节能型高压汽雾清洁装置机械结构设计及制造

节能型高压汽雾清洁装置机械结构设计及制作摘要本课题工作主要是对节能型高压汽雾清洁装置机械结构进行设计及制作， 该装置使用 220V 外接电源，应用高压水射流清洗技术，来实现对汽车、墙壁等外表面的清洗。装置主要有泵、喷枪、储水水箱及高压软管等周边设备。在该装置进行设计、制作时，主要进行了核心部件如泵、喷嘴、水箱的设计选型、参数计算及材料的选择。其中最关键部件是泵和喷嘴的设计。高压泵是高压水射流能量的动力源，目前清洗机所用高压小型泵一般采用叶轮泵，考虑到泵的可靠性和寿命的问题，本设计装置选用单相电动机通过联轴器直接驱动三缸柱塞泵，体积小，结构紧凑，可有效提高了设计的经济性和实用性；喷嘴的设计、选取主要考虑到是否满足射流要求、操作要求等。通过本设计工作完成了主要部件的计算校核，应用 PRO/E 等软件对该设备进行三维造型设计，绘制了部件的工程图，并加工制造了该装置。关键词：高压射流，高压泵，喷嘴IIAbstractThis title is about designing and simulating high pressure gas-fog washing equipment saving power device. This device uses 220 volts power. The high pressure water injection cleaning technology is applied in this device to achieve the cleaning of car and advertisements appearance. The design of the device uses pump, spray nozzle, spray gun, water preserve box and high pressure flexible tubing such devices related. Through simulating the design of this device, I did a selection about device structure, parameters calculation and material to the main portions such as pump, spray nozzle, water box. High pressure pump is the root to supply high pressure water injection power. To wash a car, the small size high pressure pump which is used commonly is piston pump. Considering the reliability and lifespan of the pump, nowadays the whirlpool pump which has not very high slew speed used usually, Spray nozzle is important portion of high pressure injection of device, and is also the key technology of the high pressure water injection. Its application is transferring the pressure of high pressure water to the kinetic energy of injection liquid. That is why the structure selection and internal structure of this portion must satisfy the injection liquid fully in the processing of design.During finishing the design calculation of the main portions, the high pressure gas-fog washing car saving power device was actually done. In the progressing of the design, the most important task is pump and spray nozzle.Key words ：High pressure current， High pressure pump， nuzzle节能型高压汽雾洗车装置的设计与制作目录第一章 前言11.1 水资源现状11.2 高压汽雾清洁装置现状21.2.1 清洁装置现状21.2.2 节能型汽雾清洁装置主要原理-高压水射流技术3第二章 装置结构设计和计算过程52.1 设计方案论证52.2 计算过程62.2.1 泵的选型及主要参数计算62.2.2 电动机的选择112.2.3 喷嘴的主要参数计算122.2.4 水箱设计参数202.2.5 车体的设计与制作222.2.6 附件选择252.3 结构设计262.4 高压清洁装置的使用标准问题27第三章 设计方案校验29第四章 节能型高压汽雾清洁装置的装配与调试304.1 节能型高压汽雾清洁装置的装配与调试304.1.1. 