2714 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì)

2714 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì),高壓,水射流,裝置,設(shè)計(jì) II..大學(xué)畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書題 目： 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì) 學(xué) 院： .. 專 業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 學(xué) 號(hào)： .. 姓 名： .. 指導(dǎo)教師： ..老師 完成日期： 2012 年 5 月 III.. 大 學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）任務(wù)書論文（設(shè)計(jì)）題目 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì) 學(xué) 號(hào) .. 學(xué)生姓名 .. 專 業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 指導(dǎo)教師姓名（職稱） ..（副教授） 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 系 主任 周友行 一、主要內(nèi)容及基本要求 高壓水射流技術(shù)是 60 年代研究，70 年代在國(guó)外開始應(yīng)用的一種較新的對(duì)固體進(jìn)行加工的技術(shù)。近幾十年來，隨著超高壓泵、液壓缸及超高壓傳輸管路等部件的發(fā)展，高壓水射流加工技術(shù)正逐步走向成熟，應(yīng)用范圍逐漸擴(kuò)大，加工材料從紙張、布料等軟材料到塑料、復(fù)合材料、有色金屬以及玻璃、巖石等材料。加工方式從切割、清洗到成形加工、磨削等。本畢業(yè)設(shè)計(jì)要求設(shè)計(jì)一套完整的水射流裝置，用于切割。本裝置一般包括增壓系統(tǒng)、切割系統(tǒng)、控制系統(tǒng)和過濾器等。由供水器、蓄能器、控制器、閥門、噴嘴、高壓水、液壓裝置、增壓器和水泵等組成。 二、重點(diǎn)研究的問題增壓系統(tǒng)、切割系統(tǒng) 三、主要技術(shù)指標(biāo)水泵壓力 4MPa， 增壓器壓力 300～1000 MPa， IV噴嘴直徑 0.1～0.5mm, 英文翻譯 字?jǐn)?shù) 3000 左右。 四、進(jìn)度安排各階段完成的內(nèi)容 起止時(shí)間1 查找、收集相關(guān)論文資料 第 1 周2 聽相關(guān)講座、報(bào)告 第 2、3 周3 熟悉水射流工藝 第 4、5 周4 水射流裝置方案設(shè)計(jì)、計(jì)算 第 6、7 周5 水射流裝置設(shè)計(jì)繪圖 第 8、9 周6 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)繪圖 第 10、11 周7 寫設(shè)計(jì)說明書 第 12、13 周8 畢業(yè)答辯 第 14 周910五、應(yīng)收集的資料及主要參考文獻(xiàn)[1] 劉振輝,楊家楷.特種加工.重慶：重慶大學(xué)出版社,1991[2] 尚增溫,劉向陽(yáng).液壓振動(dòng)臺(tái)配套油源關(guān)鍵輔件的設(shè)計(jì)原則.液壓與氣動(dòng),1999(4)[3] 薛勝雄.高壓水射流技術(shù).北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1998[4] 趙家瑞.水射流加工新技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀. 石油工程建設(shè),1999,10(5):1-6[5]宋擁政.水切割技術(shù)綜述.機(jī)床與液壓, 1993(4): 187-193[6]金慶同.特種加工.航空工業(yè)出版社，1988[7] 周良德，朱泗芳，楊世平.現(xiàn)代工程圖學(xué)[M].湖南科技技術(shù)出版社,2008.[8] 宋寶玉.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].高等教育出版社，2006[9] 宋寶玉.機(jī)械設(shè)計(jì)課程設(shè)計(jì)指導(dǎo)書[M].高等教育出版社，2006. V[10] 王先逵.機(jī)械制造工藝學(xué)[M].機(jī)械工業(yè)出版社，2006.[11]榮烈潤(rùn).水射流加工技術(shù)的現(xiàn)狀及其發(fā)展趨勢(shì).《航空精密制造技術(shù)》，2002年04期[12] 溫效康.宋擁政.磨粒高壓水切割設(shè)備與工藝的試驗(yàn)研究、 《高壓水射流》1993 年 第二期[13]李震.李鋒 .汪建新.高壓水射流技術(shù)及應(yīng)用.《機(jī)械工程師》.2009 年 11 期VI湘 潭 大 學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）評(píng)閱表學(xué)號(hào) .. 姓名 胡 超 專業(yè) 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）題目： 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì) 評(píng)價(jià)項(xiàng)目 評(píng) 價(jià) 內(nèi) 容選題1.是否符合培養(yǎng)目標(biāo)，體現(xiàn)學(xué)科、專業(yè)特點(diǎn)和教學(xué)計(jì)劃的基本要求，達(dá)到綜合訓(xùn)練的目的；2.難度、份量是否適當(dāng)；3.是否與生產(chǎn)、科研、社會(huì)等實(shí)際相結(jié)合。能力1.是否有查閱文獻(xiàn)、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運(yùn)用知識(shí)的能力；3.是否具備研究方案的設(shè)計(jì)能力、研究方法和手段的運(yùn)用能力；4.是否具備一定的外文與計(jì)算機(jī)應(yīng)用能力；5.工科是否有經(jīng)濟(jì)分析能力。論文（設(shè)計(jì)）質(zhì)量1.立論是否正確，論述是否充分，結(jié)構(gòu)是否嚴(yán)謹(jǐn)合理；實(shí)驗(yàn)是否正確，設(shè)計(jì)、計(jì)算、分析處理是否科學(xué)；技術(shù)用語(yǔ)是否準(zhǔn)確，符號(hào)是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；2.文字是否通順，有無(wú)觀點(diǎn)提煉，綜合概括能力如何；3.有無(wú)理論價(jià)值或?qū)嶋H應(yīng)用價(jià)值，有無(wú)創(chuàng)新之處。