高壓水射流清洗及噴砂設(shè)備的研究分析

孫 亮， 周培好

（1.北方工業(yè)大學 機電學院，北京 100041；2.北京航天三發(fā)高科技有限公司，北京 100074）

0 引言

高壓水射流技術(shù)是從20世紀70年代興起的一項新技術(shù)，80年代引入中國，經(jīng)過30多年的研究與發(fā)展，我國已研制出一批處于世界領(lǐng)先水平的高壓水射流設(shè)備。目前，高壓水射流技術(shù)被廣泛應用于石油、冶金、礦山、化工、電力、航空、船舶、交通等行業(yè)。由于水射流清洗所使用的介質(zhì)為無添加任何化學物質(zhì)的常溫水，其效果較之傳統(tǒng)的機械清洗、化學清洗等方法，具有效率高、無污染、節(jié)能降耗等諸多優(yōu)點，與我國的節(jié)能減排政策相吻合，高壓水射流技術(shù)因其獨特的優(yōu)越性，必將有廣闊的發(fā)展前景[1,2]。

1 高壓水射流技術(shù)原理分析

高壓水射流以水為工作介質(zhì)，經(jīng)高壓水發(fā)生裝置，將水加壓至數(shù)十至上千大氣壓以上，再通過具有細小孔徑的噴射裝置轉(zhuǎn)換為高速的水射流，其速度一般可達到1倍馬赫數(shù)。這種具有高能量、高速度的水流正向或切向沖擊物體表面時將產(chǎn)生強烈的作用，從而完成切割、破碎、清洗等操作。

高壓清洗機噴砂裝置的工作原理是利用高壓水射流的負壓吸附作用，采用后混合方式，在高壓水射流中加入適當標號的固體顆粒，借助高壓水的動能沖擊噴砂壁面，完成噴砂作業(yè)[3]。

水射流在實際應用中有三種類型：連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。連續(xù)射流根據(jù)其周圍介質(zhì)的不同，又可分為淹沒射流（在水中或其它液體中噴射）和非淹沒射流（在空氣中噴射）。清洗工程一般常用連續(xù)水射流，其基本參數(shù)如表1所示[4,5]：

表1 清洗機參數(shù)表Tab.1 Parameters of cleaning equipment

2 高壓水射流系統(tǒng)的組成

本人參與的項目，需要建設(shè)一套高壓水射流清洗及噴砂設(shè)備，主要用于筒體噴砂及清理筒體內(nèi)殘留物。該設(shè)備由高壓水路系統(tǒng)、低壓循環(huán)水系統(tǒng)、噴射裝置、進給裝置、旋轉(zhuǎn)裝置、供砂及控制系統(tǒng)等組成。

（1）高壓水路系統(tǒng)主要由高壓泵、高壓水控制架及耐高壓的硬管和軟管等組成。

（2）低壓循環(huán)水系統(tǒng)由沉淀池、液下式排污泵、沉淀水箱、管道泵、過濾器、循環(huán)水箱及管路等組成。

（3）噴射裝置由噴頭和高壓管組件組成，噴砂時為磨料噴頭，清理時用清理噴頭。

（4）進給裝置長3560mm，寬800mm，噴槍中心高1200mm，噴槍軸向位移滿足2500mm，橫向位移±100mm。

圖1 動力測控部分組成框圖Fig.1 Power measurement and control diagram

（5）旋轉(zhuǎn)裝置長2900mm，寬1000mm，旋轉(zhuǎn)軸線高1200mm，可滿足長2500mm筒體的噴砂或清理。

（6）供砂系統(tǒng)由砂箱、引射空氣的進砂管電磁閥、砂料輸送軟管等組成。

（7）控制系統(tǒng)：根據(jù)工藝要求，本試驗裝置的動力測控分為四個部分，高壓水泵電機運轉(zhuǎn)起動、進給裝置及其控制、工件旋轉(zhuǎn)裝置及其控制和控制臺操縱部分，其框圖如圖1所示。

