CN101554713A

CN101554713A - 高压水射流切割机磨料流量控制装置

Info

Publication number: CN101554713A
Application number: CNA2009102030000A
Authority: CN
Inventors: 张仕进
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 2009-05-26
Filing date: 2009-05-26
Publication date: 2009-10-14

Abstract

本发明公开了一种高压水射流切割机磨料流量控制装置，包括控制部分、传动部分、阀门部分，阀门部分位于磨料罐底部，由磨料罐下出口和阀杆组成。阀杆纵向布置，与磨料罐下出口对中，其上端具有外锥面，磨料罐下出口具有相应的内锥面，两者的锥面形成环形阀口，控制部分控制传动部分驱动阀杆上下运动来调节阀口大小。该装置能对高压磨料水射流切割机磨料流量进行适时、无级控制，从而达到根据需要精确控制磨料流量的目的。具有寿命长、操作简单、体积小、成本低等优点。

Description

高压水射流切割机磨料流量控制装置

技术领域

本发明涉及切割机的磨料供给设备，确切地说是高压水射流切割机磨料流量控制装置。

背景技术

高压磨料水射流技术是近二三十年来发展起来的一项新技术。如图1所示，此技术是通过高压泵将普通自来水加压并迫使高压水12经一个直径很小的高压水射流喷嘴13喷射而出，形成一股高速水射流14，其速度可高达1000米/秒。此射流可用来加工各种较软材料或薄的硬质材料。通常情况下，在此射流中加入磨料15，当磨料进入混合腔16时，高速水射流将其动能传递给磨料，从而使磨料得到有效加速，最终与水一起形成一股高速磨料射流17，此磨料射流可用来加工任何材料，包括金刚石。从工程的角度看，泵的输出功率确定后，其所能输出的水的压力和流量便被确定。如果进入混合腔的磨料数量较少，仅有一部分水射流将其能量传递给磨料，剩余部分水射流的能量便被浪费掉。如果进入混合腔的磨料数量太多，尽管水射流将其能量有效传递给了磨料颗粒，但由于每个磨料颗粒获得的能量较少，其切削能力大大受到限制，更有甚者，能量太小的磨料颗粒根本不能切割材料。另外，磨料数量过多必然导致磨料间相互碰撞机率大大增加，能量损失也大大增加。因此，在一组特定切割参数下(特定水压力、流量、喷嘴结构等)，有一最佳磨料流量与之对应。

另外，从高压磨料水射流的切割角度来说，钻孔阶段所对应的最佳磨料流量和切割阶段所对应的最佳磨料流量不同。切割脆性材料时，初始切割阶段所需磨料流量又不同于其它阶段。如果能实现磨料流量的无级控制，高压磨料水射流的切割效率必然能得到大大提高，同时，切割成本必然得到大大降低。

多年来，国外许多从事高压磨料水射流研究工作的科学家、工程师一直试图无级控制磨料流量，他们先后提出并尝试了以下一些方法：①让磨料进入一水平或近水平放置的螺旋传动机构，当螺旋传动机构转动时，磨料便被螺旋传递机构输送出来。此种情况下，螺旋传动机构的转速决定了磨料流量。通过控制螺旋传动机构的转速，磨料流量便得到了有效控制；②让磨料进入一垂直放置的轮盘，当轮盘转动时，磨料便被转动轮盘输送出来。通过控制轮盘的转动速度便可控制磨料输送量；③在磨料出口处安装一阀门，通过控制阀门的开口大小来控制磨料流量。方法①、②在使用初期都被证明是可行的，然而，由于螺旋机构或轮盘与磨料之间的高速相对运动，螺旋机构或轮盘很快便被磨料磨损掉。螺旋机构或轮盘的另一缺点是装置的空间体积大。方法③理论上看起来可行，然而在实际使用中存在许多问题，比如磨料很容易进入阀门相对运动部件的间隙中，导致阀门容易破坏；另外，此种形状开口容易造成开口小时磨料没法从开口中流出，开口大时磨料流量对开口比较敏感，很难精确控制磨料流量。正是由于这样一些原因，到现在为止，市场上还未出现对高压水射流切割中磨料流量的适时无级控制。当前，几乎所有的水射流切割机都用一系列具有不同固定开口大小的喷嘴来控制磨料流量，从而达到提高效率及节约成本的目的。采用这种方法来控制磨料流量的优点是喷嘴的加工工艺简单，加工成本较低，其缺点是无法真正实现磨料的最佳流量控制、经常需要根据切割条件更换磨料喷嘴、不能适时根据切割状态调整磨料喷嘴开口大小等。

