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超高压水射流喷丸机床设计
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附录1 专题：水射流清洗技术的研究现状摘要 近年来水射流清洗技术已在众多领域得到广泛的应用，并且取得了显著的成效。本文主要介绍了水射流清洗技术的工作原理、特点及其应用现状，并展望其发展前景和趋势。关键词 水射流清洗技术 应用现状 发展趋势Abstract In resent years, water jet cleaning technology has obtained extensive application in many fields, and results of its application are notable. This paper mainly introduces operating principle feature and current situation of application of water jet cleaning technology, then, describes its development foreground and trend. Key words water jet cleaning technology current situation of application development trend水射流清洗是一项不断发展的清洗技术，传统的水射流清洗是延用至今的低压大流量水射流冲洗，那时水射流清洗作业又称为“水力剥层”。而高压水射流清洗技术是水射流清洗技术的最新发展。由于世界各国对环境保护日益重视，高压水射流清洗技术以其广泛的通用性和对环境无害性在清洗行业异军突起，备受清洗行业的表睐，应用日益广泛。1.高压水射流清洗技术的工作原理和特点高压水射流清洗技术的工作原理是利用高压水泵将普通水的压力提高至40250MPa，单枪流量约为20-39L/min，从喷嘴射出，形成超高压水射流或磨料水射流，利用水射流的强大冲击力、冲蚀力和剥离能力，快速地将涂层、结垢，铁锈和油漆去除干净。在清洗时，可采用纯水射流清洗和磨料水射流清洗两种方式。采用纯水清洗时，水射流的压力很高，可采用旋转喷头，清洗速度快，设备简单。采用磨料水射流清洗时，水射流的压力相对较小，磨料为便宜的石莫砂，操作相对复杂。水射流清洗技术是射流技术和清洗设备组合在一起而形成的。磨料水射流是磨料与高速流动的水或者与高压水互相混合而形成的液固两相介质射流。磨料射流也称为高效射流（也包括脉冲射流，空化射流等），分为后混合磨料射流，前混合磨料射流和外混合磨料射流。外混合磨料射流主要用于清洗。在清洗技术中实际应用的水射流大致可以分为三种类型：连续射流、脉冲射流和空化射流。连续射流又根据其周围介质分为：淹没射流和非淹没射流，高压水射流清洗使用非淹没连续射流。水射流清洗的工作参数主要是射流的工作压力和流量，其中，尤以压力对水射流的影响显著，只有当水射流的工作压力达到一定值时，才能对材料造成破坏。提高水射流的冲蚀和切割效果的有力措施是适当地提高工作压力，而要提高水射流的崩裂、剥离及冲运效果，则要在保证足够压力的情况下，增加射流的水流量。高压水射流清洗装置称为高压水射流清洗机主要由高压柱塞泵、动力部分、喷嘴、高压软管及工作附件等组成。2. 高压水射流清洗的应用现状高压水射流清洗是物理清洗方法中的一项重要的新技术，物理清洗技术是世界清洗技术发展的方向，而化学清洗只能适用于有限的清洗对象。通过多年的研究与实践，越来越多的用户开始寻找和转向物理清洗方法。与传统的手工、机械方法清洗、化学方式清洗相比，高压水射流清洗具有如下优点：1 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 清洗过后的零部件不需要进行洁净处理。3 能够清洗形状和结构复杂的零件，能在空间狭窄、复杂环境、恶 劣有害的场合进行清洗。4 清洗效率高、质量好，设备结构简单，操作方便，安全可靠。5 易于实现机械化、自动化、便于数字控制。6 高压水射流清洗是用普通自来水于高速度下的冲刷清洗，所以它不污染，环境，不腐蚀设备，不会造成任何机械损伤，还可除去用化学清洗难溶或不能溶的特殊垢。