高压水射流切割技术是近几十年来发展起来的一项新技术，最早应用于切割土砂、岩石和采掘煤炭，目前已成功应用于采矿、冶金、航空、建筑、化工、医学等领域。与其他加工工艺相比越来越显示出其优越性，而且磨料水射流的出现，大大提高了水射流切割能力，进一步拓宽了水射流切割的应用范围［1］。水切割机就是利用加砂高压水射流对材料进行切割，属于冷态切割，利用加砂高压水射流的动能对金属进行切削而达到切割目的，切割过程中无化学变化，具有对切割材质理化性能无影响、无热变形、切缝窄、精度高、切面光洁、清洁无污染等优点。水切割机可切割几乎任何材料，除了能加工常用的金属材料，还可加工用传统加工方法无法加工或难以加工的材料，如玻璃、陶瓷、复合材料等。目前，国内外数控水切割机床的研究与制造已基本处于成熟阶段，其应用范围涵盖各个领域的材料切割。但在一些特殊场合，因水切割机床为固定设备，对无法搬运的材料难以进行切割加工，如采矿、消防抢救、防爆等领域。在已有研究基础上［2－7］，作者对便携式水切割机进行相关研究，能对无法搬运的材料进行切割加工，并能适合于特殊场合，即煤矿井下操作。该水切割机采取液动控制系统，整机操作不产生电火花或其他火花。

1 便携式矿井用水切割机的总体方案研究首先，为了便于煤矿井下操作，能对无法搬运的材料进行切割加工，该水切割机需具备便携式特点。为此，可将产生加砂高压水射流的发生装置及水刀安装在可移动机架 ( 以下称机架) 上以满足便携要求，增压后的高压水和磨料同时从水刀口喷出即可对物料进行切割加工。需要强调的是，为了保证切割效能，水刀口必须能上下左右及前后移动并可在一定角度范围内转动。其次，为了煤矿井下的安全操作，在水切割操作过程中应不产生电火花或其他火花。为此，该水切割机械应避免使用传统的电控系统，以机械控制或液动控制系统为宜。

1. 1 便携装置的方案设计将产生加砂高压水射流的发生装置及水刀安装在可动机架上以满足便携要求。在机架底部安装 4 只万向轮，使机架可在地面上移动便实现了便携的要求。

在使用时，当便携装置到达指定位置时可将其以一定的方式固定。在机架上按照传统方式固定安装产生加砂高压水射流的机械装备，而将水刀底座 ( 见图 1)的安装支座固定安装在传统的三坐标可移动平台上，并将水刀安装在水刀底座上。三坐标可移动平台实现上下左右及前后移动，水刀在水刀底座上一定角度范围内转动。因三坐标可移动平台为传统的机械设计

1. 2 基于安全考虑的液动控制系统方案设计目前在用的数控水切割机床控制系统均为电气控制方式，通过电控元件实现对水切割机床的控制。在通常加工情况下，该控制系统具有极大的优越性。但是在特殊场合，若存在易燃、易爆危险倾向情况下，电气控制系统具有产生电火花的风险。基于煤矿井下的安全操作，在水切割操作过程中应不产生电火花或其他火花，避免使用传统的电控系统，拟采用液动控制方式加以解决，利用液动力控制产生连续高压水射流装置的换向阀。该液动控制系统是便携式矿井用水切割机的核心部分，在下节中详细介绍。2 高压水射流发生装置及其液动控制系统

2. 1 高压水射流发生装置的动力输入水切割刀具所接的连续加砂高压水射流发生装置的机械部分为传统设计。为满足便携式要求，液压泵和水泵的动力为内燃机。从安全角度考虑，必须灭除内燃机废气排放时所夹杂的火花。在装置使用时，可将内燃机废气排放口插入专用水箱内使其被灭除。

2. 2 高压水射流发生装置及其液动控制系统图 2 为高压水射流发生装置的液动控制系统。双作用增压缸 26 是产生高压水射流的核心部件，该部件的内部空腔被活塞分割为水腔和油腔，和水腔相连接的系统介质为相对洁净的水并构成高压水系统，和油腔相连接的系统介质为液压油并构成液压传动和控制系统。其工作原理是: 启动内燃机液压泵 4 工作，液控换向阀 9 左位接入，液压油经单向阀 10 进入双作用增压缸 26 左油腔并推动活塞向右运动，增压缸右油腔的油液经调速阀 12 回油箱，活塞向右运动速度由调速阀 12 调定。与此同时，启动内燃机水泵 22工作，当活塞向右运动时，增压缸左水腔负压吸水并由水泵提供，增压缸右水腔产生高压水经单向阀 19压出进入水切割系统。当活塞向右运动压到顶杆柱塞阀时，顶杆柱塞阀中的高黏度液压油经油管 16 使液控换向阀 8 因右位的液动力而换位使其右位接入，液压泵提供的液控油经减压阀 5 减压后接入液控换向阀 9 右位并推动其换位使其右位接入，这时液压泵提供的压力油经单向阀 13 进入增压缸右油腔并推动活塞向左运动，增压缸左油腔的油液经调速阀 11 回油箱，活塞向左运动速度由调速阀 11 调定。增压缸右水腔负压吸水并由水泵提供，增压缸左水腔产生高压水经单向阀 18 压出进入水切割系统。当活塞向左运动压到顶杆柱塞阀 14 时，顶杆柱塞阀中的高黏度液压油经油管 17 使液控换向阀 8 左位接入，液控油经减压阀 5 减压后接入液控换向阀 9 左位并推动其换位使其左位接入，如此循环往复产生的高压水则可连续供给水切割系统。水切割系统由水刀、蓄能器 23、先导式溢流阀25 等构成。为了保证水切割系统的压力稳定，蓄能器则是必不可少的关键元件之一。液动控制系统是矿井用水切割机安全保证的关键因素。由液控换向阀、顶杆柱塞阀及减压回路等构成的液动控制系统使双作用增压缸往复运动从而产生连续的高压水。

3 结束语

在煤矿井下进行水切割操作必须满足便携、安全等使用要求。将内燃机安装在可动机架上即可轻易实现便携功能。在可动机架上安装的三坐标可动装置则可满足水刀底座的三维平动，加上水刀底座在一定角度范围内转动，即可满足水切割的基本操作。