基于高压水射流清洗技术的研究一引言高压水射流技术是近年来在国际上兴起的一门高科技清洗技术，最早出现在19世纪中叶，到20世纪50年代才开始应用于采煤，60年代大批高压柱塞泵和增压器的问世推动了水射流技术快速发展。

到70 年代末，水射流技术出现了新的研究方向，并研制成功了高频脉冲射流、共振射流和磨料射流，这些射流的压力虽然不太高，但威力却高于相同压力的普通连续水射流。

进入80年代，磨料射流、空化射流、水射流和自振射流的发展把水射流技术推向一个新的阶段。

水射流技术的应用越来越受到人们的重视。

随着高压水射流技术的发展，水射流清洗技术也越来越为人们所重视，应用也日趋广泛。

水射流清洗技术是利用水射流使一种或多种材料（表面覆层）从另外一种物体（基体）表面上脱离下来，如容器内壁和管道内壁的清洗和除垢、带钢除鳞、铸件去毛刺等。

水射流清洗技术涉及到交通、冶金、电力、机械、市政、化工、建筑等领域，美、德、日、英、法、加等发达国家，工业上用高压水射流工艺进行清洗的比例已达到80%～85%。

水射流可除去用化学方法不能或难以清洗的特殊覆层，主要用于水垢、锈蚀、油垢、烃类残渣、各种涂层、混凝土、结焦、树脂层、颜料、微生物污泥等的清除。

高压水射流清洗技术在60～70年代开始推广，到80年代以后得到了很快的发展，自80 年代中期传入我国以来，逐渐得到了工业界的普遍认同与重视。

二高压水射流清洗特点高压水射流技术把水作为介质，以射流为核心，集高压泵、阀、自控系统等于一体，通过高压发生装置，使水流获得巨大的能量后以特定的流体运动方式从一定形状的喷嘴中高速喷射出来，形成了能量高度集中的水流。

高压水射流技术之所以能脱颖而出，是与其本身的许多特点和优势分不开的。

它不仅与水本身所固有的性质有关，也与高压水的力学作用有着密切的联系。

其效果较之传统的人工清洗、机械清洗、化学清洗方法具有效率高、无污染、综合费用低、节能、不腐蚀损伤基体、易于实现机械化、自动化和智能化控制等诸多优点，可清洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄、复杂环境、恶劣有害场合进行作业，因此世界各国大力发展高压水射流清洗技术。

水射流清洗与传统的机械式、化学式清洗相比，具有如下优势：（1）无污染：高压水射流以清洁的自来水作为介质，对环境没有任何污染，并且喷射出的射流雾化后还能降低清洗作业区的粉尘浓度，不需洗后处理，属环保型清洗方法。

（2）不腐蚀：水射流中没有任何酸碱药剂、清洁剂，既不腐蚀金属，又不会损伤被清洗对象的基体。

（3）清洗效率高：任何结垢物和堵塞物，只要选择了正确的水射流参数，即压力、流量功率及喷枪、喷头选择合适，就能高速、有效的清洗。

（4）清洗成本低：高压水射流使用天然水为介质，同时又选择了高强度、高耐磨性的喷咀、喷头作喷射枪具，其磨损程度非常微小，综合成本只是化学方法的1/3左右，可获取成本低、效率高的双重效果。

高压水射流清洗属细射流喷射，清洗时只用水、电，所用喷咀直m h，属于节水环保型技术。

径小，每小时只消耗水3～83/（5）应用范围广：能方便地完成常规清洗方法难以完成的清洗作业，能清洗形状和结构复杂的部件。

此种清洗方法对设备、管道的大小、材质、形状及垢物种类均无特殊要求，因此应用范围极其广泛。

三高压水射流清洗参数的研究高压水射流是一种先进的除垢清洗技术，为了更加有效应用高压水射流进行表面清洗，需要清楚清洗过程中不同参数对清洗的影响。

需要了解水射流清洗原理，然后确定高压水射流的主要参数。

3.1 高压水射流清洗原理高压水射流冲洗到物体表面时，其原有速度的大小和方向均发生改变，其动量也随之改变。

动量的改变是由于射流与物体间的相互作用引起的，失去的一部分动量以作用力形式传递到物体表面上。

当连续水射流连续冲击物体表面时，形成稳定冲击力，即为射流物体表面的总冲击力。

设高压水射流为理想不可压缩流体，以速度v1射向平板（y轴），如图1所示。

假定流动是定常的，取如图所示的坐标系。

根据动量守恒定律可得：21F t mv mv ∆=-（1）式中：F —单位时间内作用在单位体积流体上的力；Δt —力F 作用于单位体积流体上的时间；m —单位体积流体质量；v1、v2—喷嘴出口截面内、外流体平均流速，其中12v v v ==。

