高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用及展望

劉琦

摘 要：介紹高壓水射流技術(shù)的工作原理及特點(diǎn)，闡述高壓水射流技術(shù)在多個(gè)領(lǐng)域的具體應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：高壓水射流 加工 清洗 應(yīng)用

中圖分類(lèi)號(hào)：TQ050 文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A 文章編號(hào)：1007-3973（2013）007-040-02

1 引言

高壓水射流是最近幾十年發(fā)展起來(lái)的一門(mén)新技術(shù)，如今它已滲透到多個(gè)領(lǐng)域，發(fā)揮著獨(dú)特的作用。射流是指工作介質(zhì)從噴嘴中流動(dòng)的現(xiàn)象，它是一種在工程中十分常見(jiàn)的流動(dòng)形態(tài)。人們通過(guò)提高射流的工作壓力，從而可以得到高速流動(dòng)的射流。高壓射流有很大的能量密度，當(dāng)工作壓力提高到1000MPa以上之后，高壓水射流的能量束密度就和激光束相當(dāng)。目前，高壓水射流在煤礦開(kāi)采，加工制造以及清洗除垢等領(lǐng)域得到了比較廣泛的應(yīng)用。

2 高壓水射流技術(shù)簡(jiǎn)介

20世紀(jì)60年代，隨著大量柱塞泵和增壓器的出現(xiàn)，射流裝置的工作壓力得到了很大提高。隨著人們對(duì)射流認(rèn)識(shí)的加深，為了充分發(fā)揮出高壓水射流的潛力，從單純的純水射流開(kāi)始又出現(xiàn)了添加劑射流，磨料射流，空化射流，脈沖射流以及調(diào)質(zhì)射流。

添加劑射流在精密切割中比較常見(jiàn)，在消防水槍中也有應(yīng)用，它是在純水中加入微量特殊添加劑（高分子長(zhǎng)鍵型聚合物），達(dá)到抑制射流的紊動(dòng)強(qiáng)度，從而可以降低射流的流動(dòng)損失，提高射流的品質(zhì)。

磨料水射流是上世紀(jì)80年代發(fā)展起來(lái)的技術(shù)，在高壓水射流中加入合適的磨料，射流的切割能力將大幅度提高，可以在不提高工作壓力的前提下有效地切割鋼筋混凝土以及鋼板。流體中添加的磨料將對(duì)射流的特性有很大的影響，常用的磨料有硅砂、金剛砂、鐵渣、鐵砂以及氧化鋁等，磨料的顆粒大小以及硬度和密度等也都對(duì)射流品質(zhì)有影響。在工程實(shí)際中，常常根據(jù)不同的施工要求選擇加入不同磨料的水射流。

空化射流是充分利用空化破壞威力的又一種射流技術(shù)。在流體機(jī)械中，空蝕普遍存在，很過(guò)水力機(jī)械的葉片都會(huì)遭到空蝕破壞，這會(huì)造成巨大的經(jīng)濟(jì)損失?？栈淞魍ㄟ^(guò)誘發(fā)溶解在水中的空氣產(chǎn)生氣泡，通過(guò)適當(dāng)調(diào)節(jié)射流參數(shù)，可以讓空泡充分成長(zhǎng)，當(dāng)射流作用于工件表面時(shí)壓力會(huì)突然增大，從而導(dǎo)致空泡潰滅，在局部產(chǎn)生破壞作用。

脈沖射流是讓壓力能間斷地釋放，產(chǎn)生不連續(xù)的射流。這些技術(shù)都有自己的特長(zhǎng)，它們將高壓水射流的應(yīng)用范圍擴(kuò)大到了很多領(lǐng)域，許多高壓水射流產(chǎn)品已經(jīng)實(shí)現(xiàn)商業(yè)化。

