（合肥通用機械研究院有限公司通用機械復合材料技術安徽省重點實驗室，合肥 230031）

0 引言

水切割技術具有適用于各式各樣的材料、不產(chǎn)生熱影響區(qū)、無火花與粉塵等特點，在國民經(jīng)濟各領域得到廣泛應用[1-3]。由水切割主機產(chǎn)生的射流壓力及流量是水切割技術的主要參數(shù)，射流壓力保證水切割的質量，射流流量影響水切割的效率[4-5]。對于畜禽胴體純水高壓冷態(tài)切分等高端水切割應用，以及碳纖維復合材料、超硬耐磨材料、貴金屬材料等高難度的特種材料結構水切割應用（見圖1），超高壓（420～500 MPa）、大流量（4～6 L/min）的射流參數(shù)是確保水切割質量及效率的關鍵所在。

柱塞泵機組和增壓器機組是常用的水切割主機，但目前柱塞泵機組難以實現(xiàn)壓力380～420 MPa以上的水切割應用，原因在于如此高的壓力將要求柱塞泵的結構強度留有更高的安全裕度，致使泵的體積龐大、造價成本增加；而目前增壓器機組難以獲取4～6 L/min的大流量參數(shù)，因為提升流量必須通過增大過流通徑或增加高壓柱塞往復次數(shù)，由此引起增壓器結構的大型化和高壓柱塞往復運動的高速化勢必會影響設備運行的可靠性。本文從增壓器液力端參數(shù)設計分析出發(fā)，開展超高壓、大流量增壓器及機組的設計技術研究，為高參數(shù)的水切割技術應用提供主機條件。

圖1 典型的超高壓、大流量水切割應用

1 增壓器的液力端參數(shù)設計分析

以增壓器機組作為水切割主機時，液力端是形成射流壓力和射流流量參數(shù)的關鍵結構，主要由高壓缸體、進出水閥組、高壓柱塞及往復密封組件等部件組成，高壓缸體和高壓柱塞的幾何尺寸及結構參數(shù)直接影響增壓器承載流體壓力和輸送流體流量的能力。

1.1 理論流量與高壓柱塞結構參數(shù)

通常來說，增壓器的理論流量表達式為：

式中 Q——理論流量，L/min；

d——高壓柱塞直徑，cm；

S——高壓柱塞行程，cm；

n——高壓柱塞往復次數(shù)，min-1；

Z——高壓柱塞數(shù)量。

1.2 柱塞壓應力校核

高壓柱塞直徑和長度與液力端一起設計確定，最小截面的壓應力校核參考柱塞泵高壓柱塞的壓應力校核，表達式為[6]：

式中 σy——高壓柱塞截面的壓應力，MPa；

F——柱塞力，取最大柱塞力，N；

A——柱塞的截面積，取最小截面積，cm2；對于增壓器，處于高壓柱塞與液壓活塞的連接處；

[σy]——許用應力，MPa，[σy]= σs/na；

σs——屈服強度，MPa；

na——安全系數(shù)，一般取 na=3～4。

增壓器的柱塞力F為輸送流體液力F液，即：

式中 P——輸送流體的最大壓力，MPa。

1.3 高壓缸體的壁厚

增壓器的高壓缸體參考柱塞泵高壓缸的厚壁計算[6-7]，以不銹鋼材料制造時，表達式為：

式中 δ——高壓缸體的壁厚，cm；

r1——高壓缸體內(nèi)半徑，cm；

[σ]——許用應力，MPa，[σ]= σs/na；

P——輸送流體的最大壓力，MPa；

na——安全系數(shù)，一般取 na=2～3。

從式（1）～（3）可知，設計增壓器時，為了提升增壓器的輸出流量，則需要加大高壓柱塞的直徑、行程、往復次數(shù)及數(shù)量等，尤其加大直徑將顯著提升流量參數(shù)；從式（2）～（4）可知，提高增壓器的輸送流體壓力，則需要極大地增加高壓缸體壁厚和加大高壓柱塞的最小截面積，以保證高壓缸體和高壓柱塞具有足夠的承載強度。顯然，以上述設計思路開發(fā)超高壓、大流量水切割主機時，必將致使增壓器結構的大型化和高壓柱塞往復運動的高速化，但這樣勢必影響設備運行可靠性、增加關鍵部件加工難度及制造成本。