发明内容

针对上述现有技术存在的问题，本发明旨在提供一套能实现对高压磨料水射流切割机磨料流量进行适时、无级控制的装置，从而达到根据需要精确控制磨料流量的目的。

本发明采用的技术方案是：

一种高压水射流切割机磨料流量控制装置，包括控制部分、传动部分、阀门部分，阀门部分位于磨料罐底部，由磨料罐下出口和阀杆组成。阀杆纵向布置，与磨料罐下出口对中，其上端具有外锥面，磨料罐下出口具有相应的内锥面，两者的锥面形成环形阀口，控制部分控制传动部分驱动阀杆上下运动来调节阀口大小。

所述控制部分主要由装有控制软件的计算机和控制器组成，传动部分主要由步进电机、联轴器、螺杆及螺母组成，步进电机的输出轴通过联轴器与纵向布置的螺杆连接，螺母与阀杆相连接并设有纵向导轨，与螺杆一起形成螺旋升降机构，计算机将数字控制信号输入控制器，经控制器处理后，控制器输出模拟信号控制步进电机旋转一定角度，驱动螺母上升或下降一相应距离，将阀口关闭、开启或不同程度开启。

所述阀杆和磨料罐下出口的锥角均大于5°小于30°，同时，磨料罐下出口的锥角总是小于阀杆锥角3°～7°，阀口完全关闭时，阀杆与磨料罐下出口的接触为线接触。

所述螺杆螺纹的升角应取较小。

所述磨料罐底部呈漏斗形，磨料下出口位于其中心处。

所述磨料漏斗底部的倾角在45°至70°之间。

所述磨料漏斗通过其底部的磨料软管通至喷嘴。

所述步进电机与其固定支撑之间、螺母导向轨与其固定支撑之间横向可调。

本发明通过精确控制步进电机的旋转角度，驱动阀杆上下运动来精确调节磨料喷嘴开口大小，真正达到无级控制磨料流量的目的。然而，与上述通过调节磨料喷嘴开口大小方法不同的是，此设计的相对运动部件避开了磨料经过的路径，大大提高了阀门的使用寿命。同时，阀杆与磨料罐下出口之间为锥形面接触，开口量为一环形面，降低了磨料流量对开口大小的敏感度。与上述螺旋机构和轮盘磨料流量控制机构相比，此设计避免了磨料与旋转机构的高速相对运动，也避免了电机长时间的高速运转。具有寿命长、操作简单、体积小、成本低等特点。