VII.. 大 學(xué)畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)）鑒定意見學(xué)號(hào)： 200896310 姓名： .. 專業(yè)： 機(jī)械設(shè)計(jì)制造及其自動(dòng)化 畢業(yè)論文（設(shè)計(jì)說明書） 37 頁(yè) 圖 表 8 張論文（設(shè)計(jì)）題目： 高壓水射流裝置的設(shè)計(jì) 內(nèi)容提要： 所謂高壓水射流，是將普通自來水通過高壓水泵加壓到數(shù)百乃至數(shù)千大氣壓力，然后通過特殊的噴嘴（孔只有 0.1~0.5 毫米） ，以極小的速度（200~500 米/ 秒）噴出的一股能量高速集中的水流。這一股股的小水流如同小子彈一樣具有巨大的打擊能量它能夠進(jìn)行鋼板、石材、玻璃燈非金屬的切割。而且水切割的最大優(yōu)勢(shì)是對(duì)材料的無(wú)選擇性，它可以對(duì)任何材料進(jìn)行切割。水切割是一種冷態(tài)切割工藝，它不會(huì)破壞材料的內(nèi)部組織，因此適用于貴重金屬材綜合評(píng)價(jià)該同學(xué)所完成的高壓水射流裝置的設(shè)計(jì)基本原理正確， 。畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書的論述合理，設(shè)計(jì)計(jì)算方法正確，格式符合要求。所繪制的裝配圖與零件圖錯(cuò)誤較少，基本達(dá)到工程圖的要求。該同學(xué)具備了一定的專業(yè)理論的綜合運(yùn)用能力，正確制定設(shè)計(jì)方案和解決問題的能力，工程能力，設(shè)計(jì)能力，計(jì)算機(jī)制圖，及外語(yǔ)能力，具備了工程師的基本素質(zhì)。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作體現(xiàn)了學(xué)科教學(xué)計(jì)劃的基本要求，所完成的工作達(dá)到了本科畢業(yè)設(shè)計(jì)要求，可參與答辯。評(píng)閱人： 2012 年 月 日VIII料的切割，我國(guó)已在炮彈切割處廢、核島容器復(fù)合材料切割作業(yè)中有所作為，而水切割主要運(yùn)用于非金屬材料的切割。本設(shè)計(jì)是設(shè)計(jì)一套完整的水射流裝置，水泵壓力 412MPa，通過雙向高壓增壓泵把普通的低壓水加壓到具有巨大能量的高壓水，通過各種液壓裝置和管道把高壓水輸送給藍(lán)寶石高壓噴嘴（直徑 0.38mm） ，從高壓噴嘴噴出的高壓細(xì)水流切割膠質(zhì)玻璃（長(zhǎng)寬900 900mm)厚（10mm） 。本裝置主要運(yùn)用了增壓系統(tǒng)，切割系統(tǒng)和過濾器等。運(yùn)用?水射流基本原理、閥門基本理論、噴嘴的基本設(shè)計(jì)等，達(dá)到切割目標(biāo)材料的目的。指導(dǎo)教師評(píng)語(yǔ)該同學(xué)對(duì)待畢業(yè)設(shè)計(jì)任務(wù)認(rèn)真負(fù)責(zé)，積極查閱資料，認(rèn)真思考解決問題的方法，并能主動(dòng)和老師積極探討。具備綜合運(yùn)用知識(shí)去確定設(shè)計(jì)方案，獨(dú)立解決設(shè)計(jì)中問題的能力。所設(shè)計(jì)的高壓水射流裝置的設(shè)計(jì)原理正確，控制方法得當(dāng)。所繪制圖紙基本達(dá)到工程圖的水平，所完成的畢業(yè)設(shè)計(jì)說明書條理清楚、計(jì)算正確，文字基本流暢。整個(gè)畢業(yè)設(shè)計(jì)工作量達(dá)到要求，完成質(zhì)量較高，達(dá)到學(xué)士學(xué)位論文要求。同意參加答辯。指導(dǎo)教師： 年 月 日IX答辯簡(jiǎn)要情況及評(píng)語(yǔ)答辯小組組長(zhǎng)： 年 月 日答辯委員會(huì)意見答辯委員會(huì)主任： 年 月 日摘要高壓水射流技術(shù)是近三十年來發(fā)展起來的一項(xiàng)新技術(shù)，在采礦、冶金、石油、建筑、化工、市政建設(shè)、金屬加工、材料的切割等方面都有很大的優(yōu)勢(shì)。水切割作為一種冷態(tài)切割工藝，他不會(huì)破壞材料內(nèi)部組織，因此適宜用于貴重金屬材料的切割，我國(guó)已在炮彈切割處廢、核島容器復(fù)合材料切割作業(yè)中有所作為，而水切割主要應(yīng)用在非金屬板材切割，市場(chǎng)現(xiàn)狀使其無(wú)斷點(diǎn)和切縫無(wú)需二次加工的特點(diǎn)發(fā)揮到了極致。國(guó)際上對(duì)水射流的研究也是非常的重視的，國(guó)際水射流協(xié)會(huì)（ISWJT）設(shè)在渥太華的加拿大國(guó)家技術(shù)研究院中，多年來一直與日本水射流技術(shù)協(xié)會(huì)等合作組織亞太地區(qū)國(guó)際水射流技術(shù)會(huì)議。中國(guó)流體工程學(xué)會(huì)與國(guó)際各同行組織交往頗深，經(jīng)常組織同行參加上述國(guó)際性會(huì)議，X已經(jīng)形成了規(guī)律性工作。近年來，由于廣泛的國(guó)際合作活動(dòng)和國(guó)內(nèi)行業(yè)活動(dòng)，學(xué)會(huì)噴射技術(shù)專業(yè)為委員會(huì)已成為名副其實(shí)的高壓水射流技術(shù)信息中心。本設(shè)計(jì)主要設(shè)計(jì)高壓水切割形成的膠質(zhì)(化學(xué))玻璃，寬度（900㎜×900㎜）厚度（10㎜）切割壓力 P=412MPa關(guān)鍵詞：高壓噴嘴；超高壓增壓器； AutoCAD；切割系統(tǒng)；高壓系統(tǒng) AbstaractThe-High-pressure-water-jet technology is developed in the last thirty years as a new technology. In the mining, metallurgy, petroleum, chemical, construction, municipal construction, metal processing, material cutting have great advantages. Cutting with water as a cold cutting process, it doesn’t damage the material to an internal tissue, so it is suitable for the precious metal material cutting. China has in the shells of cutting waste, nuclear island XIcontainer composite cutting operation do something previously unreleased, and water cut is mainly applied in non - metal sheet cutting. Market current situation