2 基于500 MPa超高壓增壓器并聯(lián)的大流量水切割主機設計

2.1 開發(fā)思路

應對前述考慮，以高效可靠為原則，本研究提出了超高壓、大流量水切割主機的設計方案：

（1）采用雙作用增壓器形式，開發(fā)結構緊湊、輸送穩(wěn)定、密封可靠的500 MPa壓力級、小流量增壓器部件；

（2）以單組500 MPa壓力級、小流量的增壓器為核心部件，以雙組增壓器組成并聯(lián)組合結構，作為超高壓、大流量水切割主機的關鍵構件；

（3）配套驅動單元、水質處理等輔助設備，開發(fā)超高壓、大流量水切割主機，確保穩(wěn)定輸出超高壓 420～500 MPa、大流量 4～6 L/min的射流參數(shù)。

2.2 500 MPa壓力級的小流量增壓器

以額定壓力500 MPa、理論流量3 L/min為目標，開發(fā)了500 MPa壓力級、小流量的增壓器部件。

技術原理及指標：結構形式為雙作用增壓器（見圖2），液壓油驅動油缸內(nèi)的液壓活塞往復運動，帶動與之兩端相連的2組高壓柱塞分別在各自的高壓缸體內(nèi)交替往復運動，完成對超高壓水的吸液和排液，在此過程中，每組高壓缸體內(nèi)的進水、出水閥交替啟閉，將吸液和排液的管路隔離；結合液壓活塞與高壓柱塞的面積比，通過液力平衡實現(xiàn)流體壓力倍增的目標；超高壓、小流量增壓器的額定壓力為500 MPa、額定流量為3 L/min、配套功率為37 kW，增壓比31.2，往復次數(shù)為60次/min。

圖2 500 MPa壓力級的小流量增壓器結構

關鍵部件的設計制造：高壓缸采用硬化不銹鋼，粗加工后對高壓缸使用自增強工藝，按時間間隔逐步升壓和保壓地提高其承壓性能，然后再采用精加工、珩磨及滾壓，確保達到裝配精度[8-10]；兩組進出水閥組都是單向閥芯與閥座的成組配合使用；高壓柱塞往復動密封以一級浮動套筒密封促使超高壓流體經(jīng)過套筒間隙節(jié)流形成穩(wěn)態(tài)壓力降，再利用填料密封阻止泄漏。

2.3 雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構

針對額定壓力500 MPa和理論流量4～6 L/min的水切割工況要求，以上述單組超高壓500 MPa、小流量3 min/L的雙作用增壓器為核心部件，設計了雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構（見圖3）。

圖3 雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構

并聯(lián)組合結構通過外部不銹鋼超高壓管路分別連接增壓器兩端的輸出接頭，將2組增壓器的輸出流量匯入超高壓蓄能器，實現(xiàn)穩(wěn)定可靠地輸送大流量超高壓水射流的功能。管線上設置了高壓閥門，使得并聯(lián)組合結構也可以根據(jù)工況要求，單獨開啟一組增壓器而將另外一組作為備用。超高壓蓄能器作為一種高壓缸體，兩端整體采用特殊工裝螺栓預緊連接壓蓋和錐面硬密封，超高壓蓄能器的制造同樣采用超高壓自增強工藝。

2.4 超高壓、大流量水切割主機的配套部件

將雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構成套為超高壓、大流量水切割主機，還需要配置液壓動力系統(tǒng)、軟化水進水處理系統(tǒng)等配套設備。

液壓動力系統(tǒng)采用了2組相同的液壓子系統(tǒng)（見圖4）分別控制一組增壓器，液壓子系統(tǒng)均由增壓、過濾、冷卻等部分組成，包括油泵、高頻換向閥、比例調(diào)壓閥、油濾器及冷卻器等。其增壓原理為油泵將液壓油增壓和通過換向閥進入增壓器的液壓油缸，在油缸兩端均設有接近感應裝置，每當液壓活塞運動至一端時，高頻換向閥接收信號后完成換向動作，使液壓活塞交替完成往復運動，從而帶動高壓柱塞連續(xù)吸液和排液；比例調(diào)壓閥控制系統(tǒng)壓力，實現(xiàn)油壓與水壓的匹配，對系統(tǒng)也起到超壓保護作用。每組液壓子系統(tǒng)技術參數(shù)為額定壓力16 MPa、理論流量118 L/min。