本項目中，高壓水射流設(shè)備的主要技術(shù)指標要求如下：①清理作業(yè)時：最大壓力50MPa、流量80L/min，可調(diào)；②噴砂作業(yè)時：工作壓力16MPa、流量80L/min，可調(diào)；③磨料供給量：0～4kg/min； ④工件旋轉(zhuǎn)速度：0～15r/min，可調(diào)，且可設(shè)定固定值；⑤噴槍進給速度：0～300mm/min，可調(diào)，且可設(shè)定固定值；⑥高壓水系統(tǒng)具有超壓報警、急停功能，噴砂作業(yè)時工件停止旋轉(zhuǎn)或噴槍停止時具有報警并在10s內(nèi)停止噴砂作業(yè)；⑦采用電腦程序?qū)崿F(xiàn)對設(shè)備自動控制，通過按鈕操作實現(xiàn)設(shè)備的手動控制，控制系統(tǒng)采用PLC，行程可控。

3 高壓水射流設(shè)備的設(shè)計

（1）高壓水路系統(tǒng)高壓三柱塞定量泵：該泵的壓力為45～55MPa， 流量 75～77L/min， 電機功率 70～80kw。 高壓水控制架在噴砂或清理作業(yè)時安裝不同直徑的噴嘴，人工調(diào)節(jié)溢流閥由常壓升至工作壓力，在完成作業(yè)后由人工調(diào)節(jié)溢流閥降壓到常壓后斷電停機。

（2）低壓循環(huán)水系統(tǒng)。沉淀水池：清理或噴砂后的廢水經(jīng)廢料收集車初步過濾后，由管道流入沉淀池，在沉淀池進行初步沉淀后經(jīng)液下式排污泵（1.1kW）進入沉淀水箱。

沉淀水箱設(shè)計長×寬×高為（2000×800×1200）mm，貯水約2m3，在流量100L/min時，循環(huán)水可在箱中停留20min的時間進行沉淀。

過濾裝置：從高壓噴嘴噴出清理或噴砂后的水首先通過廢料收集車進行粗過濾，車的過濾精度為120目/in；精細過濾裝置為全自動自清洗過濾器，過濾精度50μm、流量大于100L/min、功率250W。自動反沖時間間隔可根據(jù)需要設(shè)定，每次反沖時間約1min～2min，經(jīng)過過濾器之后的水由立式管道泵（0.75kW）輸送到循環(huán)水箱。

（3）噴射裝置。磨料噴頭：噴砂時，壓力約16MPa、流量70～80L/min、石英砂流量0～4Kg/min。高壓水通過6個Φ1.5mm的噴嘴，噴入由碳化硼制作的耐磨砂水混合噴嘴，同時引射磨料進入。

清理噴頭：大直噴桿長200mm，小直噴桿長100mm和50mm兩種，噴嘴有35mm、25mm、15mm三種長度，噴嘴成對相反設(shè)置，可消除噴射作用的反力。對于不同直徑筒體的清理，采用增減大小直噴桿，以及噴嘴的長度來改變靶距（10mm以內(nèi)）。對于不同硬度的清理材料，可選用不同直徑的噴嘴，噴嘴直徑有Φ1.7mm和Φ1.9mm兩種，在雙噴嘴Φ1.7mm時，水射流壓力大于40MPa，在雙噴嘴Φ1.9mm時，水射流壓力大于30MPa。對于有封頭的筒體的清理，設(shè)計了專用的斜噴桿，同樣也設(shè)計了Φ1.7mm和Φ1.9mm的短噴嘴，運用進給裝置的軸向進給和橫向位移，來清理筒體的封頭部位。

高壓管組件：外管由（60×4）mm的不銹鋼管構(gòu)成，內(nèi)設(shè)置有（24×4）mm的不銹鋼高壓管，用于輸送高壓水，另設(shè)有（25×6）的纖維纏織膠管，用于輸送砂料。