is to no breakpoint and cut seam without two processing characteristics of playing to the extreme.Keywords: AutoCAD; The-High-pressure-water-jet; The-High-pressure-water-jet；Cutting system； High pressure turbocharger1目錄摘要 ................................................................................................................................................................IX第一章 綜 述 1.1 課題的目的和意義與基礎(chǔ) .......................................................................................................................31.1.2 高壓水射流裝置的作用 ................................................................................................................31.1.3 高壓水射流切割的工作原理： .....................................................................................................31.1.4 國(guó)內(nèi)外高壓水射流的發(fā)展概括 .....................................................................................................41.1.5 水射流的未來發(fā)展 .......................................................................................................................41.1.6 超高壓水切割機(jī)介紹。 ...............................................................................................................5第二章水射流理論基礎(chǔ) ..................................................................................................................................82.1.1 純水型水射流切割 .........................................................................................................................82.2 水射流加工射流參數(shù)的確定 ............................................................................................................82.2.1 射流流速的確定 .....................................................................................................................82.2.2 射流流量的計(jì)算 ...................................................................................................................102.2.3 射流功率的計(jì)算 ...................................................................................................................102.2.4 沖擊壓力計(jì)算 ......................................................................................................................112.3.1 噴嘴工作壓力 .......................................................................................................................122.3.2 射流動(dòng)能 ...............................................................................................................................132.5 超高壓水射流裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ......................................................................................................162.6 超高壓水射流裝置油壓部分的設(shè)計(jì) ..............................................................................................172.6.1 液壓泵的選擇 .......................................................................................................................172.6.2 驅(qū)動(dòng)液壓泵的選擇 ...............................................................................................................182.6.3 液壓閥的選擇 .......................................................................................................................182.6.4 管道尺寸確定 .......................................................................................................................192.6.5 液壓油箱的設(shè)計(jì) ...................................................................................................................192.6.7 冷卻器的選擇 .......................................................................................................................202.7 超高壓水射流裝置供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì) ..............................................................................................212.7.1.