泵和电动的装配304.1.2. 电机与车体部分的连接304.1.3. 高压水管与电机的连接304.1.4. 水箱部分的调试304.2 节能型高压汽雾清洁装置的使用注意事项304.2.1 泵的使用304.2.2 喷头的使用304.2.3 清洁装置的供水问题314.2.4 清洁装置的使用31第五章 经济效益分析32第六章 结论33参 考 文 献33致谢35节能型高压汽雾清洁装置的设计与制作第一章前言1.1 水资源现状水是地球上储量最丰富的一种化合物。全球约有四分之三的面积覆盖着水，地球上的水总体积约有 13 亿 8600 万千米立方，其中 96.5%分布在海洋，淡水只有 3500千米立方左右，陆地上谈水湖和河流的水量不到地球总水量的 1% 。可供人们用于生活、生产的淡水资源每人每年约一万立方米，但是，由于地球上人口分布与淡水资源分布不成比例，加上水资源污染和使用过程中的浪费，世界上许多国家和地区存在着淡水资源紧张的情况，随着经济的不断发展，不久的将来，淡水资源紧缺将成为世界各国普遍面临的严峻问题。我国属于缺水国，虽然中国水资源总量丰富，但人均水资源占有量仅相当于世界人均水资源占有量的 1/4，位列世界第 121 位，是联合国认定的“水资源紧缺” 国家。在全国 600 多个城市中，有 400 多个城市存在供水不足的问题，其中缺水比较严重的城市有 110 个，全国城市缺水年总量达 60 亿立方米。我国多年平均降水量约 6 万亿立方米，其中 54即 3.2 万亿立方米左右通过土壤蒸发和植物散布又回到大气中，余下的约有 2.8 万亿立方米绝大部分形成了地面径流和极少数渗入地下。这就是我国拥有的淡水资源总量，这一总量低于巴西、俄罗斯、加拿大、美国和印度尼西亚，居世界第六位。但因人口基数大，人均拥有水资源量是很少的，仅为 2200 立方米，占世界人均占有量的四分之一。专家预测，我国人口在 2030 年将进入高峰时期，届时人均水资源量大约只有 1750 立方米，中国将成为严重缺水的国家。目前，中国已被列入全世界人均水资源 13 个贫水国家之一，而且分布不均， 大量淡水资源集中在南方，北方淡水资源只有南方水资源的 14。据统计，全国600 多个城市中有一半以上城市不同程度缺水，沿海城市也不例外，甚至更为严重。目前我国城市供水以地表水或地下水为主，或者两种水源混合使用，有些城市因地下水过度开采，造成地下水位下降，有的城市形成了几百平方公里的大漏斗，使海水倒灌数十公里。由于工业废水的肆意排放，导致 80以上的地表水、地下水被污染。34专家们警告：“20 年后中国将找不到可饮用的水资源”。美国民间有影响的智囊机构世界观察研究所发表的一份报告中称：“由于中国城市地区和工业地区对水需求量迅速增大，中国将长期陷入缺水状况。”中国的黄河在过去的 10 多年年年断流，其中 1997 年断流 226 天。流经中国一些人口稠密集地区的淮河去年也断流了 90 天。根据卫星拍摄的照片，数百个湖泊正在干涸，一些地方性的河流也在消失。目前全国 600 多座城市中，有 300 多座城市缺水，其中严重缺水的有108 个。其中北京市的人均占有水量为全世界人均占有水量的 113，连一些干旱的阿拉伯国家都不如。由上可见水资源短缺已成为一个不争的事实，因此我们要从自我做起，珍惜用水，树立正确的节水意识，不要让世界上最后一滴水是我们自己的眼泪。1.2 高压汽雾清洁装置现状1.2.1 清洁装置现状近年来，汽车清洁等清洗业用水量日益增加，水资源浪费现象十分突出。以哈尔滨市洗车行业为例，据调查，全市水资源人均占有量 1350 立方米，市区人均占有量仅 91 立方米，市区日供水能力 107 万吨，日需水量 139 万吨，逆差 32 万吨。在水资源这样短缺的城市，却有 1000 多家洗车行，每年洗车用水量 600 多万吨，相当于市区 395 万人口 10 天的用水量。根据2004 年哈尔滨市国民经济和社会发展公报，哈市居民生活用水 2.15 亿吨，可灌溉 12 万公顷农田。节能型高压汽雾清洁装置为一种省水的清洗装置。目前市场上常用的高压洗车方式，一辆车需要用水量为 70 到 120 升。而本装置用水量设计仅为其十分之一。