由于水刀超高壓泵的密封副軸向尺寸較長,摩擦生熱和抱軸現象都容易產生,因此泵速一般控制在1 50 r/min左右,以利于泵的可靠運行。當然,泵速偏低造成壓力脈動大,必須增加穩壓容器予以平抑。另外,超高壓泵對系統要求很高,如進水的水質與有壓供水、出水的壓力傳感器顯示、超壓報警和調壓等等。毫不夸張地說,超高壓泵就是一個完整的系統,每一個環節都必須重視,缺一都會影響系統的可靠使用。
為了形成一個超聲速( 600 - 900m/s)的流體連續工況,必須在執行機構(如噴嘴)創造出300-400MPa的超高壓條件,雙作用式增壓器正是將相對低壓的液壓壓力轉變成超高壓水壓的設備。為雙作用式(對置式)超高壓增壓器系統圖。
超高壓增壓器是一種強制流體的正排量泵,其輸入能量通過活塞、柱塞機構由工作流體轉變成系統流體。工作流體如液壓油,在壓力下進入動力缸,推動液壓活塞自上死點向下死點運動。與此同時,與之相連接的柱塞使系統液體如高壓缸內的水增壓。水壓與油壓之比同液壓活塞面積與高壓柱塞面積之比一致,這就是所謂的“增壓”或“倍加”。也就是說,水壓的增加是通過作用于大面積活塞上的低壓油與作用在小面積上的高壓水之間的力平衡實現的。其面積比(增壓比)決定了最大油壓下的最大排出壓力,此時水流量為零。由于增壓器只是轉換固定功率的變換器,因此其輸出流量隨壓力的增加而減少,其梯度同壓力增加值相同。
增壓器的最簡單型式是單作用式,即它有一個液壓活塞和與之相聯的柱塞。系統流體經過低壓進水閥進入高壓腔,再在很高壓力工況下經出水閥排出高壓腔,兩者壓力比也就是增壓器的增壓比。這種單作用增壓器在其每次往復運動中包括各自分開的排出行程和吸人行程,因此其動力形成是非連續的。為了改進輸出動力的連續性,在液壓活塞的另一端再連接第二個柱塞,這就形成,了雙作用增壓器。憑借這兩個反向柱塞,當一個處于吸入行程時,另一個正好是排出行程,這樣便每次往復運動周期中形成了兩次排出行程。在增壓器中,排出動力的連續性以壓力的波動或脈動所表現。
由于種種因素,盡管有了兩個柱塞,雙作用式增壓器仍然在高壓工況下表現出排出壓力的脈動。因素之一是當液壓油自液壓活塞的一側換向到另一側時,柱塞聯動運行的反向引起了死點現象;另一因素是系統流體的初始增壓沒有在排出壓力反映。柱塞運動的死點效應可以通過非常靈敏的止回閥和油換向閥極大地限制,油換向閥的極度靈敏可以使進入增壓器的油液保持連續。系統流體的初始增壓卻不能避免,只能指望在流體壓力達到平衡后,排出止回閥迅速打開,由此盡量縮短系統流體的增壓時間。(2 -3 L/min),故采用超高壓蓄能器可以很好地緩解超高壓水的壓力
波動,實踐證明,超高壓蓄能器裝置可以將超高壓水的壓力波動控制在5%左右,所以高壓單向閥體以及超高壓蓄能器承受的交變應力較小,通常可以按恒壓情形來處理。這樣,在增壓器系統中,高壓缸和低壓單向閥體成為主要承受交變應力的零件,其壽命與其他零件相比要短得多,這種大幅度交變應力的頻率在IHz左右,所以超高壓零件的失效通常可認為是低周疲勞破壞情形。通常裂紋由材料表面的微觀缺陷開始,一旦裂紋形成,將會快速擴展,直至零件失效。
增壓器是一種定量的置換泵,因此必須設法排放多余的高壓水。實現低壓控制高壓,通常采用流量可調的壓力補償泵來供應進入增壓器的液壓油。該泵控制的流量與給定尺寸的噴嘴產生所要求排出壓力的流量指標相匹配,因此沒有多余的流量產生。另外,這種液壓泵提供了一種自動補償噴嘴磨損的方法,如同給定壓力下增加工作流量一樣。當然,這種補償受泵最大流量的限制。再者,如果噴嘴被堵塞,液壓泵立即處于零流量狀態,從而保護系統不會超壓。如果不這樣,而如同高壓泵依靠溢流閥來突然釋放400MPa左右的流體會因溢流的高速度(同噴嘴流速接近)而損壞閥本身。
為6臺增壓器并聯共用一個旋轉控制閥的系統。它解決了一臺液壓泵依次供應并控制數臺增壓器動力端油壓的問題。當給定扭矩驅動呈“工”字形的旋轉閥旋轉時,閥板上片的孔依次進油, 超高壓材料應該具有以下特性:
(1)不銹:由于以水為工作介質,并存在于各超高壓零件的管道之中,故超高壓材料應具有良好的防銹能力;
(2)高強度:由于超高壓零件要承受300MPa以上的超高壓,作為超高壓零件材料,應具有較高的抗拉強度,這樣才能在既保證滿足壓力要求,同時又具有較高安全系數的情況下,高壓零件的體積不至于過于龐大。尤其作為動密封元件之一的高壓活塞桿,應具有非常好的抗磨能力;
(3)較強的抗疲勞能力:該材料應具有良好的韌性,材料本身較為致密,材料內部只有極少微觀缺陷。
為一種高強度不銹鋼的金相組織照片,該鋼種抗拉強度高達310MP。,并且金相組織致密均勻,無裂紋及孔洞等缺陷。
只有達到以上要求,并通過合適的表面處理手段,才有可能制造出壽命較長的超高壓零件。
實際上高壓水射流系統零件材料的選擇往往并非強調強度越高越好;而應選擇既強度高又韌性好的材料,那些只有很高抗拉強度而伸長率較小的鋼材是不宜用作典型的高壓系統零件的。由于上述鋼種均含有Cr、Ni、Mo,能有效地提高鋼的淬透性,增加強度,提高鋼的韌性,并且在回火過程中降低了馬氏體組織和貝氏體組織鋼的回火脆性,使得這些鋼具有較高的綜合力學性能,成為水刀高壓水射流系統中零部件的首選材料。