水泵的選擇 ...........................................................................................................................212.7.2.液壓閥的選擇 .......................................................................................................................222.8 增系統(tǒng)原理圖 ..................................................................................................................................222.9 增壓器的設(shè)計(jì) ..................................................................................................................................232.9.1 低壓油缸的設(shè)計(jì) ...................................................................................................................232.9.2 超高壓柱塞缸的設(shè)計(jì) ...........................................................................................................252.10 蓄能器的選擇 ................................................................................................................................282.11 高壓管路的確定 ............................................................................................................................282.12 超高壓密封結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì) ................................................................................................................292.12.1 超高壓密封結(jié)構(gòu) .................................................................................................................292.12.2 超高壓往復(fù)填料密封的設(shè)計(jì) .............................................................................................293.超高壓水射流加工工藝參數(shù)的確定 .................................................................................................301.噴嘴出口壓力 .............................................................................................................................302.噴嘴出口直徑 .............................................................................................................................303.噴嘴相對(duì)于工件的移動(dòng)速度 .....................................................................................................304.噴嘴與工件間的距離 .................................................................................................................3025.噴射角度 .....................................................................................................................................30第三章 總結(jié) ..................................................................................................................................................31附錄：外文翻譯 ............................................................................................................................................333第一章 綜 述1.1 課題的目的和意義與基礎(chǔ)高壓水射流技術(shù)是上世紀(jì) 70 年代初在國(guó)外迅速發(fā)展起來的一門高新技術(shù)，它廣泛應(yīng)用于冶金、航空、機(jī)械、石油、化工、船舶、建筑、電力、市政建設(shè)等國(guó)民經(jīng)濟(jì)各領(lǐng)域，并取得了可喜的經(jīng)濟(jì)效益。