虽然一些城市推行的无水洗车方法可以节省大量的生活用水，但据考证这种无水洗车对车漆的损害极大，经常使用会使汽车表面的亮漆出现划痕，影响车体美观，因此逐渐被人们所淘汰。随着全球经济建设迅猛的发展，城市严重缺水已成为不争的现实，环保节水与可持续发展成为当今世界的两大主题。清洗业特别是汽车清洗正向着环保、节水的方向发展。省水、节水型清洗代替传统的废水、污染型清洗。由于近年来我国人民的生活水平的提高，汽车已走进寻常百姓家庭，这对清洗业的专业化、规模化、绿色节水服务提供了一种难得的机遇，提供了一个巨大的、可持续发展的和可以进一步地开拓的市场。目前大街小巷汽车清洗作坊正如星火燎原之时就证明了这一点。本装置顺应这种潮流，即可为成为家庭洗车的工具，也可为社区有车人群提供流动服务，更可为专业的清洗提供不可多得的设备。1.2.2 节能型汽雾清洁装置主要原理-高压水射流技术高压水射流技术是近年来发展十分迅猛的一门新兴技术，它是利用高压水发生设备产生高压水，通过喷嘴将压力转变为高度聚集的水射流动，通过高压水射流来完成清洗、切割、破碎等各种工艺的技术，其高能量密度、良好的射流可控性与材料适应性，既能满足各类清洗工程的需要，又可作为表而涂装预处理的一道工序。高压水射流清洗系统的基本部件，如高压泵、高压软管、喷嘴及各类阀门管件业己商品化，最高工作压力可达 270 MPa。高压水射流技术以水射流为中心，集泵、阀、密封、液压、材料、自动化控制等多学科为一体,其原理是用高压泵打出高压水,经管道到喷嘴,喷嘴则把高压低流速的水转化成低压高流速、高能量密度的水射流,正向或切向冲击被清洗表而。从而将污垢剥离,完成清洗作业。高压水射流清洗属于物理清洗。由于高压水射流清洗具有清洗成本低、速度快、清净率高、不损坏被清洗物、应用范围广、不污染环境等诸多优点，一经问世，便得到了快速的发展和广泛使用，在各种物理清洗方法的实际应用中占很高比例。在工业发达国家高压水射流清洗已经成为主流清洗技术，在清洗业市场占到了较高的份额。目前，在一些发达国家已达市场份额的 80以上，如美国石油化工企业的换热设备清洗，采用化学清洗的只占 5，而采用高压水射流清洗的则占 80以上1,2。1.2.3 高压汽雾清洁装置的产品优点高压喷射清洗的工作原理是通过高压泵将清洗液压送至喷嘴，在出口处形成射流，产生很高速度；利用高速射流喷射于工件表面形成冲击、冲蚀、疲劳和气蚀等多种作用，清除在表面的油脂、污垢、旧漆、薄锈等，使达到所要求的清洁度。节能型高压汽雾清洁装置正是充分利用了高压水射流清洗技术。是一项可靠、经济实用的清洗技术。与化学清洗相比，该技术具有如下优点。(1) 清洗质量好 高压水射流清洗管道及热交换器内孔时，能将管内的结垢物和堵塞物全部剔除干净，可见到金属本体。具有巨大的能量且以超音速运动的高压水射流完全能够破坏坚硬结垢物和堵塞物，但对金属没有任何破坏作用。同时又由于高压水的压力小于金属或钢筋混凝土的抗压强度，故对管路没有任何破坏作用，能实现高质量清洗。通常情况下，选择合适的压力等级，高压水射流清洗不会损伤被清洗机体。(2) 清洗速度快由于水射流的冲刷、剪切、磨削等复合破碎作用，可迅速将结垢物打碎脱落，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清洗速度快几倍到几十倍。同时，采用高压水射流清洗后的部件无需进行二次洁净处理， 而化学清洗后则需用清水将表面的化学药剂清洗掉。(3) 无环境污染 由于高压水射流清洗是以清水为介质，因而水射流清洗 不像喷砂抛丸及简单机械清洗那样产生大量粉尘，污染大气环境，损害人体健康；也不像有些化学清洗那样，产生大量的废液污染河道、土质和水质。以清水为介质水射流。无臭、无味、无毒，喷出的射流雾化后，还可降低作业区的空气粉尘浓度。(4) 适用范围广 高压水射流清洗能清洗形状和结构复杂的零部件，能在空间狭窄复杂和操作环境较差的条件下进行清洗，对设备材质、特性、形状及垢物种类均无特殊要求，只要求能够直射，故其应用十分广泛。(5) 易于机械化、自动化。(6) 节能、省水、清洗成本低高压水射流使刚的介质是自来水，它来源容易， 普遍存在。在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂，即可清洗干净，故清洗成本低。(7) 在设备维修十能较好恢复没备性能、延长设备寿命，与其他物理清洗技术相比，高压水射流清洗也有着独特的优势。近年来清洗技术发展迅速，新的清洗方法和技术不断出现，特别是各种物理清洗方法和技术得到快速的发展和广泛应用。从目前的清洗技术专利统计看，大部分清洗技术属物理清洗，化学清洗仅占约 1/4。物理清洗技术已成为世界清洗技术发展的主要方向其中高压水射流清洗技术的发展与应用最为迅猛和广泛，已经成为清洗行业的一种主要的清洗技术。