圖4 液壓動力系統(tǒng)

良好水質對于延長500 MPa超高壓工況下設備部件的運行壽命具有重要作用[11]。超高壓、大流量水切割主機配置了軟化水進水處理系統(tǒng)（見圖5），處理流程是利用前置泵將自來水加壓至0.2～0.5 MPa后，依次進入前置PP濾芯、前置活性碳濾芯、陽樹脂軟水器及后置PP濾芯，經(jīng)軟化處理后的水直接作為增壓器的供給水充入水箱。

圖5 進水處理流程

3 雙組增壓器并聯(lián)結構的脈動分析

雙作用增壓器的兩組高壓柱塞交替往復運動實現(xiàn)吸液和排液，高壓柱塞的運動規(guī)律決定了增壓器的瞬時流量具有脈動的特征；當增壓器匹配使用一定規(guī)格的水切割射流噴嘴時，流量脈動會引起系統(tǒng)的壓力脈動?；?00 MPa增壓器并聯(lián)的超高壓大流量水切割主機，輸出流量由兩組增壓器的瞬時流量疊加，雖然超高壓蓄能器能有效抑制流量脈動，但研究2組增壓器并聯(lián)組合結構的匹配運行規(guī)律對于改善系統(tǒng)的脈動具有意義。

3.1 雙作用增壓器的脈動分析

雙作用增壓器的2組高壓柱塞在大部分行程里的速度基本恒定，在離開或接近缸體兩端時速度會發(fā)生變化，即：柱塞經(jīng)歷加速、恒速、減速和停留，再反向加速、恒速、減速和停留，如此循環(huán)反復。在理想條件下，柱塞的加速和減速是相同加速度值的勻加速和勻減速，在一次往復運動周期T內(nèi)，柱塞的瞬時運動速度見圖6。

圖6 一次往復運動周期T內(nèi)，雙作用增壓器的柱塞瞬時運動速度、瞬時流量及輸送流體壓力

雙作用增壓器的瞬時流量表達式為：

式中 qv——瞬時流量，L/min；

v——柱塞的瞬時運動速度，cm/min；

A——柱塞的截面積，cm2。

當匹配使用一定規(guī)格的水切割射流噴嘴時，雙作用增壓器的輸送流體壓力表達為[4]：

式中 P——輸送流體壓力，MPa；

μ——噴嘴流量系數(shù)，一般為0.75～0.85；

dz——水切割射流噴嘴的孔徑，mm。

可以看出，由于柱塞截面積為定值，當匹配的噴嘴規(guī)格確定后，雙作用增壓器的瞬時流量、輸送流體壓力變化具有周期性的特點（見圖6）；當柱塞恒速運動時，增壓器的瞬時流量和輸送流體壓力是恒定的，但當柱塞勻加速、勻減速和換向運動時，瞬時流量和輸送流體壓力變化較大，具有脈動的特征。

3.2 雙組雙作用增壓器并聯(lián)的脈動分析

并聯(lián)組合結構的瞬時流量由2組增壓器的瞬時流量疊加，假設兩組增壓器的液壓活塞及高壓柱塞起始位置相同，當2組增壓器同步或間隔運行、每組增壓器均運動至最大往復次數(shù)時，考慮到增壓器瞬時流量周期性變化特點，在一次往復運動周期T內(nèi)獲得了并聯(lián)組合結構的瞬時流量曲線見圖7。從圖7可以看出：（1）在圖7（a）中，當兩組增壓器同時或間隔T/2運行時，相當于兩組增壓器同步運行，疊加后的瞬時流量曲線變化與單組增壓器類似，但流量脈動極大；（2）在圖7（a）的基礎上，逐步加大兩組增壓器間隔時間，此時的并聯(lián)組合結構瞬時流量曲線見圖7（b）和圖7（c），疊加后的瞬時流量最小值不斷提高，流量脈動特性有所改善但仍然很大，且瞬時流量最大值不穩(wěn)定；（3）在圖7（d）中，繼續(xù)加大兩組增壓器間隔時間，當一組增壓器高壓柱塞恒速運動階段處于另一組增壓器高壓柱塞換向時的加速、減速和停留時，兩組并聯(lián)增壓器疊加的瞬時流量變化穩(wěn)定，與圖7（a）相比流量脈動最?。唬?）在圖7（d）的基礎上，再繼續(xù)加大兩組增壓器間隔時間，此時的并聯(lián)組合結構瞬時流量曲線見圖7（e）和圖7（f），疊加后的瞬時流量最大值和最小值的差值不斷加大，流量脈動逐步加大，且瞬時流量最大值不穩(wěn)定。

