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高壓水射流切割技術是近幾十年來發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、醫學等領域。與其他加工工藝相比越來越顯示出其優越性，而且磨料水射流的出現，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，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的電控系統，以機械控制或液動控制系統為宜。

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的機械設計

1. 2 基于安全考慮的液動控制系統方案設計目前在用的數控水切割機床控制系統均為電氣控制方式，通過電控元件實現對水切割機床的控制。在通常加工情況下，該控制系統具有極大的優越性。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，避免使用傳統的電控系統，擬采用液動控制方式加以解決，利用液動力控制產生連續高壓水射流裝置的換向閥。該液動控制系統是便攜式礦井用水切割機的核心部分，在下節中詳細介紹。2 高壓水射流發生裝置及其液動控制系統

2. 1 高壓水射流發生裝置的動力輸入水切割刀具所接的連續加砂高壓水射流發生裝置的機械部分為傳統設計。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 高壓水射流發生裝置及其液動控制系統圖 2 為高壓水射流發生裝置的液動控制系統。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介質為相對潔凈的水并構成高壓水系統，和油腔相連接的系統介質為液壓油并構成液壓傳動和控制系統。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。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。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，如此循環往復產生的高壓水則可連續供給水切割系統。水切割系統由水刀、蓄能器 23、先導式溢流閥25 等構成。為了保證水切割系統的壓力穩定，蓄能器則是必不可少的關鍵元件之一。液動控制系統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使雙作用增壓缸往復運動從而產生連續的高壓水。

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。