高压清洗机工作原理分析及改进

陈文光 蓝建强

（厦门航标处，福建 厦门361012）

0 引言

喷砂是喷砂机利用高速砂流的冲击作用清理和粗化基体表面的过程，喷砂机的喷砂除锈用途最广，常用的喷砂除锈有干法喷砂、湿法喷砂、无尘喷砂和高压水喷砂等。喷砂机一般分为干喷砂机和液体喷砂机2大类，液体喷砂机相对于干式喷砂机来说，最大的特点就是很好地控制了喷砂加工过程中的粉尘污染，改善了喷砂操作的工作环境，减少了对大气的污染。高压清洗机的喷砂属于液体喷砂机一种重要的功能，是利用设备产生的高压水射流进行喷砂。高压水喷砂主要用于大面积除锈，如海工装备、船体、油舱、油罐、锅炉、钢结构等，水中常掺加钝化剂和肥皂水，以达到良好的除锈效果。高压水流是通过高压泵内柱塞压缩水而令水产生巨大的压力，高压水经高压管输送到喷枪（喷嘴）末端而形成高压射流。目前，高压清洗机产生的高压水压力可达到150MPa以上，高压泵在压缩水过程中产生高压水时泵头也承受着巨大的冲击力，当吸入混合空气的水介质时，空气在泵头内压缩会发生爆炸，导致泵头出现裂纹漏水，无法建立设定的高压水流。本文针对WP－6030高压清洗机高压泵头产生的裂纹进行技术分析，进而提出对水介质方面的改造建议，以避免裂纹故障的再次发生。

1 设备介绍

WP－6030高压清洗机的组成：（1）电动机：高压水泵、油压泵的动力来源；（2）高压泵：供给一定的水压和水量，供予清洗、喷砂工作；（3）溢流阀：保证压缩水压力不会过分增大，在压力未能释放时及时卸压，对高压泵实施保护；（4）安全阀：用来保护本机，使压力不超过额定压力；（5）水箱：提供压缩水介质；（6）电气控制系统：设备的启停控制和保护；（7）喷枪和高压管路：附属设备。

主要技术参数：（1）水流量≤1800L／h；（2）最高压力≤60MPa；（3）电机：37kW／1450r／min。

2 设备工作原理

电动机输送动力驱动高压泵转动，水箱的水经过高压泵内柱塞上下运动压缩令水产生巨大的压力，通过高压管将高压水流输送到喷枪（喷嘴）末端而形成高压射流，供水清洗或者水喷砂。

在喷枪关闭时，压力增加，溢流阀（压力调节阀）打开，水回流至水箱，高压泵仍继续工作，在打开喷枪开关时，喷枪仍然能够喷出高压水流，如图1所示。在电动机转速提高或其他外部因素导致压力增加时，溢流阀同时也能对超压进行卸压，保证本机能在设定的压力下正常工作。

高压水清洗工作原理：设备产生高压水流，利用不同喷嘴产生不同物理冲击，在被清洗物件上清洗出黏附件，如油污、浮铁锈、污迹，迅速清洗出来而不损坏原被清洗物件的表面。

图1 高压泵的工作原理图

高压水喷砂工作原理：主要是利用高压水流产生的真空，采用虹吸式原理将河砂、铁砂等物料介质吸进喷头混砂器后和高压水流混合高速喷出，其以高压水流带动以水为动力、以砂为磨料对物体表面进行处理。高压泵产生的高压低流速的水通过高压喷嘴转化成低压高流速的射流，当高压水射流的冲击力大于污垢与物体表面的附着力时，就会将污垢剥离、冲走，以达到清洗物体表面的目的（图2）。

图2 高压水喷砂原理图

3 设备的用途和使用条件

用途：WP－6030高压清洗机在笔者单位主要是利用水喷砂的工作原理，用于清除钢结构浮标圆筒体、浮标支架表面的锈迹、旧油漆、海蛎壳、青苔等黏着脏物，以达到浮标的保养要求。高压清洗机水喷砂工效高，磨料耗费少，能达到工件外表的光洁度又不破坏工件外表强度，磨液磨料选用自来水和天然砂可循环作业，所以作业时不会产生大量粉尘，不排放有毒废水，不会对环境造成污染，设备使用简便，不需独自的作业间。