第二章装置结构设计和计算过程2.1 设计方案论证节能型高压汽雾清洁装置具有高压、高速、能量与打击力高度集中、操作简便、无污染等特点。在系统设计时，核心设计问题是高压水射流清洗的高效、节能问题。系统合理设计是提高高压水射流清洗效率的重要因素。一般情况下，高压水射流清洁机的用户在选用清洗机时，往往不重视整机系统合理设计，没有注意到高压水泵选型中压力、流量、功率的合理匹配；没有重视系统中喷头自进效果与管中压力损失问题，更没有考虑喷枪的技术与质量对清洗效果的重要作用，致使工作效率不高，清洗质量低劣，机器使用极其不便，达不到合理的清洗要求。因此，系统设计时要考虑以下问题：（1） 压力与流量的合理匹配压力的大小主要是针对污垢物的强度而定，是为了解决结垢物是否能够有效破坏的问题。对于清洗射流，喷枪的打击压力大于结垢物的压力强度，结垢物被破坏，这种破坏多以能量形式来表现，即单位结垢物必须接受足够能量才能破碎。当压力强度足够时，若想大幅度提高破坏垢物的效果， 提高压力就变成次要条件了，主要靠提高射流流量才会获得这种效果。故在一定的压力强度下，流量是提高清洗效果的重要因素。泵流量的选择主要为了解决清洗速度快慢即生产效率高低的问题。那些只考虑清洗机压力高低而忽视流量或功率大小正确选定，常因对清洗机选择不当，往往达不到使用目的。由流体力学原理可知，提高射流的压力和流量都能提高射流的功率，且两者都与射流功率成正比。实际上，两者的提高对打击垢物效果是有很大区别的，并不都成正比。只有正确选定压力和流量才能充分发挥清洗机的效能。（2） 足够的喷头自进力与最小的高压胶管压力损失的优化选择 应用高压水射流清洗排水管道时，喷头在上下水、排污管道中的向前推进有几种形式：其一是靠液压马达带动高压胶管旋转，在旋转过程中，推进机构的三个交叉的胶轮使胶管自动前进；其二是在大型管道中，前方井口设置绞车等动力装置，通过牵引钢丝绳带动高压胶管前进。这两种方法共同缺点是另设动力装置，使其系统结构复杂，操作不便；第三种形式是在喷头中，靠喷嘴的喷射反力而使喷头自动前进。其优点是不需另外安装动力机构，充分地利用高压水的自身反力和能量，系统简单，使用方便。其缺点是喷头不能在清洗管道中居中布置，喷射能量利用不充分；另外由于胶管自身重量，喷头前进的距离也不能太长。喷头的自进力就是喷嘴的喷射反力。喷嘴前进时，其自进力主要用来克服高压胶管与清洗管道之间的摩擦阻力。喷头的实际压力等于高压泵出口压力减去高压水在高压胶管的压力损失。就喷头喷射打击力与喷射反力需要而言，希望高压胶管中压力损失越小越好，这时高压胶管越粗越好。但是从高压胶管在管道中的摩擦阻力来看，高压胶管越细越好。对高压胶管的选型必须根据喷头自进力及高压胶管运动阻力综合考虑，否则不是影响喷头自进效果，就是严重影响喷头的打击力和清洗效果3。2.2 计算过程2.2.1 泵的选型及主要参数计算1性能参数参考设计产品需求，确定泵的主要参数如下： 流量：Q=8.5L/min=1.4210-4m3/s单级扬程：H=15m 总扬程：H=30m 2转速 n 的选定因为要求自吸并能液气混输，故转速不用太高，所以选择 n=2800r/min。3比转数 n 的计算及泵类型的确定1.42 10sn =(3.65n Q )/ H3/4=(3.652800-4)/153/4=15.98由比转数ns16，通过查表，有以下三种泵可供选择：柱塞泵、漩涡泵、离心泵。4柱塞泵、漩涡泵、离心泵性能比较如表 2-1 所示：表 2-1 柱塞泵、漩涡泵、离心泵比较柱塞泵漩涡泵离心泵节能型高压汽雾清洁装置的设计与制作工作原理利用柱塞的往复运动，使泵腔的工作容积间歇变 化，泵阀控制液体单向吸入排除形成工作循环使液体能量增加。叶轮旋转产生离心力， 是液体形成径向旋转， 同时叶片间有形成纵 向漩涡，是液体在泵内多次反复增能。叶轮旋转产生离心力，是液体能量增加，在泵体中蜗壳扩散管中是速度能转变为压力。适用范围1、介质粘度要求不高，适用范围广，可用于输送高压油、乳化液、清水等介质 ； 2.、具有体积小、结构紧凑、功率大、压力强、雾化好、射程远；3、适用于介质溶解或带气量较大等情况；4、适用于流量不均匀，且具有一定的自吸能力；1、介质粘度不大于0.2104m2/s0.35104m2/s，温度不大于100。流量较小、扬程较高，Q-H曲线要求较陡； 2、介质溶解或带气量大于 5%时，宜选用旋涡泵； 3、要求自吸式是选用WZ 型柱塞泵；1、介质密度不宜大于 6.5104m2/s； 2、流量小、量程高的不宜选取； 3、介质溶解或带气量大于5%时，不宜选取；4、要求流量变化大、扬程变化小的选取平坦的Q-H 曲线离心泵，否则相反； 5、介质中含有固体颗粒在3%以下选一般离心泵，超过3%选特殊泵；主要零部件1、曲轴2、机身3、十字头部分4、拉杆5、柱塞6、填料室7、排出阀8、缸体9、吸入阀1、泵体2、叶轮3、隔板4、流道5、密封装置1、泵轴2、轴承体3、托架4、联轴器5、叶轮6、泵体7、密封环8、轴封机构9、轴向力平衡机械续表 2-1柱塞泵漩涡泵离心泵性能1、流量小而不均匀（脉动）几乎不随扬程变化；2、扬程大，但决定于泵本身动力和强度；3、吸入高度大，不易产生抽空现象，有很强的自吸能力；4、效率较高，但不同扬程和流量下工作效率仍保持较高。