由于高压水射流清洗是利用水射流的打击力将附着物清除掉，在水中不需加入任何化学药剂。因此高压水射流清洗技术范围非常广泛，几乎遍及国民经济的各个领域，被清洗物的形状、大小和性质差异很大，清洗要求也各不相同。具体来说，在石油化工、电力、冶金等工业部门中得到广泛的应用，可用于清洗容器，也可用于清洗各种设备、管道、煤气管线及换热器，还可用于清洗船舶上积附的海洋生物和铁锈、钢铁铸件上的清砂等。水射流技术的清洗对象主要有：换热器，包括列管式换热器、管程换热器、螺旋板式换热器、蒸发器等；管道，包括各种输送物料管、废水、废渣排放管、管网及管式干烧器等；容器，包括反应塔、缸、罐釜、沸腾槽、混合器、冷却塔、槽车仍储罐等，专业器材包括船舶、机场跑道、钻杆、钻具、机车、轧机和钢铁构件及阳极板等；其它设备包括过滤机板框、栅格板、水泥地板、排风机、送风管及大型零部件等，被清洗的物料包括各种类型的结垢、结晶、板结、附着物、反应成沉淀物料及涂料、油漆、油污等。近年来，高压水射流清洗技术还要更深入、更广泛的领域扩展、延伸。高压水射流清洗火箭发动机，清洗飞机跑道、清洗50万伏超高压线路，清洗火炮筒壁等主面也都取得了一定进展。此处，高压水射流技术非常适合核电站及核化条件清洗。对核电站的清洗，是保证核电站安全正常运行必不可少的重要工作。水射流清洗核电站技术优于化学、机械等清洗方法，是目前最理想的清洗方法。在野战条件下式军事演习后对遭受核生化污染的人员、武器、技术装备也可采用高压水射流清洗。3. 高压水射流清洗技术的发展前景采用先进的高压水射流清洗技术，取代传统落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗质量和清洗效率、降低成本、改善工作环境，避免污染。特别是近10年来，由于高压往复式柱塞泵以及与配套的高压软管。高压阀和旋转接头等辅助装置的提高，性能的改善；国内外一些高压水射流清洗技术的研究成果已逐步形成商品，应用的领域和范围还在迅速扩大。从整体上来说，水射流清洗产业的回化进程将加快，即向专业化、社会化、系列化和高级化方向发展，全能化和全程化服务水平不断提高【1】。在工业清洗行业中，高压水射流清洗技术将占绝对优势，是我国工业清洗的必由之路【3】。在高压水射流技术设备自身实现可靠运行的前提下，提高智能化水平。高压水射流、机器人与远程控制系统的结合，将是高压水射流清洗技术发展的必然趋势。参考文献：【1】 曹昊翔，张正学.水射流清洗技术应用现状及其前景.长沙矿山研究建院50周年院庆论文集，2006.10【2】 孙建勋，陈毅强，赵陨.高压水射流清洗技术.管道技术与设备， 2001.2【3】 辛承梁.高压水射流的清洗功能.化学清洗，1992.附录2 水射流的数值模拟 摘要计算流体力学的方法已经发展到找出在磨料空气水喷射形成期间在管嘴处相遇的微粒和空气的速度的分布情况。这项研究已进行了采用一种多相方法。磨粒被视为一个固体颗粒连续相。被用于抽取磨粒进入喷射装置的空气被视为一连续相，水被视为主要的连续相。基本方程离散为采用有限体积方法。基本方程的解法是采用相间滑移算法。基本方程近似使用湍流模型。当空气相集中于混合频管的中心区域时，磨粒进入喷嘴和集中管，在这两个地方微粒沿着无孔壁面分布、沿着管壁飘动。在集中管处，空气相和水相的分布形式表明了一个可能的振动。采用不同的磨料进口角度和不同的磨料进口位置进行仿真模拟实验。模拟的结果清楚地表明，磨料进口角度和位置对集中管出口处速度分布的影响。从模拟中发现最优的磨料进口角度取决于磨料在混合室中的位置。当磨料进口位置靠近锥形部分，即混和空气的较低部分时，较低的角度是有益的；当磨料进口位置靠近开孔口（节流口）的，即混合空气的较高部分时，较高的角度是优秀的。在出口处的空气、水和磨料的速度和体积分数与可得到的试验数据进行比较。模拟的结果显示出与试验数据很好的一致性。1.引言速度分布在磨料水射流精密切割中是非常重要的参数。找到水和磨料的速度的实验结果已经采用不同的方法获得。但是在实际情况下，磨料水射流包含三相的流动（水、空气和固体）。大多数研究者已经进行了磨料和水的实验，由于在集中管的出口处的空气速度是难以测量的。 Scharner et al 在1998年根据磨料的流动频率计算出空气的流动频率。