(整理)基于高压水射流清洗技术的研究

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 A

ρρθρθσρθ--====-∆∆∆ （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：

2

22v H g ϕ= （5）

将式（3）代入式（5）得：

2

2222(1cos )p v H g g σϕρθϕ

==- （6） 即：22(1cos )p

P 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；