高壓水切割設(shè)備故障診斷分析

曾永龍 聞 臻 許正潔 蔡 毅

（武鋼研究院中試工廠 武漢）

一、引言

高壓水切割設(shè)備是將超高壓水射流發(fā)生器與數(shù)控加工平臺(tái)組合而成的一種切割機(jī)床。將水流的壓力提升到200MPa以上，使水流具有極大的動(dòng)能，當(dāng)高壓水從小噴嘴噴出，可以穿透化纖、木材、皮革、橡膠等。在高速水流中混合一定比例摩擦性物質(zhì)如石榴砂等，則可以穿透幾乎所有堅(jiān)硬材料如陶瓷、石材、玻璃、金屬、合金。水切割屬于冷態(tài)切割，切割時(shí)無(wú)熱變形，切縫處不會(huì)引起弧痕，切割面質(zhì)量好。在數(shù)控加工平臺(tái)的引導(dǎo)下，按設(shè)定的軌跡以適當(dāng)?shù)乃俣纫苿?dòng)，實(shí)現(xiàn)任意圖形的平面切割加工，靈活方便。

某廠水切割設(shè)備主要用于完成鋼鐵品種研發(fā)的中間試樣機(jī)械加工，日常需要持續(xù)滿負(fù)荷運(yùn)行。由于設(shè)備結(jié)構(gòu)復(fù)雜，出現(xiàn)故障時(shí)往往不能及時(shí)做出正確判斷。歸納水切割設(shè)備在生產(chǎn)運(yùn)行過(guò)程中經(jīng)常出現(xiàn)的故障及其排除方法，為該類設(shè)備故障診斷提供有益參考。

二、水射流切割工作原理及系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

1.系統(tǒng)工作原理

圖1是水射流切割系統(tǒng)工作原理。低壓油系統(tǒng)是高壓水切割機(jī)的主要?jiǎng)恿υ?。由電?dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵，油泵通過(guò)過(guò)濾器從油箱吸入液壓油，通過(guò)單向閥、油路管進(jìn)入電液換向閥，同時(shí)也與電磁溢流閥連通，控制調(diào)節(jié)系統(tǒng)壓力。給水系統(tǒng)是切割水的來(lái)源。自來(lái)水通過(guò)過(guò)濾器凈化，使其雜質(zhì)直徑＜10μm，通過(guò)增壓泵使其壓力≥0.45MPa，由壓力軟管導(dǎo)入并經(jīng)過(guò)進(jìn)水單向閥而進(jìn)入往復(fù)式增壓器兩端的高壓缸內(nèi)。低壓油推動(dòng)增壓器活塞左右往復(fù)運(yùn)動(dòng)，通過(guò)柱塞面積比將給水系統(tǒng)來(lái)的水壓縮而形成高壓水，經(jīng)出水單向閥并在蓄能器穩(wěn)壓作用后進(jìn)入切割頭噴嘴。當(dāng)高壓水液體在經(jīng)過(guò)特制的噴嘴，噴嘴孔徑約0.3mm，將會(huì)形成具有很高速度的水射流，這種高速射流的動(dòng)能和部分壓力能，在高壓水射流后端通過(guò)混合管將砂粒進(jìn)行加速、夾帶、混合后經(jīng)流出而形成砂粒與高壓水的固液混合物，即射流砂粒。高速射流砂粒本身具有較高的剛性，射流作用于工件表面時(shí)，碰撞產(chǎn)生極高的沖擊，破壞工件表面原有結(jié)構(gòu)和狀態(tài)，產(chǎn)生的沖擊壓力如果超過(guò)材料的抗拉強(qiáng)度，即可切斷材料。

2.系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)

圖1 水射流切割系統(tǒng)工作原理

水切割系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)包括：高壓泵站、蓄能器、送砂系統(tǒng)、切割頭、切割工作臺(tái)及數(shù)控系統(tǒng)等，圖2是水切割系統(tǒng)組成框圖。