附图说明

图1为高压水射流切割机的结构原理图；

图2为本发明的结构示意图；

图3为图2的A部放大示意图；

图4为本发明的控制流程示意图。

具体实施方式

下面结合实施例和附图对本发明作进一步详细的说明。

附图标记说明如下：

1——磨料罐 2——磨料罐下出口

3——阀杆 4——磨料漏斗

5——计算机 6——控制器

7——步进电机 8——联轴器

9——螺杆 10——螺母

11——导轨 12——高压水

13——水射流喷嘴 14——水射流

15——磨料 16——混合腔

17——高速磨料射流 18——磨料软管

19——喷嘴

如图2、3所示，磨料罐1的底部呈漏斗形，磨料罐下出口2位于其中心处，阀杆3纵向布置，与磨料漏斗4连成一体，并与磨料罐下出口2对中，其上端具有外锥面，磨料罐下出口2具有相应的内锥面，两者的锥面形成环形阀口，控制部分主要由装有控制软件的计算机5和控制器6组成，传动部分主要由步进电机7、联轴器8、螺杆9及螺母10组成，步进电机7的输出轴通过联轴器8与纵向布置的螺杆9连接，螺母10与阀杆3相连接并设有纵向导轨11，与螺杆9一起形成螺旋升降机构，阀杆3和磨料罐下出口2的锥角较小，原则上小于30°，同时，磨料罐下出口2的锥角总是小于阀杆3的锥角5°，这样能有效保证阀口处于完全关闭状态时，阀杆3与磨料罐下出口2的接触为线接触，磨料不会停留在它们之间，除此外，螺杆9螺纹的升角应小于25°，当螺杆9旋转一较大角度时，螺母10上升的距离较小，从而有效减小误差，并具有自锁性。同时，为保证磨料漏斗4中的磨料能有效下滑，其底部的倾角应在45°至70°之间，为保证磨料罐下出口2和阀杆3在安装时能有效对中，步进电机7与其固定支撑之间、螺母导轨11与其固定支撑之间需横向可调，如可采用滑移式连接。

如图4所示，工作时，首先启动控制软件，在控制软件中输入相关参数(如磨料流量等)，此参数的大小将决定步进电机的转角。输入的参数以数字信号的方式进入控制器，经控制器处理后，控制器输出模拟信号控制步进电机旋转一定角度。由于螺母导轨限制了螺母的转动自由度，当步进电机旋转一定角度时，螺母便上升或下降一相应距离，由此，磨料喷嘴的开口大小便可根据需要随机调节(可完全关闭、完全开启、不同程度开启)。由于步进电机能快速反应，所以磨料流量可实现实时无级控制，磨料经阀门出来后，流入磨料漏斗，并经磨料软管进入喷嘴。由于控制软件采用现有技术即可实现，这里就不再赘述。

本发明的优点：

1)阀门能简单、快捷的将步进电机传来的运动转变为阀门的开启、关闭模式，控制过程简单、控制精度高；

2)阀杆材料可选择由较软材料组成，且磨料与阀门间无较高相对速度，所以阀门的磨损量很小，可长期使用；

3)阀门无相对运动的间隙存在，消除了磨料进入相对运动间隙的可能，从而大大提高了阀门的使用寿命；

4)完全实现了实时、无级磨料流量控制。

本发明不局限于上述最佳实施方式，任何人在本发明的启示下都可得出其他各种形式的技术方案。但不论在其形状或结构上作任何变化，凡是与本发明相同或相近似的技术方案，均在其保护范围之内。

Claims

1、一种高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，包括控制部分、传动部分、阀门部分，阀门部分位于磨料罐底部，由磨料罐下出口和阀杆组成。阀杆纵向布置，与磨料罐下出口对中，其上端具有外锥面，磨料罐下出口具有相应的内锥面，两者的锥面形成环形阀口，控制部分控制传动部分驱动阀杆上下运动来调节阀口大小。

2、根据权利要求1所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述控制部分主要由装有控制软件的计算机和控制器组成，传动部分主要由步进电机、联轴器、螺杆及螺母组成，步进电机的输出轴通过联轴器与纵向布置的螺杆连接，螺母与阀杆相连接并设有纵向导轨，与螺杆一起形成螺旋升降机构，计算机将数字控制信号输入控制器，经控制器处理后，控制器输出模拟信号控制步进电机旋转一定角度，驱动螺母上升或下降一相应距离，将阀口关闭、开启或不同程度开启。

3、根据权利要求1所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述阀杆和磨料罐下出口的锥角均大于5°小于30°，同时，磨料罐下出口的锥角总是小于阀杆锥角3°～7°，阀口完全关闭时，阀杆与磨料罐下出口的接触为线接触。

4、根据权利要求1所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述螺杆螺纹的升角应小于25°，并能保证螺纹自锁。

5、根据权利要求1所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述磨料漏斗底部的倾角在45°至70°之间。

6、根据权利要求1所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述磨料漏斗与阀杆成一体。

7、根据权利要求2所述的高压水射流切割机磨料流量控制装置，其特征在于，所述步进电机与其固定支撑之间、螺母导向轨与其固定支撑之间横向可调。