我國(guó)從上世紀(jì) 70 年代末開始從事這一領(lǐng)域的研究和應(yīng)用，20 多年來，這一新技術(shù)已擴(kuò)展到我國(guó)工業(yè)清洗工程、除銹工程、水力切割、破碎工程采煤和石油鉆采工程等領(lǐng)域和部門。隨著應(yīng)用的需要，我國(guó)的高壓水射流發(fā)生裝置（高壓泵、增壓器）及配套部件（閥、高壓軟管、噴嘴、和噴頭等）的研制有了長(zhǎng)足發(fā)展，縮短了與國(guó)外的差距，基本滿足了國(guó)內(nèi)的需求。同時(shí)，在高壓水射流理論、應(yīng)用研究及產(chǎn)品研制中，結(jié)合我國(guó)國(guó)情，逐步發(fā)展了具有中國(guó)特色的高壓水射流設(shè)備和具有自主知識(shí)產(chǎn)權(quán)的核心技術(shù)。水切割作為一種冷態(tài)切割工藝，他不會(huì)破壞材料的內(nèi)部組織，因此適用于貴重金屬板材的切割，對(duì)此，我國(guó)已在炮彈切割處廢、核島容器復(fù)合材料作業(yè)中有所作為，而水切割主要應(yīng)用在非金屬板材的切割，市場(chǎng)現(xiàn)狀使其無(wú)斷點(diǎn)切割和切縫無(wú)需二次加工的特點(diǎn)發(fā)揮到了極致。要想更好的利用高壓水還需我們做出更大的努力和研究。1.1.2 高壓水射流裝置的作用 水射流在 70MPa 壓力下的流速約為 300m/s,當(dāng)壓力達(dá)到超高壓時(shí)，流速渴望達(dá)到 1000m/s，這樣就可以實(shí)現(xiàn)很高的切割速度。水切割一旦實(shí)現(xiàn)很高的壓力、很小的流量作業(yè)就意味著工作臺(tái)的作用力很小，這就使得切割噴嘴很容易安裝在機(jī)械手上，實(shí)現(xiàn)計(jì)算機(jī)控制下三維復(fù)雜的高精度切割。1.1.3 高壓水射流切割的工作原理：高壓水射流切割原理是將水增至超高壓 100~420MPa，經(jīng)節(jié)流小孔（mm） ，使水壓熱能轉(zhuǎn)變?yōu)樗畨簞?dòng)能（流速高達(dá) 800~1000mm/s） 。用這種高5.0~1.?4壓密集的水射流進(jìn)行切割。磨料水射流切割則是再往水射流中混入磨料粒子，經(jīng)混砂管形成磨料射流進(jìn)行切割。在掙料射流中，水射流作為載體使磨料粒子加速，由于磨料質(zhì)量大、硬度高，磨料水射流較之水射流其射流動(dòng)能更大，切割效能更強(qiáng)。1.1.4 國(guó)內(nèi)外高壓水射流的發(fā)展概括人們認(rèn)識(shí)水射流應(yīng)該還是從水的沖刷開始的。大雨能把田地沖出一道水溝，能剝落山巖，甚至能造成泥石流。河道出口久而久之便沖擊成了三角洲。水對(duì)大自然的鬼斧神工表現(xiàn)在三個(gè)方面：使材料破裂、流動(dòng)、去除。高壓水射流是上個(gè)世紀(jì) 70 年代發(fā)展起來的一門高新技術(shù)，國(guó)際上對(duì)水射流的研究也是非常的重視的，國(guó)際水射流協(xié)會(huì)（ISWJT ）設(shè)在渥太華的加拿大國(guó)家技術(shù)研究院中，多年來一直與日本水射流技術(shù)協(xié)會(huì)等合作組織亞太地區(qū)國(guó)際水射流技術(shù)會(huì)議。中國(guó)流體工程學(xué)會(huì)與國(guó)際各同行組織交往頗深，經(jīng)常組織同行參加上述國(guó)際性會(huì)議，已經(jīng)形成了規(guī)律性工作。由于起步晚中國(guó)與其他國(guó)家的差距還有的。近年來，由于廣泛的國(guó)際合作活動(dòng)和國(guó)內(nèi)行業(yè)活動(dòng)，學(xué)會(huì)噴射技術(shù)專業(yè)為委員會(huì)已成為名副其實(shí)的高壓水射流技術(shù)信息中心。1.1.5 水射流的未來發(fā)展隨著現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的發(fā)展,傳統(tǒng)的切割手段諸如氧切割、等離子切割、激光切割(統(tǒng)稱熱切割) 因其對(duì)材料切割時(shí)由于高溫作業(yè)而產(chǎn)生的影響使材料的物理、機(jī)械性能及材質(zhì)的晶間組織結(jié)構(gòu)遭到破壞,因而對(duì)被切割材料的材質(zhì)有一定局限性。其中氧切割、等離子切割對(duì)金屬材料起作用,而對(duì)非金屬材料就不起作用。激光切割雖能切割金屬材料和非金屬材料,但對(duì)銅、鋁就無(wú)法切割,且切割深度有限,價(jià)格昂貴。而利用超高壓水射流切割( 俗稱冷切割) 不僅對(duì)所有金屬材料和非金屬材料可以進(jìn)行萬(wàn)能切割,而且是冷切割工藝,因此材質(zhì)的物理、機(jī)械性能及材質(zhì)的晶間組織結(jié)構(gòu)不會(huì)遭到破壞,尤其用以對(duì)特種材料( 如鈦合金、碳纖維復(fù)合材料、蜂窩狀結(jié)構(gòu)、花崗巖刻字等)其切割效果就更無(wú)法5比擬,因此水刀切割技術(shù)是近年來切割領(lǐng)域里的一次革命。1.1.6 超高壓水切割機(jī)介紹。超高壓水切割機(jī)的問世，創(chuàng)建了一個(gè)冷切割的新工藝。水切割機(jī)的壓力一般在250-400MPa，機(jī)組功率 30-55KW;更大功率的機(jī)組則置有多個(gè)切割頭同步作業(yè)。機(jī)組包括增壓器(或超高壓泵） 、切割頭、安全閥、切割平臺(tái)、 、磨料系統(tǒng)、微機(jī)控制系統(tǒng)、接收器和穩(wěn)壓容器等（見圖 1-1）與高壓清洗機(jī)相比，其特點(diǎn)是超高壓、小流量、細(xì)射流。壓力大的升高，帶來諸多材料、工藝與設(shè)計(jì)的問題，因此他的商品化矛盾中反映在可靠性、安全性和造價(jià)方面。近年來，機(jī)器人水切割機(jī)的問世。解決了三維空間水切割工藝難題（見圖 1-2） 。水切割的高壓水發(fā)設(shè)備多采用增壓器。增壓器是通過活塞面積的變化使驅(qū)動(dòng)液體所施加的壓力倍增的設(shè)備，器驅(qū)動(dòng)液體通常是機(jī)械油。與泵相比，增壓器的顯著優(yōu)點(diǎn)是能以驅(qū)動(dòng)端油壓（低壓）的變化控制液力端水壓（超高壓),這樣的控制容易實(shí)現(xiàn)，且安全可靠。但由于增壓器往復(fù)次數(shù)比超高壓泵低得多（多在 100r/min 以內(nèi)） ，他的出口壓力脈動(dòng)大，必須增設(shè)穩(wěn)壓容器。當(dāng)然，與比泵相比，他的造價(jià)也較高。 61-增壓器 2-單向閥 3-高壓容器 4-壓力表 5-氣控閥 6-砂斗 7-砂閥 8-切割頭 9 工件 10-二維切割平臺(tái) 11-高壓閥 12-水箱 13-前置泵 14-柱塞泵 15-溢流閥16-換向閥圖 1-1 超高壓水切割機(jī)系統(tǒng)由于磨料的介入能大幅度降低工作壓力，因此切割頭大都設(shè)計(jì)成導(dǎo)流管、水噴嘴、末了噴嘴依次排列的結(jié)構(gòu)。