（4）進給裝置。 進給裝置箱架由（80×80×6）mm方管焊接而成。橫向位移由兩根長440mm的線性滑軌構(gòu)成，通過兩滑軌中央的絲杠，手工搖動實現(xiàn)橫向位移。在兩線性滑軌上方，通過連接板與長約3260mm的直線執(zhí)行器相連。通過直線執(zhí)行器上，長200mm的滑行平臺，與噴槍托架相連，從而實現(xiàn)直線執(zhí)行器帶動噴槍托架上的槍桿作直線滑行。

（5）旋轉(zhuǎn)裝置。旋轉(zhuǎn)工裝外徑Φ746mm，主、被動輪外徑Φ180mm，直徑比為4.14。為了滿足筒體直徑Φ180mm至Φ600mm，由外套螺母和頂桿組成的四個支撐架，共分四組，不同長度的外套螺母和頂桿組合，用于Φ180mm至Φ400mm、Φ400mm至Φ500mm、Φ500mm至Φ550mm和Φ600mm的筒體。

旋轉(zhuǎn)裝置主動輪由變速電機通過鏈輪帶動，兩鏈輪的傳動比為1:1，因此電機轉(zhuǎn)速為工件轉(zhuǎn)速1.5～15r/min的4.14倍。

（6）供砂系統(tǒng)。噴砂時，通過空氣進口的電磁閥的開閉實現(xiàn)供砂和停砂。砂箱內(nèi)的貯砂進入引射空氣的進砂管，隨著引射空氣的流動通過砂料輸送軟管進入砂水混合噴嘴，再隨高壓水射流噴出，完成噴砂。

（7）控制系統(tǒng)。水泵電機為380V、75kW，電機啟動采用軟啟動。電控系統(tǒng)具有泵后壓力報警保護功能，水泵出口管路上安裝一個電接點壓力表和壓力傳感器，保護管路和水泵，防止工作超壓。壓力表的上限觸點控制繼電器的通斷，控制回路停車，接通警鈴，警鈴報警；傳感器測量泵后壓力，測量值在操縱臺計算機上檢測；繼電器的觸點為四常開四常閉，觸點容量為5A。

砂箱控制：為了監(jiān)測砂子的使用量情況，需對砂箱進行稱重。本砂箱為三點著地圓桶式，桶重100kg，砂子滿箱500kg，砂箱稱重采用力傳感器的方法，稱重傳感器選用三只，每個砂箱支腿放置一個，滿箱時每個傳感器理論上承重200kg，稱重傳感器與顯示儀表配套使用，其模擬輸出與工控機聯(lián)接，隨時采集砂箱質(zhì)量并記錄。

4 總結(jié)

高壓水射流技術(shù)廣泛應用于各個領(lǐng)域，本文以參與的實際項目為例，對高壓水射流系統(tǒng)作了深入研究，詳細地介紹了高壓水射流清洗及噴砂設(shè)備的設(shè)計，并經(jīng)實踐驗證，該高壓水射流設(shè)備能夠滿足相關(guān)的技術(shù)指標要求，對工程實踐有一定的指導意義。

[1]劉軍壯.高壓水射流在再制造清洗中的應用[D].濟南:山東大學,2012.

[2]張佳福，高善兵，暢通.基于高壓水射流清洗技術(shù)的研究[J].機電產(chǎn)品開發(fā)與創(chuàng)新，2011，5.

[3]戴敏，等.高壓水射流噴砂技術(shù)的除漆應用[J].清洗世界，2006，12.

[4]孫建勛，等.高壓水射流清洗技術(shù)[J].管道技術(shù)與設(shè)備，2001，4.

[5]魯軍波，陳杰.基于高壓水射流分布特性的清洗參數(shù)選擇[J].中國安全科學學報，2004，12.