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超高压水刀的技术

更新时间:2018-10-31

  基本技术既简单又复杂。在最基本的情况下,水从泵流过,经过管道,然后从切割刀头流出。其说明、操作和维护都很简单。但是,这一过程包含非常复杂的材料技术和设计。为了生成和控制 60000 psi 的水压,需要书本上没有的科学技术。在这种压力下,如果设计不当,微小的泄漏有可能对工件造成永久的侵蚀性损害。幸运的是,水刀制造商采用了复杂的材料技术和先进工程设计。用户只需了解基本的水刀操作知识即可。从本质上讲,有两类水刀:(1)纯水水刀和(2)加砂水刀。设备设计为只能使用纯水水刀、只能使用加砂水刀、或二者均可。无论何种形式,必须首先对水加压。泵是水刀系统的核心成员。对水进行加压并连续输出水流,从而让切割刀头把高压水变为超音速水射流。水刀应用可以采用两种泵-增压泵和直接驱动泵。 直接驱动泵的工作方式与在喷漆前冲洗房屋或甲板时所用的低压“压力清洗器”一样。它是一种直接由电机驱动三个活塞产生运动的三级泵。因为其简单可靠,这些泵得到了水刀工业的认可。到本文发稿时为止,直接驱动泵能够提供的最大连续工作压力比增压泵低 10% 到 25%(直接驱动泵为 20K 到 50K 、增压泵为 40 K 到 60K )。

  尽管直接驱动泵被用于某些工业应用,目前绝大多数用于水刀的超高压泵还是增压泵。 普通增压泵中有两种流体管路,水管和液压管。

  水管管路包括入口水过滤器、升压泵、增压器和减震器。用入口水过滤系统过滤普通自来水-通常包括一个 1 微米滤筒和一个 0.45 微米滤筒。然后把过滤后的水输送给升压泵,入口水压在此大约是 90psi-保证增压器一定不能缺水。之后把过滤后的水输送给增压泵,压力升高至 60000 psi。在水离开泵并通过管道输送给切割刀头之前,会首先流经减震器。这个大容器缓冲了压力波动,确保输送给切割刀头的水稳定、连贯。如果没有减震器,将能够看到并听到水流脉动,在被切割材料上留下印记。

  液压管路包括电机(25 到 200HP)、液压泵、油箱、歧管以及活塞/柱塞。由电机驱动液压泵。液压帮浦从油箱吸油,并把压力升高至 3000 psi。高压油被输送给歧管,由歧管阀门产生增压器的冲程动作(通过把液压油输送给柱塞/活塞组件的一侧或另一侧)。增压泵是一种往复式帮浦,即柱塞/活塞组件来回往复运动,当低压水充满一侧时,在增压泵的另外一侧输出高压水。液压油在返回油箱的过程中得到冷却。

  增压泵体现了先进的帮浦技术。正如水管路的说明所描述的那样,增压泵把过滤后的自来水加压到 60000 psi。利用的是“增压原理”。

  液压油被加压至 3000 psi(举例)。由液压油推动活塞。柱塞的表面面积比推水一侧的活塞面积小 20 倍。因此,3000 psi 的油压就被增压 20 倍,产生 60000 psi水压。“增压原理”改变压力方程中的面积变量,从而增强或增加压力。

  如果力 =20、面积=20, 那么压力 =1。如果保持力不变而大幅减少面积,则压力将升高。例如,把面积从 20 降到 1,压力将从 1 增至 20。在下列示意图中,小箭头表示 3000 psi 的油压,它推动的活塞面积是柱塞表面面积的 20倍。因而增压比是 20:1。

  在下列说明中用圆圈圈出了活塞和柱塞。活塞带有小箭头,表示向左移动。两个水柱塞从活塞的两侧延伸出去。高压水从左侧流出,而低压水从右侧注入。在行程的终点,活塞/柱塞组件的次序被颠倒。复杂的止回阀保证低压和高压水只向一个方向流动。容纳柱塞和活塞系统的高压油缸和端盖经过特殊设计,足以承受巨大的力和持久的疲劳。

  

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