数控高压水清洗系统的设计

□ 崔永红 □ 张 虎

太重集团 榆次液压工业有限公司 山西榆次 030600

高压水射流清洗设备在一些发达国家已占到市场份额的80%以上，我国的水射流清洗设备比重在大中型城市及企业虽不到20%，但以每年10%左右的速度增长，预计经过6～7年的时间，中国的高压水射流清洗设备将占绝对优势。

1 系统设计及工作原理

高压水射流清洗系统主要包含机床主体、高压泵组、水处理单元、控制单元4个部分。机床主体带动清洗头进行定位清洗，高压泵组为清洗中心提供安全、稳定的高压水，水处理单元为高压泵组提供干净的水源，控制单元为整个清洗中心提供动力和控制驱动。

图1为高压水射流清洗系统中液体流动示意图，从图中可以看出，水流在水箱中经过过滤之后，供给高压泵，通过高压泵将高压水喷出；经过清洗之后的水流又回收到水箱中，实现整个系统的水循环。

▲图1 设计原理图

2 结构设计

2.1 机床主体

机床结构应保证有足够的刚度，机床清洗腔采用全密封式，有安全性好的防护门，机床整体采用全密封防护，内部有高亮度的照明灯，机床清洗腔有观察窗口和收集气雾装置，方便观察清洗过程。

工作台尺寸为600 mm×600 mm，X轴最大行程≤550 mm，Y轴最大行程≤550 mm，Z轴最大行程≤200 mm，工作台最大承重350 kg。

2.2 高压泵组

高压泵组整机带有高压抗震压力表、安全阀、溢流阀、水箱缺水和饱和保护系统，输出最高压力为53 MPa，清洗设定压力为 50 MPa，流量≥15 L/min，配有高精度并联水过滤器,高压水装置设置安全的外防护装置。

2.3 水处理单元

设置回水、出水等多级过滤装置，最终过滤等级为5 μm，水处理单元中过滤装置采用一用一备，过滤精度由低到高。水箱备有油水分离系统，并设置加温及温度传感器，对水温进行控制，还配有液位显示装置，有方便的进水、排水口，方便清理水箱。

2.4 控制检测单元

控制检测单元采用国内先进的广数控制系统 （中文版），具备的功能有：人机对话功能和错误记忆及诊断功能，工作稳定，操作和维护方便；带有紧急停车装置，能存储多个清洗程序，每个程序可自由编程；有故障信息显示及故障排除建议功能，可在线观察系统运行情况。

水处理单元中除配置了液位和温度控制系统外，还配置了过滤器堵塞报警装置，使系统在正常运行时，既能实时监控水流运行情况，又能及时将信号传输给操作系统，实现智能化控制。

高压泵组中选取国外进口的安全阀和调压阀，在压力调好之后，无需再进行重复变更。同时，配置了压力检测装置，在压力减小或增大时，能够及时报警，并通过控制系统实现智能化控制。

3 系统元器件选型

根据清洗试验对象的要求，压力选择为50 MPa，流量选择为20 L/min。

3.1 电机动力选型

高压泵在正常运行下输出压力为50 MPa，依据式（1）求出电机功率：

式中：P1为电机功率，kW；η为电机功率因数，国产电机取85%，进口电机取90%；p为泵的压力，MPa；Q为泵的流量，L/min。

将高压泵的压力50 MPa和流量20 L/min代入式（1），算出P1=19.2 kW，选取电机功率为22 kW。

3.2 喷嘴选型

式中：d为喷嘴直径，mm；Q 为喷射流量，L/min；n为喷嘴个数；γ为喷射效率，一般取1.05～1.1。

取：n=1，γ=1，并将压力和流量代入式（2），求出喷嘴直径为1.1718 mm，实际选用喷嘴直径为1.2 mm。

确定流量为20 L/min，由式（2）求出喷嘴直径：

3.3 水箱设计

系统流量为20 L/min，由于系统采用循环水进行工作，考虑到过滤时间及循环时间，设计水箱容积为1 m3，实践证明，该容积既能满足正常工作用水，又能保证过滤时系统能正常运转。

4 现场应用

采用笔者设计的清洗设备与人工清洗进行清洗试验，并进行清洁度对比，结果显示，在清洗速度提高的情况下，清洗效果更好，且对被清洗件无任何损伤。

▲图2 现场试验工件

5 结论

（1）数控高压水清洗中心是基于数控技术和压力清洗相结合的清洗机，占地面积小，对操作人员无伤害，对环境无污染，清洗效果好，对清洗件无影响，在后期维护上简单省事。

（2）设备最高压力可达到50 MPa，流量的大小、喷头清洗方式可视清洗对象和清洗要求进行变更；设备智能化程度高，定位准确，可形成高压水清洗设备中的高端产品。

（3）清洗结果显示，设备柔性清洗能力强，将数控技术应用到清洗设备中，可预置零件的形状和工艺参数，解决了对复杂工件的定位清洗，只要更换程序就可以清洗不同规格型号的产品。

（4）采用高压小流量水基清洗，减小了过滤系统、储液槽的规格；采用全自动循环过滤反冲排渣、自动油水分离装置，使设备能源消耗降低，废水排放量也相应降低，设备体积相对常规数控中心减小。

（5）模块化设计，运动部件采用标准化零件，互换性、通用性好；出现故障时计算机具有故障自诊断功能，具有远程故障诊断、在线帮助和远程监控功能。

（6）设备具有自洁净、自动润滑、消雾、过滤等功能，整机维护简单；一键启动，所有典型产品清洗参数预置在计算机中，一经设定，自动完成整个清洗过程。

［1］ 杨林，唐川林，张凤华.高压水射流技术的发展及应用［J］.洗净技术，2004，2（1）：9－14.

［2］ 赖金荣，赵付国，徐依吉.石油石化行业清洗中的高压水射流技术［J］.洗净技术，2004， 2（4）：32－37.

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