使用条件：（1）水源：经过滤的自来水源，进水压力0.3～0.5MPa，供水管直径 DN40；（2）电源：三相电380V／150A，4×25m2三相四线电缆；（3）存放：设备需放置室内，有效遮挡太阳和雨水，保持通风，便于有效散热，安装地面需平整结实。主机放置需留有一定空间和充足照明，以便维修保养；（4）砂：必须为经过筛滤的河砂或者铁砂；（5）周围环境：在露天作业时，喷枪应远离设备存放地点，以免产生的污物和粉尘漂浮进入设备；在封闭式厂作业间内作业时，引流的高压管外表应有合适的保护，作业间结构必须牢固，并有囤积废砂的空间。

4 高压泵头裂纹故障分析

裂纹位置在第二缸外侧，裂纹呈一直线，长约5cm，工作时裂纹处往外喷水。泵头裂纹产生的原因：（1）由于泵头的进水有混合空气，空气在泵头内压缩发生爆炸，产生巨大冲击力导致了裂纹的出现。水混合空气的原因：1）高位供给水箱脏堵或者高压泵前的进水管路过滤器堵塞，因为供水量不足而导致真空后水混合空气进入柱塞工作腔；2）水箱到高压泵的管路通过水量发生变化，供水不足而导致真空后水混合空气进入柱塞工作腔；3）供给端关闭时，高压输送管道没有自由排空，泵里面的空气无法排出，导致泵无法建立自吸；4）进口管道气密性差，导致泵头吸水时混入空气；5）高压泵供给压力偏高（＞60MPa），安全阀无法开启保护；6）压力调节阀（溢流阀）失灵；7）水介质温度过高。（2）空气和水在泵吸水时被混合吸入会产生气泡，由于泵头压缩的真空作用产生的气泡会附着于泵的内表面，造成陶瓷柱塞产生小块的剥落，严重影响高压泵的使用效率和构件寿命；当水介质温度过高时，同样会产生气泡，在低压情况下水的沸点低于正常的海平面沸点100℃。

5 避免裂纹产生的对策

5.1 管理措施

（1）严格按照设备使用说明书进行正确使用。（2）管路的气密性必须完好。（3）水源必须清洁，滤器保证畅通无阻。

5.2 改进措施

针对以上分析，设备需进行适当的技术改进，此方案旨在保证有稳定压力和一定水量的进水提供给高压泵进行工作，以消除进水混合空气进入工作腔，避免在压缩过程中发生爆炸产生巨大的冲击力。工作原理如图3所示，具体方案如下：（1）保证稳定和足够的进水量：从水箱到泵头吸口的管路管径由DN40改为DN50；（2）稳定进水压力：在进水管路上加装1台增压泵2，进水压力调整到0.5～0.6MPa；（3）加装1个0～1MPa的压力表5，以显示高压泵的进水压力；（4）加装1个压力感应保护器6，对管路中的水压进行监测，以控制高压泵电动机的启停；（5）电气控制系统改装：机器电源按钮直接连接增压泵，压力感应保护器的辅助接头连接设备的电动机。

图3 改造后设备原理图

改进后设备的工作原理：按下设备的启停按钮，增压泵启动，进水压力升高到0.5～0.6MPa，压力感应保护器感应压力达到，电机启动带动高压泵正常工作。当进水管路压力低于0.5MPa，电机自动停止工作。

6 结语

正确配置有效的控制保护装置是保证设备正常运行及设备使用寿命的重要环节，也是设备运行的特定要求元素。因此，设备生产商应在设计时整体考虑设备的运行要求，严格按照高压泵头工作所需的条件合理配置控制保护元素，以满足运行要求。改进后的设备运行工况良好，供给末端的水压力稳定。