从他们的研究论文可以清楚地知道，混合室的几何形状对空气流动频率有很大的影响。Abduka和 Crofton在1998年指出，在混合室内部的真空压力随着水压力的增加而增加，而且也取决于孔口部位的直径。Neusen et al 在1994年指出关于容积积位的磨料水射流是由大约4%至6%的水，0.2%至0.5%的磨料和93%至95%的空气所组成。Tazibt et al在1996年指出磨粒吸收的空气占磨料水射流多于百分之九十的体积，于是在磨料水射流中，空气有很大的影响。有些作者已试图模拟磨料水射流，但是他们仅考虑到两相（水和固体）。JainYe在1996年也试图模拟磨料水射流，他考虑到粒子运动和粒子运动的拉格朗日方程的轨线。他指出渐细的进口角度对在喷嘴出口的粒子聚集和运动的能量分布有着深远的影响。J Ye和R Kovacevic在1999年也还模拟了水射流的两相，在这两个模拟中，他们采用了直接注射的磨粒水射流（磨粒射流）。在本篇文章中，鉴于传统喷嘴三相射流的情况，我们已试着模拟磨料水射流。用计算流体力学方法来分析磨料水射流对找出在磨料水射流形成期间存在的不同相的速度分布是十分有用的工具。软件CFX-4被用于这些模拟。水和固体被认为是不可压缩流，而空气被认为是可压缩流。本文论述磨料水射流所模拟的存在于传统喷射系统的三相和不同磨料进口角度及在混合室中的磨料进口位置。2.数学模型依据雷诺数，显然磨料水射流是湍流。水通常是以高速通过节流口的，然而空气和磨料是以相当小的速度流动。从高速水到低速的磨粒有一个能量转移，从而影响了工件。因此，磨料射流的冲击性能是冲击微粒的总质量和他们在碰撞中的速度的一个参数。所有磨粒的平均速度是一个数量，这就必须决定提高截割头设计。为了找出在喷嘴出口的速度分布采用模拟技术，水、空气和固体系统需要被视为多相流。对稳定状态、湍流和关于热传递也进行了模拟。在多相中水被视为主要相。模拟技术随着湍流模型（湍流的动能和能量损耗）采用CFX-4软件而得到改善。2.1模拟方程三相由希腊记号、和标记，它们分别代表水、空气和固体，表示相的数目。每一相的体积分数被标记为。当模拟仿真采用柱面坐标系进行时，变量由三个分量，像，所有的三相用欧拉方法。由连续性方程：- （1）由动量方程：-（2）这里，-（3）和-（4）及能量方程（不可压缩流）-（5）其中是焓（热函），于是，状态代数方程和每相的分量方程如下：-（6）-（7）考虑到体积分数总和是1：普遍对流损耗方程是：-（8）术语描述在和之间范围的相间转换。于是，所有的相间的转换术语的总和是0。体积分数方程：-（9）其中体积分数的湍流扩散采用Eddy扩散假说来模拟。假设在一个湍流相中参数为k和的运输方程将以同样的形式作为相对标量的对流损耗方程。-（10）-（11）源术语被视为同它们的单相相似一样，于是-（12）-（13）其中P是剪切应力，并且G是由于内部力而产生的。常数被设置为。由于空气被视为可压缩流，其密度将随着压力的变化而变化，理想气体定律： -（14）其中用代码存储和解决的压力P实际上是不同于热力压力p和固定参考压力 .2.2几何和参数柱坐标系是用来创建常规雾沬喷射的几何。示意图显示在图1中，对于三相流（水，空气和固体）来说，环境被认为是在大气条件。由那个原因额外的阻塞被创建，被当作大气压和100空气的压力边界。然而，水压被视为276MPa，几何尺寸和参数见表1。磨料进口角度和它的位置见图2。3模拟仿真验证尽管模拟发展为三相，为了充分验证理论结果，测量三相的速度是十分困难的。然而，在集中管出口处的速度分布已被Zoltani和Bicen在1990年所出版的一相流的实验数据所证实。完全湍流，直径25.4mm的两相圆射流，20m/s的出口速度，包含1.5的载荷密度的直径为80m的小珠在他们的测试中被检验。他们利用激光多普勒在出口少数几个位置测量空气和固体的速度，展现在图3到图5的结果表明，发展起来的数值模拟与实验研究处于良好的量的一致性。一些其它的实验发现也被用来验证模拟结果，这些实验发现提供在出口处三相体积分数的测量法及提供对水、空气和固体的分析。例如，Neusen et al在1991年使用X光扫描密度计来测量在出口处空气、水和固体的体积分数。X光扫描器产生一束非常细的为0.125mm的X射线，它通过射流并且受包含在射流内的物质的相互作用而减弱。