高壓水射流切割技術是近幾十年來發(fā)展起來的一項新技術，最早應用于切割土砂、巖石和采掘煤炭，目前已成功應用于采礦、冶金、航空、建筑、化工、醫(yī)學等領域。與其他加工工藝相比越來越顯示出其優(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，進一步拓寬了水射流切割的應用范圍［1］。水切割機就是利用加砂高壓水射流對材料進行切割，屬于冷態(tài)切割，利用加砂高壓水射流的動能對金屬進行切削而達到切割目的，切割過程中無化學變化，具有對切割材質理化性能無影響、無熱變形、切縫窄、精度高、切面光潔、清潔無污染等優(yōu)點。水切割機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)加工方法無法加工或難以加工的材料，如玻璃、陶瓷、復合材料等。目前，國內外數(shù)控水切割機床的研究與制造已基本處于成熟階段，其應用范圍涵蓋各個領域的材料切割。但在一些特殊場合，因水切割機床為固定設備，對無法搬運的材料難以進行切割加工，如采礦、消防搶救、防爆等領域。在已有研究基礎上［2－7］，作者對便攜式水切割機進行相關研究，能對無法搬運的材料進行切割加工，并能適合于特殊場合，即煤礦井下操作。該水切割機采取液動控制系統(tǒng)，整機操作不產生電火花或其他火花。
1 便攜式礦井用水切割機的總體方案研究首先，為了便于煤礦井下操作，能對無法搬運的材料進行切割加工，該水切割機需具備便攜式特點。為此，可將產生加砂高壓水射流的發(fā)生裝置及水刀安裝在可移動機架 ( 以下稱機架) 上以滿足便攜要求，增壓后的高壓水和磨料同時從水刀口噴出即可對物料進行切割加工。需要強調的是，為了保證切割效能，水刀口必須能上下左右及前后移動并可在一定角度范圍內轉動。其次，為了煤礦井下的安全操作，在水切割操作過程中應不產生電火花或其他火花。為此，該水切割機械應避免使用傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，以機械控制或液動控制系統(tǒng)為宜。
1. 1 便攜裝置的方案設計將產生加砂高壓水射流的發(fā)生裝置及水刀安裝在可動機架上以滿足便攜要求。在機架底部安裝 4 只萬向輪，使機架可在地面上移動便實現(xiàn)了便攜的要求。
在使用時，當便攜裝置到達指定位置時可將其以一定的方式固定。在機架上按照傳統(tǒng)方式固定安裝產生加砂高壓水射流的機械裝備，而將水刀底座 ( 見圖 1)的安裝支座固定安裝在傳統(tǒng)的三坐標可移動平臺上，并將水刀安裝在水刀底座上。三坐標可移動平臺實現(xiàn)上下左右及前后移動，水刀在水刀底座上一定角度范圍內轉動。因三坐標可移動平臺為傳統(tǒng)的機械設計
1. 2 基于安全考慮的液動控制系統(tǒng)方案設計目前在用的數(shù)控水切割機床控制系統(tǒng)均為電氣控制方式，通過電控元件實現(xiàn)對水切割機床的控制。在通常加工情況下，該控制系統(tǒng)具有極大的優(yōu)越性。但是在特殊場合，若存在易燃、易爆危險傾向情況下，電氣控制系統(tǒng)具有產生電火花的風險。基于煤礦井下的安全操作，在水切割操作過程中應不產生電火花或其他火花，避免使用傳統(tǒng)的電控系統(tǒng)，擬采用液動控制方式加以解決，利用液動力控制產生連續(xù)高壓水射流裝置的換向閥。該液動控制系統(tǒng)是便攜式礦井用水切割機的核心部分，在下節(jié)中詳細介紹。2 高壓水射流發(fā)生裝置及其液動控制系統(tǒng)
2. 1 高壓水射流發(fā)生裝置的動力輸入水切割刀具所接的連續(xù)加砂高壓水射流發(fā)生裝置的機械部分為傳統(tǒng)設計。為滿足便攜式要求，液壓泵和水泵的動力為內燃機。從安全角度考慮，必須滅除內燃機廢氣排放時所夾雜的火花。在裝置使用時，可將內燃機廢氣排放口插入專用水箱內使其被滅除。
2. 2 高壓水射流發(fā)生裝置及其液動控制系統(tǒng)圖 2 為高壓水射流發(fā)生裝置的液動控制系統(tǒng)。雙作用增壓缸 26 是產生高壓水射流的核心部件，該部件的內部空腔被活塞分割為水腔和油腔，和水腔相連接的系統(tǒng)介質為相對潔凈的水并構成高壓水系統(tǒng)，和油腔相連接的系統(tǒng)介質為液壓油并構成液壓傳動和控制系統(tǒng)。其工作原理是: 啟動內燃機液壓泵 4 工作，液控換向閥 9 左位接入，液壓油經單向閥 10 進入雙作用增壓缸 26 左油腔并推動活塞向右運動，增壓缸右油腔的油液經調速閥 12 回油箱，活塞向右運動速度由調速閥 12 調定。與此同時，啟動內燃機水泵 22工作，當活塞向右運動時，增壓缸左水腔負壓吸水并由水泵提供，增壓缸右水腔產生高壓水經單向閥 19壓出進入水切割系統(tǒng)。當活塞向右運動壓到頂桿柱塞閥時，頂桿柱塞閥中的高黏度液壓油經油管 16 使液控換向閥 8 因右位的液動力而換位使其右位接入，液壓泵提供的液控油經減壓閥 5 減壓后接入液控換向閥 9 右位并推動其換位使其右位接入，這時液壓泵提供的壓力油經單向閥 13 進入增壓缸右油腔并推動活塞向左運動，增壓缸左油腔的油液經調速閥 11 回油箱，活塞向左運動速度由調速閥 11 調定。增壓缸右水腔負壓吸水并由水泵提供，增壓缸左水腔產生高壓水經單向閥 18 壓出進入水切割系統(tǒng)。當活塞向左運動壓到頂桿柱塞閥 14 時，頂桿柱塞閥中的高黏度液壓油經油管 17 使液控換向閥 8 左位接入，液控油經減壓閥 5 減壓后接入液控換向閥 9 左位并推動其換位使其左位接入，如此循環(huán)往復產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、先導式溢流閥25 等構成。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鍵元件之一。液動控制系統(tǒng)是礦井用水切割機安全保證的關鍵因素。由液控換向閥、頂桿柱塞閥及減壓回路等構成的液動控制系統(tǒng)使雙作用增壓缸往復運動從而產生連續(xù)的高壓水。
3 結束語
在煤礦井下進行水切割操作必須滿足便攜、安全等使用要求。將內燃機安裝在可動機架上即可輕易實現(xiàn)便攜功能。在可動機架上安裝的三坐標可動裝置則可滿足水刀底座的三維平動，加上水刀底座在一定角度范圍內轉動，即可滿足水切割的基本操作。
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