钢的回火脆性,使得这些钢具有较高的综合力学性能,成为水刀高压水射流系统中零部件的首选材料。