1、流量小而均匀，且随扬程变化；2、扬程大小决定叶轮外径和转速；3、吸入高度小，开式泵有一定自吸能力；4、在低流量下，效率较离心泵高。1、流量大而均匀，且随扬程变化；2、扬程大小决定叶轮外径和转速；3、吸入高度较小，亦产生气蚀；4、在低流量下，效率较低， 大型泵效率高。效率（ns16）30%50%20%50%15%45%5泵结构型式的选择、 选型依据泵选型的依据就是输送系统的有关参数、特性、条件，如下即为选型时必要的已知条件：（1）输送介质的物理化学性能。包括介质名称、介质特性（如腐蚀性、磨蚀性、毒性等）、固体颗粒含量及颗粒大小密度、粘度、汽化压力等。（2）工艺参数。要确定通过每台泵的流量、扬程，需要首先进行输送系统管路的设计，确定总的输送量，才能计算出每台泵的流量，再根据管路系统计算每台泵的扬程。（3）其它因素。选型时要考虑场地条件的限制、工程造价、安装高度等，从而决定采用何种结构形式的泵型，如立式泵、清水泵、自吸泵等。 、 泵 类 型 的 选 择1、从自吸方面考虑，柱塞泵、漩涡泵、离心泵相比较，柱塞泵的自吸能力较强，旋涡泵其次，离心泵最小，且柱塞泵不易产生气蚀；节能型高压汽雾清洁装置的设计与制作2、从用途方面考虑，节能型高压清洁装置主要应用于清洗、清晰墙面等，漩涡泵、离心泵流量小而均匀，而柱塞泵流量不均匀，有脉动情况，更利于清洗作业；3、从流量方面考虑，节能型高压清洁装置宜采用流量较小的柱塞泵、漩涡泵；4、从效率方面考虑，当比转数ns16 时，柱塞泵、漩涡泵、离心泵相比较分别为 30%50%、20%50%、15%45%。、综上，选取柱塞泵作为节能型高压清洁装置的动力源。柱塞泵适用范围广， 具有体积小、结构紧凑、功率大、压力强、雾化好、射程远、推拉行走方便，可边走边喷雾，操作、维修方便等优点。6柱塞泵型号的选取根据流量、量程和装置所需要的压力，选取 3 DS-1/200 型号柱塞泵。此泵为三缸动力柱塞泵，主要用于输水，其流量为 1 m3/h，压力为 200 kgf/cm2。7柱塞泵的工作过程当柱塞杆向后移动时，泵腔的容积空间逐渐增大，形成部分真空，这时吸入阀在压差的作用下克服了弹簧的压力，而打开阀门，液体充满泵腔，此时由于排出阀弹簧压住阀片的方向吸入阀门相反，因此阀片在压差和弹簧力的作用下紧紧关闭 。这就是吸汝过程。当柱塞向前移动时，此时液体已充满泵腔，工作室内的液压与吸入端的液压是平衡的，因此，吸入阀盘在弹簧力的作用下而遵守。当柱塞继续向前移动，泵腔的工作室就逐渐减少，液体受到压缩（升压）。当液压生到能克服排出阀盘弹簧压力和管道阻力的情况下，液体就顶开排出阀盘，流向排出管道，这就是泵的排出过程。曲轴旋转一周，每个柱塞杆往复行程一次，也就是完成一次吸入与排出。 而三缸泵，就是有三个柱塞交替在工作，即曲轴转一周时每个柱塞杆往复行程一次运动，所以它的总排量是一个柱塞的三倍。8材料选择材料选择时应该考虑以下因素：介质的腐蚀性，材料对于介质的耐腐蚀性是有一定范围的，例如耐酸钢ICrl8N19 耐中，稀浓度的硝酸或有机酸的腐蚀，但是不耐稀硫酸的腐蚀。电化学腐蚀，在泵的整个流道最好采用相同的金属材料。介质温度，材料在很低的温度下性脆，在高温时会产生蠕变；某种材料能耐常温的某种介质的腐蚀，但不耐高温的该介质的腐蚀；材料性能应满足所输送介质温度的要求。经济性，在设计或使用中的高材低用、或不耐蚀材料当耐蚀材料采用都是不经济的。固体颗粒的磨损性，介质中含有磨料性的固体颗粒时，应采用耐磨的材料。材料间的咬合性 ，对于有相对运动的零件，如轴与轴套、螺栓与螺母、叶轮密封环与泵体密封环、平衡盘与平衡板等，在选择材料时应使两零件材料的硬度有些差别，否则庄装卸或运转中容易互相咬住或擦伤。同一零件上温差的大小，在工作时同一位置的温度相差很大的零件，例如热油泵阀体填料函冷却水套与泵体相交的地方，与介质接触的泵体温度高，膨胀大，与冷却水接触后冷却套外周温度低，膨胀小，这样的零件宜采用塑性好的材料，以免运转中由于膨胀不同石产生裂纹。高速液流通过的地方，高扬程泵的叶轮叶片，导叶叶片进口处，单级扬程很高的密封环，高扬程泵平衡套、平衡盘和平衡板等处应采用耐冲刷的材料(铬不锈钢或铬镍耐酸钢)。需要补焊的零件，在铸造加工及使用过程中需要补焊的零件应采用焊接性好的材料(例如低碳钢的焊接性比高碳钢好)。单级扬程很高，单级扬程达到数百米甚至上千米的泵，叶轮及导叶的材料应采用耐冲刷、抗汽蚀的高强度钢，如沉淀硬化不锈钢等。