圖2 水切割系統(tǒng)組成框圖

圖3 增壓器原理圖

高壓泵站主要由低供水系統(tǒng)、油壓系統(tǒng)和往復(fù)式增壓泵組成。低供水系統(tǒng)將自來(lái)水通過(guò)過(guò)濾器凈化，使其雜質(zhì)直徑＜10μm，通過(guò)增壓泵使其壓力達(dá)到0.3MPa以上，由壓力軟管導(dǎo)入并經(jīng)過(guò)進(jìn)水單向閻而進(jìn)入往復(fù)式增壓器兩端。油壓系統(tǒng)是高壓水切割機(jī)的主要?jiǎng)恿υ?。由電?dòng)機(jī)帶動(dòng)油泵，低壓油通過(guò)電液換向閥進(jìn)入往復(fù)式增壓器低壓油缸中大活塞的一側(cè)，推動(dòng)活塞體運(yùn)動(dòng)。往復(fù)式增壓器工作原理如圖3所示，當(dāng)?shù)蛪核蛘咭簤河妥饔迷诨钊蠒r(shí)，連接在活塞的高壓柱塞桿將高壓缸內(nèi)的水推出。根據(jù)能量守恒定律，假設(shè)無(wú)摩擦損耗，兩者的做功相等。此時(shí)，油壓乘以活塞橫截面積等于水壓乘以柱塞桿橫截面積，即水壓與油壓的比值等于油活塞橫截面積與高壓柱塞桿橫截面積的比值。油活塞橫截面積與高壓柱塞桿橫截面積之比稱為增壓比，由于其比值固定，所以通過(guò)控制油壓就可調(diào)節(jié)水壓，最大工作壓力可達(dá)600MPa。

蓄能器主要吸收往復(fù)式增壓泵產(chǎn)生的壓力脈動(dòng)波動(dòng)，保證整個(gè)系統(tǒng)壓力正常。

切割頭由導(dǎo)流管、水噴嘴、磨料口、混合腔、砂刀管等組成，其結(jié)構(gòu)有如圖4所示，該切割頭中的水噴嘴采用人造寶石，孔徑0.3mm，砂刀管采用碳化鎢粉末冶金，孔徑l～1.2mm。本系統(tǒng)中采用的是綜合性能較好的斜貫混合式切割頭。高壓水從導(dǎo)流管、水噴嘴射出后，高壓水射流在混合腔中產(chǎn)生一定的真空度，磨料在其自重和真空度作用下被吸入混合腔中，水磨料混合后從砂刀管射出后就可直接進(jìn)行切割。

切割平臺(tái)主要包括底座和進(jìn)給機(jī)械傳動(dòng)結(jié)構(gòu)。其進(jìn)給系統(tǒng)由交流伺服電機(jī)帶動(dòng)滾珠絲杠，實(shí)現(xiàn)橫梁在X軸、Y軸和Z軸方向的運(yùn)動(dòng)。

三、水射流切割系統(tǒng)常見(jiàn)故障及排除方法

1.增壓器常見(jiàn)故障

增壓器故障一般表現(xiàn)為：增壓缸聲音異常，活塞轉(zhuǎn)換聲音不規(guī)則，增壓器溫度升高，蓄壓器、高壓水管路處漏水及壓力不能升高等。一般根據(jù)現(xiàn)象檢查相應(yīng)的位置如表1所示。

表1 增壓器常見(jiàn)故障

2.液壓系統(tǒng)故障

液壓油對(duì)壓下控制系統(tǒng)有非常重要的影響，當(dāng)系統(tǒng)運(yùn)行油溫過(guò)高，經(jīng)常在70～80℃時(shí)，或者其他原因使油液乳化變質(zhì)，油的粘度會(huì)發(fā)生變化，伺服閥在小電流工作時(shí)容易卡死，系統(tǒng)壓力可能會(huì)降低。電磁閥開(kāi)關(guān)狀態(tài)與測(cè)壓點(diǎn)壓力關(guān)系不符合，可能故障是電氣斷線，或電磁閥卡死。比例溢流閥故障，主要有溢流閥在工作時(shí)沒(méi)有處于溢流狀態(tài)，或比例關(guān)系發(fā)生變化導(dǎo)致系統(tǒng)壓力不可控，檢查溢流閥實(shí)際狀態(tài)。液壓系統(tǒng)故障，一般根據(jù)現(xiàn)象檢查相應(yīng)的位置（表2）。

圖4 水刀切割頭結(jié)構(gòu)