3 高壓水射流技術(shù)的應(yīng)用

3.1 水射流加工

水射流加工，又稱(chēng)水刀加工，它是利用高壓水射流或則磨料射流對(duì)各種材料進(jìn)行切割、穿孔和表層材料去除等加工。由于高壓水射流的工作介質(zhì)是流體，故其在加工時(shí)可以帶走加工時(shí)產(chǎn)生的熱量，因而不會(huì)引起工件溫度的大幅升高，屬于冷加工范疇，可以不破壞金屬的結(jié)構(gòu)，不會(huì)引起金屬表層組織的改變，也不會(huì)產(chǎn)生溫度應(yīng)力及變形。高壓水射流工作時(shí)還具有滅塵、沖運(yùn)切屑的功能。上世紀(jì)70年代，美國(guó)首先將高壓水射流應(yīng)用到飛機(jī)和汽車(chē)制造行業(yè)中，由于水射流流束細(xì)小，能量密度高，加工縫隙較窄，故而可以節(jié)約材料降低加工費(fèi)用。

目前，日本豐田汽車(chē)公司和美國(guó)福特汽車(chē)公司均已將水射流切割機(jī)用于生產(chǎn)。在制造業(yè)中，采用高壓水射流切割復(fù)合材料板、蜂窩狀?yuàn)A層板、鈦合金等材料，效率可以得到提高，同時(shí)加工精度也能得到保證，值得一提的是美國(guó)Huffman公司生產(chǎn)的六軸數(shù)控磨料射流切割機(jī)，它能夠切割任何復(fù)雜形狀的物體，而且切割精度可達(dá)？.025mm。用機(jī)械方式加工的工件表面和小孔中會(huì)存在松散的毛刺，可以采用高壓水射流有效地去除這些毛刺。高壓水射流沖擊表面強(qiáng)化技術(shù)作為近10年才提出來(lái)的一種新的表面強(qiáng)化方法，在航空領(lǐng)域已經(jīng)得到了實(shí)際應(yīng)用，能夠有效提高零件的疲勞強(qiáng)度，從而達(dá)到有效延長(zhǎng)零件使用壽命的目的。隨著光學(xué)工業(yè)以及微電子光學(xué)技術(shù)的發(fā)展，光學(xué)零件的表面精度要求越來(lái)越高，磨料水射流拋光技術(shù)將具有巨大應(yīng)用潛力。在鋼材生產(chǎn)中，采用高壓水射流去除熱軋鋼材生產(chǎn)過(guò)程中產(chǎn)生的氧化鐵（即鱗皮），可以解決用酸性化學(xué)劑除鱗皮帶來(lái)的環(huán)境污染問(wèn)題。

3.2 水射流粉碎

高壓水射流沖擊煤礦以及巖石等脆性材料，從而導(dǎo)致其破碎，這在煤礦開(kāi)采中得到了充分應(yīng)用。目前，較為公認(rèn)的破巖理論是拉伸-水楔破巖理論和密實(shí)核-劈拉破巖理論。在礦山機(jī)械中，水射流與機(jī)械刀具聯(lián)合使用，不僅能夠降低粉塵消除火花提高采礦安全，還能夠顯著地降低能耗。目前，已經(jīng)研制出了多種水射流輔助的礦山機(jī)械。

在粉末冶金行業(yè)，高壓水射流粉碎技術(shù)用來(lái)制備超細(xì)粉體，不僅可以提高效率節(jié)約能源，還可以保證粉碎顆粒的純度，不破壞顆粒的原有結(jié)晶結(jié)構(gòu)。在土木建筑行業(yè)中，采用高壓水射流技術(shù)對(duì)建筑物某一部分進(jìn)行搶險(xiǎn)加固，根據(jù)工程實(shí)際選擇適當(dāng)?shù)乃畨汉蛥?shù)，能夠在不損傷鋼筋的前提下完全去除混凝土部分，該技術(shù)具有安全、節(jié)能環(huán)保、高效等特點(diǎn)，文獻(xiàn)[6]提供了一個(gè)工程實(shí)例應(yīng)用。