根據(jù)3.1的研究可知，輸送流體壓力曲線與瞬時流量曲線對應，壓力脈動是由瞬時流量脈動引起的。雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構的輸送流體壓力曲線也是與瞬時流量曲線相互對應的，圖8示出圖7（d）運行情況時的輸送流體壓力曲線。

圖7 一次往復運動周期T內(nèi)，并聯(lián)組合結構的瞬時流量

圖8 間隔T/4運行時，并聯(lián)組合結構的輸送流體壓力

從上述分析可知，即便單組雙作用增壓器存在固有的流量及壓力脈動，但雙組雙作用增壓器并聯(lián)組合結構的流量特性可以改善，進而可以改善其壓力脈動，即：通過2組增壓器采取間隔運行使2組增壓器的流量特性相互匹配即可改善系統(tǒng)的脈動，間隔時間能使其中一組增壓器高壓柱塞的恒速運動階段處于另一組增壓器高壓柱塞換向時的加速、減速和停留階段，系統(tǒng)的流量及壓力脈動明顯低于單組雙作用增壓器。顯然，改進液壓系統(tǒng)動力特性，盡可能地降低單組增壓器高壓柱塞的加速、減速和停留的時間，以及延長高壓柱塞的恒速運動時間，也是改善增壓器流量及壓力脈動的有效方法。

4 運行試驗

制造了額定壓力500 MPa、理論流量6 L/min的超高壓、大流量水切割主機（見圖9），試驗情況如下。

圖9 500 MPa、6 L/min超高壓大流量水切割主機

4.1 連續(xù)運轉試驗

選擇與主機參數(shù)相匹配的試驗噴嘴，依據(jù)GB/T 26163《超高壓水切割機》開展≥50 h的主機試運轉試驗，結果表明該種超高壓、大流量水切割主機可以產(chǎn)生壓力500 MPa和流量約6.0 L/min的射流參數(shù)（見表1）。

表1 水切割主機試驗結果（試驗噴嘴直徑0.40 mm）

4.2 脈動分析試驗

在上述試驗條件下，將主機中2組增壓器分別采取同步和間隔T/4運行，利用輸出壓力管路上的壓力變送器和20 ms級數(shù)據(jù)采集儀，對2種運行情況時的輸送流體壓力值分別進行了采樣（見圖10），可以看出：間隔T/4運行的輸送流體壓力采樣結果與理論值基本吻合，部分采樣結果存在偏差可能是超高壓流體壓縮性等問題導致；與兩組增壓器同步運行相比，2組增壓器間隔T/4運行時的輸送流體壓力脈動較低。

圖10 水切割主機脈動試驗結果

5 結論

（1）以單組超高壓500 MPa、小流量3 min/L的雙作用增壓器為核心部件，構成了雙組500 MPa壓力級增壓器并聯(lián)組合結構，相對于大型化增壓器而言，更適用于超高壓、大流量的水切割主機要求。

（2）雙組雙作用增壓器并聯(lián)的水切割主機通過采取2組增壓器間隔運行，使2組增壓器瞬時流量曲線錯峰疊加，與單組增壓器相比，可以有效改善系統(tǒng)流量及壓力的脈動特性。

（3）試驗結果表明，基于500 MPa超高壓增壓器并聯(lián)的大流量水切割主機可以產(chǎn)生500 MPa的射流壓力和6.0 L/min的射流流量。