结合本课题具体设计要求，泵的选材如下表：表 2-2泵的主要零件材质表零件泵体油缸套柱塞柱塞杆涨圈阀弹簧材料HT1836HT1836HT183645HT183660Si2Mn零件盘根箱体盘根压盖盘根衬环双头螺栓螺帽阀座材料HT1836HT2141HT1836A4、A5或 30、354540Cr9柱塞泵的 pre/e 设计图图 2-1 柱塞泵示意图图 2-2 三缸柱塞结构2.2.2 电动机的选择（1） 型号：YY8032 型单相电容电动机（2） 功率：1.3 kw（3）电源：220 v ，50 Hz，单相2.2.3 喷嘴的主要参数计算（1）喷嘴的理论基础高压汽雾清洁装置由柱塞泵、调压装置、软管与硬管、喷嘴及控制装置等部件组成。高压水射流成套设备应该以喷嘴为中心，因为喷嘴作为形成高压水射流的直接工况，它的作用效果会直接影响到系统的每个部件。选用与高压水射流清洗系统相匹配的喷嘴，可以减少水射流能量的损失，提高清洗的效率。因为泵的流量基本上是固定的，泵排出的水一部分经过溢流阀回到水箱，一部分经过管线进入喷嘴形成高压水射流，为了达到去除污垢的目的，必须使经过喷嘴小孔的流体具备一定的速度，这就要求泵必须具备一定的输入功率。当泵的压力和流量等参数确定以后，与之相匹配的喷嘴孔径就能确定下来:qmpd = 0.69（2-1）式中:d 为喷嘴小孔出口截面直径，mm；q 为泵的流量，L/min；为流体的流量系数；p 为泵的额定压力 MP。以上讨论的只是单孔喷嘴的孔径计算，实际应用中以多孔喷嘴为主，在这种情况下，多孔喷嘴的孔径计算应以单孔喷嘴的孔径为当量直径，如果 d 为单孔喷嘴的孔径，d为多孔喷嘴的孔径，则它们之间的关系为：pd 2 = npd 2（2-2）式中n为孔的个数4,5。（2）喷嘴射流分析清洗液从喷嘴出口形成的射流由三部分组成，即初始段、基本段和离散段，如图 2-3 所示。图 2-3 射流结构示意图射流一出喷嘴，其表面即被破坏成大块水片，并开始与空气混杂。射流不变成为圆柱段，仅由等速核心 1 和外部边界层 2 组成。随着射流向前移动，由于粘性作用，使射流直径逐渐增大。由于周围液流的滞流作用，等速核心向前流动时不断变细，直至过渡断向 e-e后完全消失，初始段结束。过渡断面 e-e后即为基本段和离散段。由于作用在射流上的重力、空气阻力和射流的波动性质以及紊流性等等影响，射流发生了分散，所以离散段是由分散的水滴所组成。在高压喷射清洗中，随压力增加，射流扩散程度增加，初始段随之缩短。当压力大于 1215MPa (120150kgf/cm3)后，射流的几何形状实际不变。当喷射射流呈倾斜位置时，初始段水柱的末端将描绘出一条 ABCD 的轨迹，离散部分的终端将近似地描绘出轨迹 ABC。以 ABCD 曲线为限的区域，为射流的初始段区域，曲线 ABCD 与 ABC之间的区域为射流的基本段和离散段的区域，如图 2-4 所示。图 2-4 倾斜射流的流程图在不同倾斜角 下的射程为:R1 = f1 H2(2-3)式中R1射流离散段的射程，m R2射流初始段的射程，mH2射流离散段实际垂直高度，m H2射流初始段实际垂直高度，m f与射流倾斜角有关的系数，见下表表 2-3 射流倾斜角有关系数值倾斜角0153045607590f1.41.31.21.121.071.031.0高压喷射清洗时，喷嘴与工件的间距应在射流初始段射程的 50%以内。使用中常取 300600mm。高压喷射清洗的工艺参数选择高压喷射清洗的两个最主要工艺参数是压力和流量。所需功率即由此两项工艺参数确定，计算公式如下:N = PQ式中(2-4)N高压喷射清洗所需功率，单位 W P清洗系统的工作压力，单位 Pa Q流量，单位m3/s由上述可知，适当提高工作压力，能够获得轻巧和紧凑的结构，因此，高压喷射清洗的发展趋向是提高工作压力。但是，随着工作压力提高，喷嘴、管件的性能也相当提高，密封件的质量要求提高，成本相应增加。还有，工作压力提高，射流到工件表面有可能反弹回去，对高压喷射清洗产生干扰，甚至使清洗液雾化，降低清洗效果。常用工作压力宜取 510MPa。大型工件的高效率清洗，其工作压力宜为 21.644.1MPa，国外高压喷洗的工作压力已有提高到 68.6MPa的，如用于机车车辆外表面清洗等6,7。（3）喷嘴的类型及选择喷嘴按工作孔数分为单孔喷嘴和多孔喷嘴；按射流形状分为实心锥形喷嘴、空心锥形喷嘴、扇形喷嘴；按工作状态分为固定喷嘴、二维旋转喷嘴、三维旋转喷嘴。图 2-5 为几种典型的内表面清洗喷嘴8。(a) 多孔向前喷嘴（b）单孔向前喷嘴（c）大流量喷嘴（d）一孔向前多孔向后图 2-5 几种典型的内表面清洗喷嘴图 3(a)型喷嘴用在管垢比较难打、需要多次清洗的情况下，通过人工控制硬管连续冲洗。图 3(b)型喷嘴只有一个孔，所有水射流的能量集中，能够增强打击力， 用于清洗管程短的管道。图 3(a)型喷嘴的适应工况是压力低(30 MPa)、流量大。