3.送砂系統(tǒng)故障

一般情況下，水切割系統(tǒng)壓力正?；蚱叩淞髑懈顭o(wú)力，說(shuō)明系統(tǒng)磨料供給量少或磨料過(guò)細(xì)，切割效率低。磨料流的脈動(dòng)可導(dǎo)致切割質(zhì)量差，切割表面產(chǎn)生缺口。送砂系統(tǒng)常見(jiàn)故障及處理方法見(jiàn)表3。

表2 液壓系統(tǒng)故障

表3 送砂系統(tǒng)故障

4.切割頭故障

切割頭是系統(tǒng)工作的關(guān)鍵位置，它接受高壓水和磨料，切割鋼板，起到承上啟下作用，其故障及處理方法見(jiàn)表4。

表4 切割頭故障

5.切割平臺(tái)及控制系統(tǒng)故障

對(duì)切割平臺(tái)操作不當(dāng)或設(shè)備出現(xiàn)故障會(huì)影響到切割質(zhì)量，常見(jiàn)的高壓水射流切割平臺(tái)及控制系統(tǒng)故障見(jiàn)表5。

表5 切割平臺(tái)及控制系統(tǒng)故障

圖5 高壓缸靜壓密封故障位置圖

四、水切割系統(tǒng)典型故障案例

圖6 高壓缸滲水

1.高壓缸端蓋滴水故障

水切割設(shè)備在工作時(shí)出現(xiàn)高壓缸端蓋一端出現(xiàn)泄漏孔滲水現(xiàn)象，如圖5、圖6所示。由于生產(chǎn)任務(wù)緊，設(shè)備在繼續(xù)工作兩個(gè)臺(tái)班后端蓋泄漏孔滲水加劇，水珠連續(xù)不斷，泄漏孔滴出的水水溫較高，同時(shí)，端蓋與高壓缸體連接螺紋處滲水，如圖7所示。為防止引起設(shè)備事故，停機(jī)檢修，拆開(kāi)高壓缸，檢查發(fā)現(xiàn)高壓缸靜壓密封變形損壞，部分橡膠已經(jīng)熔化。根據(jù)故障現(xiàn)象及增壓缸工作原理，增壓器運(yùn)轉(zhuǎn)過(guò)程中，高壓缸內(nèi)的靜密封靠近端蓋內(nèi)圈區(qū)域，在交變應(yīng)力作用下存在與高壓缸體相互擠壓變形情

2.進(jìn)水壓力傳感器接線故障

水切割設(shè)備在工作時(shí)，操作界面報(bào)報(bào)進(jìn)水壓力低，啟動(dòng)系統(tǒng)保護(hù)功能，高壓泵無(wú)法啟動(dòng)。檢查發(fā)現(xiàn)電控柜內(nèi)進(jìn)水壓力傳感器壓力低繼電器報(bào)紅，如圖8所示。但實(shí)現(xiàn)給水泵壓力表壓力大于0.4MPa，壓力處于正常范圍內(nèi)。將壓力繼電器短接后，人工監(jiān)護(hù)下啟動(dòng)高壓泵，能夠正常工作。初步判斷是進(jìn)水壓力傳感器損壞故障，更換壓力傳感器后，故障不能排除，后對(duì)接線端子檢查，發(fā)現(xiàn)進(jìn)水壓力傳感器接線端子燒損。通過(guò)分析，進(jìn)水壓力傳感器接線故障主要是因?yàn)樵O(shè)備連續(xù)工作，油況，容易產(chǎn)生疲勞裂紋損壞密封圈。靜密封損壞后，溫度比較高的高壓水會(huì)流入端蓋與高壓缸體之間的腔體內(nèi)，出現(xiàn)從泄漏孔和連接螺紋滴水現(xiàn)象。更換新的密封件后漏水現(xiàn)象消失。拆油活塞時(shí)，須特別要保護(hù)好與之聯(lián)結(jié)的陶瓷高壓柱塞桿，防止表面劃傷或折斷。箱體及閥塊溫度，進(jìn)水壓力傳感器接線處與閥塊之間安裝間隙小，傳感器接線絕緣包皮是塑料材質(zhì)，高溫下塑料變形導(dǎo)致電纜內(nèi)短路燒損。調(diào)整了進(jìn)水壓力傳感器接線與油箱體、閥塊間距，更換新的電線后設(shè)備恢復(fù)正常。

圖7 高壓缸靜壓密封故障位置示意圖

圖8 進(jìn)水壓力傳感器故障現(xiàn)象