cos F qv qv ρρθ=-，污垢单位面积受力为：2cos (1cos )(1cos )f F qv qv qv v A A Aρρθρθσρθ--====-∆∆∆ （2） 式中：ρ—水射流的密度；v —水射流的速度；θ—射流方向变化的角度。

式（2）计算出的射流应力为理论最大值。

由于射流的扩散和空气阻力影响，射流实际产生的应力小于理论应力。

当污垢所受到的应力f σ大于污垢本身的的极限应力p σ，污垢就会破裂，从而达到清除污垢的目的。

3.2 高压水射流清洗参数的确定通常研究的水射流清洗性能参数主要有两方面：一方面是与清洗过程相关的参数，主要包括喷射流水速、水压、靶距、射流的通道数。

（1） 喷射流水速。

把p σ带入式（2）得：v = （3）式中： p σ—污垢耐压强度极限应力（N/2m ）； ρ—射流密度（Kg/3m ）。

θ—射流方向变化的角度。

（2） 喷嘴入口压力。

根据孔口出流原理，射流在喷嘴口速度v 为：v = （4）式中：v —喷嘴出口速度（m/s ）；H —射流在喷嘴入口处压力（mH2O ）；g —重力加速度（m/2s ）；ϕ—喷嘴系数，一般为0.97。

由式（4）可得：222v H g ϕ= （5）将式（3）代入式（5）得：22222(1cos )p v H g g σϕρθϕ==- （6） 即：22(1cos )pP gH σρθϕ==- （7）式中：P —喷嘴入口处的压力（N/2m ）。

四 水射流清洗机研制不论清洗机具体用途和周边设备如何变化，所有水射流清洗系统基本都是由高压水泵机组、控制阀(组)、喷嘴(枪)、执行机构、辅助机构等基本部件组成。

设计时考虑可靠性、通用性、可维护性等4.1 设计要求（1）清洗机主要的设计要求有如下几点：用于液压元件最终装配前的清洗，主要清洗部位为内部的油道；(2)采用喷射高压水射流进行清洗；(3)清洗时间可调、清洗液温度可加热到50℃；(4)清洗液需过滤后循环使用；(5)元件外部可有低压喷淋清洗。

4.2 原理及组成整套设备主要由净水箱、高压水泵、控制阀组、工作台(含喷枪运动及工件夹紧装置)、污水箱及过滤系统、电气控制部分等组成。

其中，电机泵组采用国内专业厂家生产的高压水泵机组，可产生最高9MPa的高压水射流。

水泵将水基清洗溶液从净水箱中泵出，通过阀组的控制，经过喷嘴喷出，形成射流。

喷枪运动及工件夹紧装置控制喷枪和夹具动作。

由于本设备须将喷枪伸入阀体内部，因此需要工件位置比较精确。

工件放入工位后，由夹具夹紧，而后喷枪伸入孔内，开始清洗。

过滤系统选用国内专业厂家的定型产品；清洗后的污液首先经过磁选过滤，纸带过滤，流回污水箱，再由污水泵打入过滤精度10μ的袋式过滤器过滤，回到净水箱。

所有的控制与操作通过操作按钮、行程开关、传感器等进入PLC，由PLC程序控制协调各个动作进行，自动完成一个清洗过程。

清洗时间可由人工控制，也可由可调时间继电器来控制。

由于高压水射流对人体尤其眼睛等敏感部位容易造成伤害，而且高压射流产生的溅射也易污染工作环境，因此，整个清洗过程在密闭的机箱中进行，只有关闭机箱门，高压射流才会喷出，清洗才能进行，保证了人员安全和环境清洁。