3.3 水射流清洗

高壓水射流清洗技術(shù)在國(guó)外很多國(guó)家已經(jīng)得到普遍應(yīng)用，很多發(fā)達(dá)國(guó)家的高壓水射流清洗已經(jīng)占到工業(yè)清洗的80%以上，在諸多清洗方法中占絕對(duì)優(yōu)勢(shì)。據(jù)估計(jì)，我國(guó)工業(yè)清洗目前還是多采用化學(xué)清洗方法。隨著國(guó)際上對(duì)環(huán)境保護(hù)越來(lái)越重視，很多國(guó)家已近杜絕使用酸性化學(xué)清洗液，從某種意義上講，這也促進(jìn)了高壓水射流清洗技術(shù)的發(fā)展。高壓水射流清洗具有清洗質(zhì)量高、速度快、適用范圍廣、清潔環(huán)保無(wú)污染、成本低的優(yōu)點(diǎn)，所清洗的對(duì)象可以為各種規(guī)格的管道、換熱器、冷凝器、建筑物、電廠(chǎng)鍋爐、大型船舶、機(jī)場(chǎng)和賽車(chē)跑道等。文獻(xiàn)[4]給出了大量實(shí)例，比較充分地說(shuō)明了高壓水射流清洗的優(yōu)越性。

值得注意的是，在使用高壓水射流進(jìn)行清洗時(shí)，應(yīng)該由專(zhuān)業(yè)人員進(jìn)行操作，應(yīng)特別強(qiáng)調(diào)安全規(guī)范。一些試驗(yàn)表明，當(dāng)射流壓力超過(guò)25MPa就可以擊穿人的皮膚和肌肉組織，超過(guò)100MPa便可以切斷骨骼。國(guó)外已經(jīng)研制出高壓水射流清洗技術(shù)與機(jī)器人技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)品，自動(dòng)化程度得到大幅提高。

3.4 水射流在其他領(lǐng)域的應(yīng)用

從上世紀(jì)70年代開(kāi)始，醫(yī)學(xué)界便進(jìn)行了動(dòng)物實(shí)驗(yàn)，驗(yàn)證了將水射流作為手術(shù)刀的可行性。1986年到1987年期間，Hokkaido University School of Medicine（日本北海道醫(yī)科大學(xué)）利用水射流手術(shù)刀對(duì)35名患者成功進(jìn)行了肝切除手術(shù)。如果選擇合適的射流參數(shù)，在手術(shù)中可以不切段血管，這樣便可以大大減少出血和手術(shù)創(chuàng)傷，病人的術(shù)后恢復(fù)時(shí)間也將大幅縮短。如今，醫(yī)用水射流技術(shù)是一個(gè)研究熱點(diǎn)，“水刀”也將逐漸成為一種實(shí)用的手術(shù)工具。

在軍事領(lǐng)域，水射流作為一種冷加工方式，可以安全切割易燃易爆物品。目前，高壓水射流已經(jīng)能夠可靠地拆解炸彈，美國(guó)早已研制出以脈沖射流結(jié)合機(jī)器人技術(shù)的掃雷裝置，這項(xiàng)技術(shù)已經(jīng)在安哥拉得到了實(shí)戰(zhàn)應(yīng)用。深水環(huán)境下的水射流切割技術(shù)一方面對(duì)海洋開(kāi)發(fā)起到促進(jìn)作用，另一方面也讓在水下維修潛水艇、大型船艦和水下拆彈成為了可能。

4 總結(jié)和展望

高壓水射流技術(shù)在煤礦開(kāi)采，航空航天，機(jī)械制造，國(guó)防，交通，建筑以及醫(yī)療領(lǐng)域得到了應(yīng)用。在一些領(lǐng)域，由于高壓水射流技術(shù)的投資大，技術(shù)不成熟，產(chǎn)品種類(lèi)少，大大限制了其應(yīng)用和推廣。加深對(duì)射流理論的認(rèn)識(shí)和研究，大力發(fā)展先進(jìn)射流技術(shù)，將有助于研發(fā)出高端的高壓射流產(chǎn)品，這將產(chǎn)生巨大的經(jīng)濟(jì)效益和社會(huì)效益。高壓水射流技術(shù)必將在國(guó)民經(jīng)濟(jì)中發(fā)揮出更大地作用。

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