由它產(chǎn)生的超高壓細(xì)射流又稱“水刀'切割平臺(tái)呈 x-y 兩個(gè)坐標(biāo)平面運(yùn)動(dòng)，專門為板材切割而設(shè)計(jì)。微機(jī)控制系統(tǒng)的軟件指令或者操縱切割頭相對(duì)靜止的切割頭相對(duì)靜止的平臺(tái) x-y 主梁運(yùn)動(dòng)，或者操縱平臺(tái) x-y 主梁相對(duì)靜止的切割頭運(yùn)動(dòng)。平臺(tái)還能控制切割頭 z 坐標(biāo)，以調(diào)節(jié)靶距。水切割機(jī)磨料系統(tǒng)的特點(diǎn)是跟精確、更均勻。其磨料不同于高壓清洗機(jī)采用石英砂即可，通常采用剛玉、石榴石或金剛砂。不同的磨料對(duì)磨料噴嘴的磨損也有所不同。保證均勻供料的砂閥也要考慮調(diào)節(jié)開度和壓差。接收器的作用是降噪和接收切割后的漿料。水切割的噪音多在 90dB（A)左右，這樣接收器的降噪作用就十分明顯，當(dāng)然要求接收器要與切割頭保持同步。7圖 1-2 機(jī)器人水切割機(jī)穩(wěn)壓器實(shí)際是一個(gè)超高壓容器，連接在增壓器（或泵）與切割頭之間，作用是將幾乎是單脈沖的超高壓水流變成基本無(wú)脈沖，為切割頭形成連續(xù)穩(wěn)定的超高壓細(xì)射流創(chuàng)造良好工況。因此，對(duì)低速超高壓泵最好也配置穩(wěn)壓器。除此之外，水切割機(jī)在連接軟管。硬管、接頭以及螺紋連接等細(xì)節(jié)方面都很有講究。水切割是高壓水射流技術(shù)水平的一個(gè)標(biāo)志，它的技術(shù)密集程度、技術(shù)附加值以及市場(chǎng)占有量等諸多因素使其成為國(guó)內(nèi)外水射流行業(yè)的研究熱點(diǎn)，這一點(diǎn)在近年的國(guó)際水射流技術(shù)會(huì)議上尤為突出，并不因?yàn)樗懈顧C(jī)已經(jīng)商品化而降溫，就是說在這一新技術(shù)應(yīng)用領(lǐng)域還有許多待研究的問題。 8第二章水射流理論基礎(chǔ)2.1.1 純水型水射流切割在空氣中噴出的高速水射流的結(jié)構(gòu)如圖 2-1 所示。噴嘴出口區(qū)附近具有不含空氣的中心水流，隨著離噴嘴端的距離增大，水射流逐漸擴(kuò)展，并在外圍區(qū)與空氣相混合。水射流中的壓力在噴嘴出口附近分布較陡，且峰值較大。隨著離噴嘴端部距離的增加，壓力分布逐漸平緩。當(dāng)水壓大于 196MPa 時(shí)，噴出的水射流的速度超過聲速。圖 2-1 高壓水射流結(jié)構(gòu)2.2 水射流加工射流參數(shù)的確定2.2.1 射流流速的確定對(duì)于連續(xù)射流，在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)間應(yīng)用伯努利方程，忽略兩點(diǎn)之間的高9度差，可得出下列關(guān)系式：221???????pp式中 、 ————噴嘴內(nèi)外靜壓力1p2、 ————噴嘴內(nèi)外流體平均流速?在兩點(diǎn)之間應(yīng)用連續(xù)方程可得2211 A??A?????如果噴嘴流到為圓管形結(jié)構(gòu)，即 ，并假設(shè) ，由上列兩式可得：4d?21??（2-1）])(1[24122dp????對(duì)工程應(yīng)用水射流，由于 ， ，同時(shí)將 Kg/ 代入上21p?)(41?d98??3m式，最后得出射流流速簡(jiǎn)化表達(dá)式:（2-2）p7.4t??式中 -射流流速，m/st-射流壓力， .pMPa選定切割壓力為 412MPa則射流速度 m/s3.907t??102.2.2 射流流量的計(jì)算以知射流速度，可由 計(jì)算出射流流量，即射流流量等于射流出口速度A???q乘噴嘴出口截面積，即：（2-3)pdqt 21.式中 ----射流流量， /min；t L-----噴嘴出口直徑，mm。d所以 min/17.6421.2q2t ???2.2.3 射流功率的計(jì)算當(dāng)射流量和壓力確定后，可由下列關(guān)系式計(jì)算出功率(2-4）q67.1p??式中 -----射流功率， ；w------射流壓力，?aMP-------射流流量， 。qmin/L式表明，噴嘴出口的射流功率是壓力和流量的函數(shù)。如果將式（2-3）代入該式可得： 232d1.35p??式中 ----射流功率，pw11----噴嘴出口直徑，dm----射流壓力，?aMP由此射流功率 W78.4235p?2.2.4 沖擊壓力計(jì)算在射流清洗、切割等應(yīng)用中，射流反沖力是一個(gè)必須的基本參數(shù)。在噴嘴出口截面內(nèi)外兩點(diǎn)間應(yīng)用動(dòng)量定理得：12m-t????F式中 -----單位時(shí)間內(nèi)作用在單位體積上的力；------力 作用于單位體積流體上的時(shí)間；t-------單位體積流體質(zhì)量；m-------噴嘴出口截面內(nèi)流體平均流速；1?-------噴嘴出口截面外流體平均流速。2由作用力等于反作用力原理可知，上式中 F 值即為射流反沖力知。經(jīng)推導(dǎo)后可得：]d(1[q21）?????F由于 ，并將式（2-2)代入上式，最后得：d21《）（（2-5）pq??745.0F式中 ------射流反沖力， ;N------ 射流流量， ；min/L-------射流壓力，PaMP12從式 （2-5）可以看出，射流反沖力與射流壓力的平方根成正比，也就是說，射流反沖力對(duì)射流流量的變化要比對(duì)射流壓力的變化敏感得多。將式（2-3）代入式（2-5） ，可得出射流反沖力的另一表達(dá)式；pd56.12?F式中 ----射流反沖力，N----噴嘴出口直徑, mmd----射流壓力，paMP經(jīng)計(jì)算得出射流反沖力 NF8.92?2.3 噴嘴部分設(shè)計(jì)2.3.1 噴嘴工作壓力取噴嘴的刃口和噴口兩斷面， 列伯努利方程得(2-6）gvgPvg22001 ?????其中 一噴嘴內(nèi)工作液體流速, << ，可以認(rèn)為 ≈0 一噴嘴內(nèi)工作壓力v01P- 工作液體密度 一大氣壓力 g一重力加速度 一噴嘴局部阻力系數(shù)?0P?從(3-13)式可得(2-7)201??v?Pa=420MPa23198.017?P其中 一噴嘴流速系數(shù)， ． 對(duì)普通圓錐收斂型噴嘴，????????13, 0.94～0.985 。06.???(2-8)??22/01 ???????vPc即沖擊壓力約是噴嘴工作壓力的2倍。2.3.2 射流動(dòng)能高壓水射流切削主要依靠射流的動(dòng)能 E(2-9)20201vQmvE??將 和由(3-14)式計(jì)算得的 代入(3-16)式得0Q(2-10)23120PufE????J????236213262 040.98.143.2 ????? ???E= J60.7其中 為流量系數(shù)u從(2-10)式可以看出，射流動(dòng)能 與 成正比，即與 成正比，而動(dòng)能 與 的E0f0QE1P3／2次成比例．