另外，设备还设有加热器、温度传感器来控制清洗液温度；设有液位继电器防止液位过低泵吸空等。

该设备特点是，喷出的高压水射流直接从内部作用于孔内壁。

这样，水射流靶距短，能量集中损失小，作用力大，清洁污物效果非常好。

4.3 高压泵组的选用高压泵组包括柱塞式高压水泵，调压阀、安全阀、压力表等控制装置。

高压泵组是清洗机高压水的发生装置，因此，它必须保证额定压力和流量的高压水输出，同时保证有较长的使用寿命，另外，还需要有方便的维护检修内部构造和联接体系。

高压泵组还需要有更大的压力、流量和功率的选择范围，方便用户进行主要参数选择。

最后，高压泵组必须有足够的机械强度和较长的使用寿命。

4.4 高压水射流的喷水系统及装置高压水射流系统原理图，如图2所示。

整个水系统由水箱、液位计、过滤器、高压水泵单元、溢流阀、流量计、压力传感器、电磁阀、喷枪、喷嘴组成。

水箱为系统提供水源，水箱安装有液位计，当水位过高或过低时，液位计报警，保证水箱不溢流，确保整个水路系统供水安全。

水箱的水经过精过滤器、流量计进入高压泵。

流量计的作用是在水流量过低或无水流时给系统报警，系统会停止水泵工作，保护水泵。

蓄能器起到保证系统压力稳定的作用。

溢流阀保证整个水路在设定的压力下工作，对水路系统起到安全保护的作用。

根据需要打开常闭电动阀，选择水枪或喷嘴喷洒工作。

4.5 喷洒装置结构高压水系统喷洒装置的结构要根据具体的喷洒清理对象确定其喷洒结构。

如果被喷洒对象为固定轮廓，可选择的喷洒装置可以根据其轮廓设计其结构，如图3所示。

如果被喷洒对象无固定外形轮廓，喷洒装置根据其轮廓变化确定其具体结构。

4.6 钻头设计和试验参数根据室内实验结果，选取射流喷射角为14，这时钻头的破岩效果最佳，破岩扭矩和耗费的机械比能又较小，如图2所示。

将7个喷嘴中的4个布置在前面，角度为与前进方向成14，另一个为中心直喷嘴，还有2个侧喷嘴布置在钻头外径上。

又由以往使用过程中各种刀翼钻头的使用情况，在清洗钻杆泥浆时，将钻头设计为外径80 mm，2刀翼。

根据水力计算，将喷嘴直径定为0.6～1.0mm。

高压水射流和刀具联合作用时设定工作参数为:钻压:4kN；水射流压力:140Mpa；钻头转速:60～80r/min。

钻头示意图4.6 水射流刀具联合作用受力分析机械刀具在岩石上开出水平裂隙点，然后裂隙呈圆弧形向岩石表面发展。

同时，射流进入裂隙，首先在裂隙中产生张力而使裂隙扩张，继而水力能量冲击裂隙尖端，使裂隙进一步发展，比单纯机械刀具作用时产生的裂隙要长，从而使破碎的水泥碎块体积增大。

从裂隙尖端反射回来的水流又可冲走破碎后的碎屑。

高压水射流结合机械刀具破岩主要发生在刀具切削岩石的变形阶段，这一阶段是刀具受力最大的阶段，高压水射流结合刀具破岩使刀具受力极大减少。

此外，由于射流的高速冲击产生的应力，也使岩石发生变形和破坏。

水射流辅助机械刀具联合作用受力分析上图是当水射流进入刀具开出的岩石裂隙时岩石的受力状况，岩石同时承受刀具切削力、裂隙中水射流的挤胀力和射流的冲击力，这种受力状态可看作是张开形破碎。

是断裂力学中的第一种断裂形式。

由断裂力学可知，在距离裂隙尖端r 的应力状态可表达如下:3(1sin sin )]222x θθθσ=- 3(1sin sin )]222y θθθσ=+ 3sin sin222xy θθθτ=式中:r —从裂隙尖端到任意点的距离；θ—从裂隙尖端到该点的连线与水平方向的夹角；K1—I 型断裂的应力强度因子。