图3(d)型喷嘴中心孔用于疏通被堵塞的管道，向后喷孔产生反作用力，利用水射流的反冲力，使喷嘴不需要人工向前送，就可以和软管沿着管道自进。喷嘴数量决定于所清洗工件的外形尺寸和复杂程度，以及喷嘴的布置及工件往复移动的范围。当所清洗工件能够往复移动的，喷嘴数可较少，如采用 1020 个； 当工件固定不能移动时，喷嘴数增多，可增至 1530 个。对于手持式高压喷射清洗机，其喷嘴数常为 1 个。通过对喷嘴的理论分析和实验表明:喷嘴的孔数越少，打击力越大；喷嘴的孔数越多，打击力越小，但清洗面比较大。所以，在选用喷嘴的时候，应该根据现场的清洗工况来确定喷嘴的类型。一般情况下，对于结垢严重的管道，宜选用单孔喷嘴，对于比较软的垢物则用孔数多的喷嘴，可以提高清洗效率，单孔向前多孔向后的喷嘴可以利用射流的反冲力使喷嘴自进，减轻工人的劳动强度。在选购喷嘴的时候，应该考虑到喷嘴形式对清洗性能的影响，一般来说，=13，l/d 是 24 为喷嘴的最佳设计参数9。高压喷射清洗中的喷嘴是将高压而流速较低的液流转化为低压而流速很高的射流。喷嘴性能直接影响射流水力性能和工件的清洗质量。为射流出口尽可能减少紊流和横向水流，喷嘴应有合适的内腔锥角，并保证进口光滑过渡。喷嘴的材质应耐磨、耐用。高压喷射清洗中常用喷嘴有三种类型:收敛圆锥形、喷嘴流线形喷嘴和流线圆锥形喷嘴。在清洗工程中应用的大多是收敛圆锥型喷嘴。如图 2-6 所示。图 2-6 圆锥收敛型喷嘴的几何参数该喷嘴的基本特征是=13，l/d=24。实验结果表明:=13的有效靶距最大，靶距越大，喷嘴的效率越高，同时 l/d 为 24 时为最佳值。表 2-4 各种形状喷嘴的与 l/d 取值编号/（）l/d编号/（）l/dA132.2D60B11810.OE130C301.0收敛圆锥形喷嘴能形成较长的射流密实段和具有最大的冲击力，同时有改善出口流速分布和减少射流紊流。这种类型喷嘴的结构如图所示。主要的结构参数是:喷嘴直径 d，圆柱形短管 l 和内腔锥角。内腔锥角宜取 1314。内腔锥角适宜能使射流的密实段较长，从而使喷嘴获得较大射程和冲击力。喷嘴直径一般常取 14mm。圆柱形短管的长度增加虽然水力损失增加，但可减少紊流。圆柱形短管的长度随喷嘴直径而异，并相应确定喷嘴的总长度，三者的参考尺寸见下表表 2-5小直径喷嘴的主要结构尺寸喷嘴出口直径 d，mm圆柱形短管长度 l，mm喷嘴总长度 L，mm1.02.550.81.52.7549.852.0548.92.76.7547.554.01045.12流线形喷嘴的结构特点是为了使水流平顺以减少水流冲击损失。流线圆锥形喷嘴是综合上述两种喷嘴的优点，以减小喷嘴的能量损失，流量系数大，因此射流具有最大的动能。制造喷嘴的材料常用优质钢或合金纲。对于使用不频繁的喷嘴亦可用铜制造， 取其易于加工，较易达到表面粗糙度要求。喷嘴内腔的表面粗糙度要求达到 RA 值为 0.2m，Rx、Ry 值为 1.6m，才有助于达到较长的密实射流。喷嘴内腔的表面粗糙度在使用过程中应妥加保护，一旦内腔出现划痕，射流条件将变坏。（4）喷嘴材料的选择制造喷头所用的材料的选择十分重要。腐蚀最终会使喷嘴的有效直径变大且破坏其表面涂层。这两个因素都会使得流出系数(Cd)减小。由于清洗效果跟流出系数的平方成正比，所以上述因素可能会浪费到大约 50的有效能量。主要的能量损失发生在喷头和工作表面之间。随着水离开喷头，水柱开始分裂，从而导致动能和冲击力损失。不同的材料可以使得喷头的磨损和水柱性能有着明显的不同，故而现在喷头的设计多种多样，包括表面硬化钢、陶瓷硬质合金和刚玉嵌件。尽管硬化不锈钢依然是目前最为常见的材料，但是利用其他更贵的材料如硬质合金可能会比硬化不锈钢有更好的性价比，这一点在超高压水条件下尤其明显。但考虑到市场上常见的喷嘴型号，以及工作时的方便时，购买了可调节的喷嘴， 此喷嘴可以在一定范围内，通过改变喷嘴形状，从而改变喷嘴压力。最后应用 PRO/E 软件进行三维实体造型。如图 8 所示：喷枪的主体及手柄部分由化工塑料制作，价格较低，性价比高，耐腐蚀。喷嘴部分（喷头芯、喷嘴压环、喷嘴套、喷头帽）作为喷枪强的主要部分由铜制作，成本较高，但是性价比高，在超高压水射条件下尤其明显，。图 2-7 喷枪效果图图 2-8 喷头芯图2-9 喷嘴压环图 2-10 喷嘴套图 2-11 手柄图 2-12 喷头帽图 2-13 喷枪主体部分2.2.4 水箱设计参数清洗装置考虑到用水的需求量和携带方便，水箱的设计尺寸为：长宽高：433020CM 容积：15kg，适合储存在汽车的后备箱或家中，使水箱加水更方便， 双重的过滤网，能保证喷头不阻塞。水箱的选材，考虑柱塞泵的工作状态和水的压力冲击，水箱材料使用塑料。 根据以上水箱参数设计结果，应用 PRO/E 软件进行三维实体造型，如下图所示：图 2-14 水箱盖图 2-15 水箱体图 2-16 水箱2.2.5 车体的设计与制作（1） 在结构设计上，主要考虑的主要承载的物品有：泵、电机、水箱及相关附件。