所以在保證一定流量的情況下， 適當(dāng)增大噴嘴壓力P是提高射流生產(chǎn)率的有效途徑．2.4 超高壓水射流裝置切割系統(tǒng)的設(shè)計(jì)常用噴嘴內(nèi)部基本結(jié)構(gòu)形狀如圖 2-2 所示14圖 2-2由于噴嘴的工作壓力與流量的確定，則噴嘴孔徑尺寸也就確定了。根據(jù)下列公式可得：（3-18）4/12//69.069.0PuqPuqd??式中 噴嘴孔出口截面直徑，mm; 射流體積流量，L/min；??噴嘴流量系數(shù)； 射流壓力，MPa。u利用伯努力方程可化簡(jiǎn)（3-18）式得：（2-11）KPgd??4?式中 系數(shù)（取0.85～0.95）， 射流密度, 。?K??3/mKg8.0.104285.08.9Pg4d63?????即噴嘴的原始數(shù)據(jù)如下：噴嘴出口直徑 ；噴嘴長(zhǎng)度 ；md38.?mL20?噴嘴的收縮角 ；圓柱段長(zhǎng)度 。由于噴嘴內(nèi)孔的粗糙度對(duì)切割性能??30?l5.2有很大影響，因此噴嘴內(nèi)孔應(yīng)有較低的粗糙度，選擇圓錐內(nèi)表面粗糙度最大允許值為150．2um，圓柱段內(nèi)表面粗糙度的最大允許值為0.1um。噴嘴材料選用紅寶石。2.5 超高壓水射流裝置系統(tǒng)的設(shè)計(jì)如圖2-3超高壓水射流裝置圖所示，該裝置是由油壓及供水兩大部分組成，其工圖3-2 噴嘴的三種基形式16作過程如下： 1-增壓器 2-單向閥 3-高壓容器 4-壓力表 5-氣控閥 6-砂斗 7-砂閥 8-切割頭 9 工件 10-二維切割平臺(tái) 11-高壓閥 12-水箱 13-前置泵 14-柱塞泵 15-溢流閥16-換向閥圖 2-3 超高壓水射流加工裝置圖2.6 超高壓水射流裝置油壓部分的設(shè)計(jì)2.6.1 液壓泵的選擇（1）泵的工作壓力的確定17因?yàn)樗淞鞴ぷ鞯膲毫=412MPa，流量Q=5.54L/min，初選增壓比i=20:1。則液壓缸的工作壓力： MPaiP6.20/41/1??考慮到正常工作中進(jìn)油管路有一定的壓力損失，所以泵的工作壓力為： p??1式中 - 液壓泵的最大工作壓力；p-執(zhí)行元件最大工作壓力；1P-進(jìn)油管路中的壓力損失，初算時(shí)簡(jiǎn)單系統(tǒng)可取0.2～0.5MPa，復(fù)雜系統(tǒng)取?0.5～1.5MPa,本設(shè)計(jì)取0.5MPa。21.1MPa?????5.0621Pp上述計(jì)算所得的壓力為系統(tǒng)的靜壓力，考慮到系統(tǒng)的動(dòng)壓力超過靜壓力，以及系統(tǒng)應(yīng)有一定的壓力貯備量，確保泵的壽命，因此選泵的額定壓力 應(yīng)滿足nP（1.25 ～1.6） 。在本設(shè)計(jì)中 。?nPp MaPpn65.315.?（2）流量的確定液壓泵的最大流量應(yīng)為：（2-12）??qKLp式中 -液壓泵的最大流量；pq-執(zhí)行元件工作時(shí)所需的最大流量；?-系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 =1.1～1.3 ，現(xiàn)取 =1.2。LKLKLK=148.08L/min17.620.???qLp（3）選擇液壓泵的規(guī)格根據(jù)以上計(jì)算得的壓力和流量查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》，現(xiàn)選用160YCY14-1B變量柱塞泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量 =160mL/r，泵的額定壓力 =32MPa，電動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)0qnP速 =1000r/min,容積效率 =0.92，驅(qū)動(dòng)功率 94.5KW。HnV?182.6.2 驅(qū)動(dòng)液壓泵的選擇根據(jù)液壓泵的轉(zhuǎn)速 =1000r/min 和所需驅(qū)動(dòng)功率 94.5KW，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手則》Hn選取電動(dòng)機(jī)的型號(hào)為 Y315S-6,額定功率為 110kw,同步轉(zhuǎn)速為 1000r/min。滿載效率=0.92，滿載功率因數(shù)為 0.87。?2.6.3 液壓閥的選擇（1）單向閥的選擇單向閥用來控制液壓系統(tǒng)中液流的通或斷，它只能讓油液在一個(gè)方向順利通過反向時(shí)不能通過，為防止液壓泵停止工作時(shí)油缸內(nèi)的油液倒流。根據(jù)液壓泵的工作壓力和流量查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，選用型號(hào)為S20A12管式直通單向閥。（2）溢流閥的選擇溢流閥的主要作用是當(dāng)系統(tǒng)壓力達(dá)到或超過溢流閥的調(diào)定壓力時(shí)，系統(tǒng)壓力液體經(jīng)溢流閥溢出，防止系統(tǒng)過載，保障系統(tǒng)安全；或?qū)⑾到y(tǒng)壓力穩(wěn)定在調(diào)定值。溢流閥是液壓系統(tǒng)不可缺少的壓力控制元件。根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，選用型號(hào)為 DBDH10K。（3）換向閥的選擇換向閥是控制液壓執(zhí)行元件運(yùn)動(dòng)。由于電磁式滑閥因受電磁力的限制，所控制的滑閥流量較小。本設(shè)計(jì)液壓油路的流量比較大，所以采用控制流量較大的電液動(dòng)滑閥。故本設(shè)計(jì)采用電液動(dòng)換向閥作為換向控制元件。根據(jù)液壓油路的工作壓力和流量以及電液動(dòng)換向閥的中位機(jī)能，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用型號(hào)為DSHG-03-3CH-A240-1的三位四通電液動(dòng)換向閥，中位機(jī)能為H。2.6.4 管道尺寸確定油管內(nèi)徑尺寸一般可參照選用的液壓元件的接口尺寸而定，也可按管路允許的流速進(jìn)行計(jì)算。本系統(tǒng)油路流量為q=160L/min，壓油管的允許流速取 6m/s，則內(nèi)徑?v為d（2-13）vqd6.4?19式中 --通過管道內(nèi)的流量，L/min；q--管內(nèi)允許流速，m/s。vmm=23.75mm610.46.?vqd綜合諸因素，現(xiàn)取油管的內(nèi)徑 為 20mm。吸油管同樣可按上式進(jìn)行計(jì)算，現(xiàn)參照160YCY14-1B 變量柱塞泵吸油口連接尺寸，取吸油管內(nèi)徑 為 40mm。d管接頭都采用卡套式接頭，這種接頭體積小，使用方便。2.6.5 液壓油箱的設(shè)計(jì)液壓油箱的作用是貯存液壓油、分離液壓油中的雜質(zhì)和空氣，同時(shí)還起到散熱的作用。液壓油箱在不同的工作條件下，影響散熱的條件很多，按壓力來考慮，該液壓系統(tǒng)為高壓系統(tǒng)，故液壓油箱的有效容量 V 可概略地確定為：（6～12） （2-14）?pq式中 --液壓油箱的有效容量；V--液壓泵額定流量。