X射线束的强度通过使用一个闪烁探测器而被测得。吸光系数接着被用来估计空气、水和磨料的局部平均物质体积分数。他们使用范围从207到345MPa的压力，和从0.34到0.57kg/min的磨料流动率来测量4mm投射距离的体积分数。源于模拟的体积分数与这些实验结果进行比较。在集中管出口处即0mm投射距离处；从模拟中获取体积分数。在集中管出口处水的模拟体积分数在靠近壁处是更高的。这可能导致射流装置可能的闪烁现象。比较的体积分数结果显示于图6.7.8中。4.磨料进口角度和它的位置的影响模拟被发展为在混合室中不同的磨料进口角度和它的位置。集中管出口处的速度分布在本节中被介绍。出口处的射流速度被发现取决于在混合室中的混合过程及磨粒加速过程中所花费的时间，也有从水到磨粒的动量转移。对于传统的喷射系统，模拟条件在表1中被给出。对于精密切割，靠近中心轴线的射流速度是重要的，而且靠近射流中心位置的速度应该是最大速度。三个不同的磨料进口位置被使用为获得最佳的进口位置（图2）。磨料的中心距离距装置的锥形部分是2.25mm。距混合室的较低部分分别为5.25mm和6.75mm的另外两个磨料进口位置也被考虑。对于不同的磨料进口角度，空气和固体将从在混合室、锥形部分和集中管中的不同位置弹回。表2说明了这些现象。显然，从表2中，如果进口角度在20.56和55.56之间，在距锥形部分为2.25mm的磨料进口位置，磨料将会击中斜面。如果进口角度少于20.56，那么它将击中混合室。图9表明了在集中管出口为不同磨料进口角度的水速。对于30进口角度，水速被发现比沿半径的其它水速要高。同样，图10和11显示了不同的磨料进口角度的空气和固体的速度。从图9至图11，显然，对于30磨料进口角度，由喷嘴的这种几何轮廓射流速度才变成最大。但是如果几何尺寸被改变，像混合室长度和直径，锥形进口角度等，在最大射流速度，最佳磨料进口角度可能会改变。在这里还应该提到，对于30磨料进口角度，沿半径方向的不同相的速度是不准确的模式。这暗示着在混合室内混合过程是不足够得到在射流中心位置处的最大速度。图12显示了不同磨料进口角度的射流的平均速度。显然，对于30磨料进口角度（29磨料进口角度也被使用为获得一个精确的模式），射流的平均速度是最大的。图13显示了靠近中心轴线处水、空气和固体的速度，并且能看出对于30磨料进口角度，不同相的各自速度是最大的，而且遵循一个几乎相似的模式。若是75，三相的速度是相似的但不是最大。下一步准备找出不同磨料进口角度对进口位置的影响。就图12中所说明的结果而论，模拟技术被发展为不同的磨料进口角度（30，45和60）和不同的进口位置。新的磨料进口位置距锥形部分为6.75mm，模拟是采用为30，45和60磨料进口角度进行的。一个附加的模拟被实施采用45磨料进口角度，进口位置为5.25mm。对于精密切削，靠近射流中心区域射流速度应该是最大。图14至16展示了在沿着半径方向为30磨料进口角度和两个不同的进口位置的出口平面处的速度分布。尽管为以前的进口位置，却获得了一个更好的结果。但是如果45进口角度，对5.25mm的进口位置来说，更好的结果会被获得。这些结果展示在图17，18和19中。但是如果是60的磨料进口角度（图20，21和22），当使用6.75mm的磨料进口位置，更好的结果会被找到。于是，显然，对于靠近孔口或者混合室的较高面的进口位置，一个更高的角度是最佳磨料进口角度。对于磨料进口角度的较高位置，速度分布图显示了最大速度是在射流中心线的附近。5.结论如果磨料进口位置接近锥形部分即混合室的底部，当考虑到射流的最大速度时，一个较低的角度将是最佳的磨料进口角度。如果进口位置朝着孔口方向改变（即混合室的较高位置），一个较高的磨料进口角度将是最佳的。一个磨料进口角度的较高位置即靠近孔口速度分布图，表明射流的最大速度是在中心轴线附近。这也在混合室中，混合过程是最佳的，于是射流的闪烁现象减至最低限度，因此精密射流切割能够实现。6致谢编者们要感谢澳大利亚研究咨询委员会支持本项工作（作品）。7参考文献（略）8学术用语B 内部力 c相间术语 C常数 D集中管直径 F内部相非阻力 G基于内部力的产品
- 温馨提示:
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