因此，将车体制作成两层结构，车体主要由管材和薄板组成。产品图形如图 2-17：图 2-17 车体效果图（2） 车体分为两层，如上图，顶层主要承载柱塞泵和电机，底层承载水箱。（3） 车体的材料选取上，主要考虑的问题是车体的承重问题。车体所承受的重量主要来自泵、电机和水箱，其中，泵和电机总质量约为 26 kg，水箱盛水后重量为 15kg。因此，车体主要结构选用直径为 16mm，厚度为 1mm 的管材，车板采用 1mm 的直板。材料上为保持车体的稳固，使用合金制作。（4） 各部分结构设计图（pro/e 及 AUTO CAD 图）图 2-18 车体支架图 2-19 车体横梁图 2-20 车体支撑板图 2-21 车体滚轮图 2-22 车体支架结构图 2-23 车体滚轮零件图2.2.6 附件选择附件的选取主要考虑的是进水管和出水管。其中考虑到进水管的压力较小，采用普通弹性软管，而出水管压力较高，因此，采用高压软管，管路由内管、增强层和外皮组成。内管输送水，增强层提高内管的强度以耐受高压，外皮起保护作用， 以防止腐蚀和机械损伤。接头生产标准与软管的标准一样，并作为软管组装的一部分经过“爆裂压强” 水压测试。所用的材料包括不锈钢和镀有高速切削钢钴锌。用于高压软管的接头通常用镟锻工具塑造，并通常被设计为旋转接头。图 2-24 短管图 2-25 长管2.3 结构设计周边设备动力装置高压水装置系统主要由高压水装置、动力设备、喷嘴、水箱和工作附件组成。如图 2-26：高压气雾清洁装置柱塞泵220v 外接电源工作附件水 外箱 接水或 源喷嘴图 2-26高压汽雾清洁装置组成（1） 高压水装置是系统最重要的组成部分，由柱塞泵组成。（2） 系统动力部分是 220v 外接车载电源。（3） 喷嘴的作用是将高压低速水转化为低压高速的射流。（4） 水箱的作用是存储水，系统高压水装置也放在水箱中。（5） 工作附件由高压软管和接头组成。高压水泵和喷嘴之间通过高压软管连接。产品的效果图如图 2-27 所示：图 2-27 高压清洁装置的效果图2.4 高压清洁装置的使用标准问题随着经济发展的需求，电动高压清洗机产品使用的越来越多，已被广泛应用于汽车清洗和卫生清洁等领域。由于电动高压清洗机足一种由电动机驱动，带有水源的可移式电动工具，因此，它的性能虾坏直接危及人的生命安全。目前，国外对带水源电动工具的电气安全要求是十分严格的目的是确保使用者的人身安全，防止电击事故发生；而在我国，由于未能意识到这类产品的电气安全的重要眭，对安全方面的技术要求缺乏详尽而严格的规定，甚至，至今没有此类产品的强制性安全国家标准。电动高压清洗机产品造成电击的原因一是用户使用不当，二是(主要也是)产品本身存在缺陷目前生产的电动高压清洗机产品，多数企业没有按照电动工具的要求制定相应的安全标准，而是简单的执行 JB62841992小型喷射式清洗机标准该标准为产品性能标准，主要是对产品使用性能的规定，对安全指标虽有规定但也是最基本的要求，只是绝缘电阻和耐压试验等项目而按照 GB139601992可移式电动工具的安全第一部分一般要求的规定电动高压清洗机产品为可移式电动工具，这类产品仅靠这两个项目来保证使用者的安全是远远不够的，我们认为必须有严格适合于电动工具的安全要求，应该符台 GB139601992可移式电动工具的安全第一部分一般要求的规定；虽然，目前国家尚未制定电动高压清洗机的特殊要求的国家标准，但是，按照标准化法第二章第六条第二款的规定，企业生产的产品没有国家标准和行业标准的，应当制定企业标准作为组织生产的依据以及产品质量法第二章第十三条的规定，可能危及人体健康和人身、财产安全的工业产品，必须符合保障人体健康和人身、财产安全的国家标准、行业标准； 未制定国家标准、行业标准的，必须符合保障人体健康和人身、财产安全的要求。禁止生产、销售不符合保障人体健康和人身、财产安全的标准和要求的工业产品。根据上述规定企业磐须制定保证人身安全的企业标准该类企业标准至少应包括下列要求：1 触电保护应符台 GB1396092 第 8 章要求。2. 阻止外部物体和潮气进入的防护应符台 GB420893 中防喷的 IPX5 的相关要求以及 GB1396092 第 14 章其他要求。3. 绝缘电阻和介电强度应符合 GB1396092 第 15 章要求。4. 机械强度应符合 GB1396092 第 19 章要求5. 结构应符台 GB1396092 第 20 章要求： 6电源联接与外接软电缆和软线 应符合 GB1396092 第 23 章要求： 7 接地装置应符合 GB1396092 第 25 章要求。8泄漏电流应符合 GB1396092 第 12 章要求。综上所述，电动高压清洗机产品既然属于可移式电动工具类，就应首先符合GB139601992可移式电动工具