pq LV9601??液壓油箱的有效容積確定后，需對(duì)液壓油箱的外形尺寸進(jìn)行設(shè)計(jì)。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》選用 BEX 系列液壓油箱中的 BEX-1000 型油箱，其公稱容量為 1000L。2.6.6 過濾器的選擇 整個(gè)系統(tǒng)中設(shè)計(jì)有三個(gè)過濾器，吸油過濾器以保護(hù)泵為目的，應(yīng)盡量選用大容量過濾器，以增大通流能力，降低吸油阻力，降低噪聲，通常其額定流量取為系統(tǒng)流量的 2～3 倍，回油過濾器以保護(hù)油箱清潔為目的，應(yīng)盡可能選用精度高一些(3～5 pm)，容量大一些(其額定流量是系統(tǒng)流量的 1．5～2 倍為宜)，回油過濾器上要有壓差發(fā)信裝置，當(dāng)堵塞時(shí)可以及時(shí)更換，以防背壓過高；中間過濾器用以消除泵及控制閥中運(yùn)動(dòng)副所產(chǎn)生的污染，確保各閥的正常工作及安全為目的，應(yīng)選用高精度過濾器，其容量應(yīng)是系統(tǒng)最大流量的 1.5～3 倍。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手則》第五卷表 37－10－4 選擇吸油過濾器為網(wǎng)式濾油器 WU-400×180F；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手則》第五卷表 37－10－12 選擇中間高精度過濾器為紙質(zhì)濾油器20ZU－H250×20S；根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手則》第五卷表 37－10－6 選擇回油過濾器為線隙式濾油器 XU-A-250×30F。2.6.7 冷卻器的選擇液壓系統(tǒng)工作時(shí)，因液壓泵、液壓閥和液壓缸的容積損失和機(jī)械損失，或控制元件及管道的壓力損失和液壓磨擦損失等消耗的能量幾乎全部轉(zhuǎn)化為熱量，這些熱量大部分使油液及元件的溫度升高，如果溫度過高將嚴(yán)重影響液壓系統(tǒng)的工作，為防止溫度過高應(yīng)選擇一個(gè)合理的冷卻器。系統(tǒng)發(fā)熱計(jì)算：油泵總輸入功率： kwpq8.945.061320????其中 p 為泵的工作壓力，η 為泵的工作效率取 η=0.85液壓泵功率損失： ????kpH48.9.01.101 ????閥的功率損失： ????kwHqpq 13.46071360.135.0.162 423 ????????其中：p 4 為溢流閥的調(diào)整壓力取=7Mpap1 p2 p3 分別為各過濾器的壓力損失q2 為流經(jīng)中間過濾器的流量q1 為流經(jīng)溢流閥的流量管路及其它損失： ??kwpH6.1~9.05.~03.3 ??取 kw4.3系統(tǒng)總功率損失： k0.54.38.321 ??油箱的散熱面積為： 226.1.6.6mVS????油箱的散熱功率為： ????kwtKH8.101 ????21其中 K 為油箱傳熱系數(shù)，通風(fēng)良好時(shí)取 K=15冷卻器的散熱功率為： kwH21.38.015?????冷卻器的散熱面積為： mtKA?.76m?其中： ；tttm162431?????K 為冷卻器傳熱系數(shù)，多管式水冷 K=116w/(m2K)；t1 t2 分別為油在冷卻器的進(jìn)出口溫度；t3 t4 分別為水在冷卻器的進(jìn)出口溫度；取 t1=50℃ t 2=28℃ t 3=20℃ t 4=30℃。根據(jù)《機(jī)械設(shè)計(jì)手則》第五卷表37-10-35選取型號(hào)為2LQFWA7.5F的多管式冷卻器。2.7 超高壓水射流裝置供水系統(tǒng)的設(shè)計(jì)2.7.1.水泵的選擇水供應(yīng)系統(tǒng)，由水泵、電機(jī)、水過濾器、單向閥等組成，功能是把常壓水升到4MPa 的壓力，供給增壓系統(tǒng)。而水射流加工的流量 ，即水供應(yīng)系統(tǒng)的min/54.Lq?流量應(yīng) ；壓力 。取 ； 。q?1MPap41?in/71Lq?MPap泵的工作壓力為：n 5425..1???泵的工作流量為：min/1.9in/73.1 LLqKLp22式中 --系統(tǒng)泄漏系數(shù)，一般取 =1.1～1.3 ，現(xiàn)取 =1.3。LKLKLK根據(jù)以上計(jì)算所得的壓力和流量，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，現(xiàn)選用 YBX-16 限壓式變量葉片泵，該泵的基本參數(shù)為：每轉(zhuǎn)排量 ，額定壓力 ，電rmq/160?MPapn3.6?動(dòng)機(jī)轉(zhuǎn)速 ，容積效率 ，總效率 。min/10rnH?85.v?7.0?2.7.2.液壓閥的選擇（1）溢流閥的選擇。根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，選用型號(hào)為C175B11 。（2）單向閥的選擇。根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，低壓管道上選用型號(hào)為CIT-02-04-50 ；高壓管道上選用型號(hào)為S10K12。（3）過濾器的選擇。根據(jù)系統(tǒng)的壓力和流量，以及工作狀況，查閱《機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)》 ，選用型號(hào)為XU-C32×100。2.8 增系統(tǒng)原理圖如圖2-4 增壓系統(tǒng)原理圖變量柱塞泵1將油液經(jīng)單向閥2,換向閥3輸送到雙向增壓缸4中時(shí),活塞5帶動(dòng)增壓柱塞6運(yùn)動(dòng)。由水泵7輸送來的低壓水通過單向閥8或9進(jìn)入增壓腔12中,在柱塞的擠壓下形成高壓經(jīng)單向閥10(或11)從噴嘴13中噴射出去。在增壓系統(tǒng)中,增壓缸4 是關(guān)鍵部件,它決定了增壓系統(tǒng)的增壓比。一般情況下, 活塞5與柱塞6的面積比為10：1～20：1。因此，如果活塞5與柱塞6的面積比為18：1，當(dāng)活塞5上的油壓作用力為23MPa 時(shí), 則增壓腔可獲得414MPa 的壓力。23圖 2-4 增壓系統(tǒng)原理圖2.9 增壓器的設(shè)計(jì)2.9.1 低壓油缸的設(shè)計(jì)（1）油缸內(nèi)徑和活塞桿直徑的確定根據(jù)下列公式可以計(jì)算得到：??????????????????????21214DdPFDcm??24式中 液壓缸工作壓力，可取系統(tǒng)的工作壓力；?1P液壓缸回油腔背壓力，高壓系統(tǒng)可忽略不計(jì)；2p工作中的最大外負(fù)載；F液壓缸的機(jī)械效率，一般取 0.9～0.97，現(xiàn)取 0.95；?cm??cm??cm?活塞桿直徑與液壓缸內(nèi)徑之比。Dd將各參數(shù)代入上式可得：PFcm 194.0329