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高压水射流清洗技术中的旋转喷头

2016-12-08 14:53:03

喷头是高压水射流的执行元件,喷头的研究开发一直是水射流研究的一项重点。近年来,随着高压水射流清洗技术应用的广度、深度的不断提高,高压水射流技术出现了快速发展的势头。旋转喷头以其清洗效率高,清洗效果好等特点在开发与应用中也日益受到人们的重视,取得了很大的成就。用户已经认同这类产品。目前,旋转喷头广泛应用于平面、管道以及容器清洗等各种清洗作业中。
1 旋转喷头的基本结构类型
1.1 旋转喷头的基本形式
旋转喷头的基本形式大体可分为两类,第一类是二维旋转,即是在旋转喷头的旋转套上均匀布置几个喷孔(如图1中a所示),这种喷头可以加工得比较小巧;或者在旋转喷头的旋转套上装几个均匀分布的喷嘴(如图1中b所示)。第二类是三维旋转,即在旋转喷头的旋转套在互相成直角的两个轴向作空间旋转(如图1c所示)。
1.2 旋转喷头的转动动力
按照驱动方式,旋转喷头可分为:强制旋转和自动旋转两种。强制旋转是利用液压马达、气动马达或者电机驱动喷头进行旋转作业,其旋转速度可以根据不同清洗对象和工况进行调节,自动旋转是通过旋转喷头旋转体上的偏心力距作用,即靠射流产
图1 三种基本形式的旋转喷头
生的反向力矩驱动旋转套旋转的,其旋转速度有可
调和不可调两种,目前一般采用黏性流体、磁力限速
以及离心限速等方式来实现速度调控。
1.3 旋转喷头的用途类型[1]
按照清洗对象旋转喷头大体可分为三大类型。
1.3.1 平面清洗喷头
这一类的旋转喷头都属于二维旋转喷头。其特点在于各个喷嘴旋转面在同一平面上。正是因为这个特点,这类喷头主要用于平面清洗,例如机场跑道除胶,船体清洗,金属表面除漆除锈,机械设备及零件外表面清洗等。
图2所示为平面清洗机及其安装的平面旋转喷
头。
   图3为喷枪上安装的平面旋转喷头。

图2 平面清洗机用平面旋转喷头







    图3 喷枪用平面旋转喷头



图4 大直径长管清洗用喷头




图5 小直径及弯管清洗用喷头



图6所示为一种容器内壁清洗所用的旋转喷头
1.3.2 管道清洗喷头
这类喷头一般也是二维旋转喷头,一般用于下水道、油管等各种传输管道的清洗。根据被清洗管道的特点,采用的喷头又可分为外力推进喷头和自进喷头。如图4所示为大直径长管用的外力推进清洗喷头,清洗时喷嘴到管壁的靶距可调,喷头靠钢丝绳牵引前进。图5为小直径管道用清洗喷头,清洗时喷头与高压软管相连,喷头靠自身后喷射流产生的反推力前进。这类喷头一般除了必要的后喷孔以外,还会有前喷孔或者径向喷射孔。后喷孔主要用来产生推进力和排污,径向孔主要用来清洗,旋轮体前喷孔主要用来清堵。
图4 大直径长管清洗用喷头
图5 小直径及弯管清洗用喷头
1.3.3 容器内壁清洗喷头
图6所示为一种容器内壁清洗所用的旋转喷头。
图6 容器内壁清洗及其旋转喷头
这类喷头一般属于三维旋转喷头,其特点是喷头在自旋的同时又绕着与之垂直的喷杆旋转。配合专用推进设备,该喷头可以对容器内壁任一点进行喷射清洗。这种专用设备一般可采用弯管或者伸缩架将高压旋转清洗喷头送入容器内,或者将装有旋转喷头的小车放入容器内,用小车在容器内自行进退、清洗。
旋转喷头种类繁多,清洗性能良好,目前国内外应用十分普遍。为了更清楚地了解各种喷头参数及特点,参照实际清洗工作中应用的旋转喷头。
2 旋转喷头清洗性能分析
水射流对物体表面的清洗机理就是射流对被清洗物体表面垢层破坏和清除的过程机理。当高压水射流以一定角度冲击被清洗面的污垢时,高压水射流具有的冲击作用、挤压作用、脉冲作用、水楔作用、磨削作用,对物体表面垢层产生冲蚀、渗透、剪切、压缩、剥离、破碎效果。这些作用可能同时产生,也可能单项进行。这里仅对旋转喷头与非旋转喷头做比较分析。
与非旋转喷头相比,旋转喷头具有更大更均匀的射流覆盖面,对垢物的破坏清洗能力也更强,能够更快更高效地完成清洗工作。
 2.1 旋转喷头打击作用力分析
与非旋转喷头相比,旋转喷头对垢物除了具有非旋转喷头的冲击作用、挤压力作用、水楔作用等清洗性能之外,更具有明显的疲劳和剪切破坏效应。
材料力学上认为,在足够大的交变应力下,材料中较为脆弱的颗粒或者晶体沿着最大剪切应力作用
而形成滑移带,滑移带开裂成微观裂纹,分散的微观裂纹经过集结构通,将形成宏观裂纹,已形成的宏观裂纹将在交变应力下逐渐扩展直至断裂。这就是疲劳效应。旋转喷头由于旋转作用,高压水射流循环喷射在垢层的各个点上,如前分析,若喷射频率为10Hz,则射流在垢层上形成的应力实际上是一种频率为10Hz的交变应力,这样就能产生疲劳效应加快垢层的裂纹扩张和剥落,从而更快完成清洗任务。
当高压水射流以β入射角喷射被清洗物时,其打击力F=ρQv·cosβ。
式(2)中,如不计摩擦扭矩,则有旋转角速度Ψ=(vsinα)/R,由此可得喷口处旋转线速度vlin=v·sinα(vinj为喷射速度),在不计摩擦力的条件下,为了维持喷头的匀速旋转,射流的绝对速度vabs的方向一定通过旋转轴心,才不会产生旋转扭矩,这样会有vabs=ctgα·vlin旋,而射流打击力的理论值F=ρQvabs·cosβ=ctgα·ρQvlin·cosβ。可见,流量、偏转角、密度、入射角不变时,射流打击力理论值F随着旋转速度的增大而增大。
非旋转喷头和旋转喷头整体效果上的不同也会影响打击力,如在某一管道清洗工作中,压力为70MPa,流量为70L/min,如果使用非旋转喷头,为了提高射流覆盖面趋近于旋转喷头的效果必然要采用多喷嘴喷头。如采用6孔喷头,而旋转喷头可采用常用的双喷嘴喷头。非旋转喷头的每个喷嘴直径D为0.9mm,旋转喷头每个喷嘴直径D为1.5mm。根据最大打击力的经验公式:
Fmax=120(p/100)1.15D1.75       (4)
代入数据可求得:非旋转喷头的单孔最大打击力为66N;而旋转喷头的单孔最大打击力为161N。旋转
喷头单孔打击力是非旋转喷头的2.44倍,其对于垢层的打击破坏效果比非旋转喷头好。
3 结束语
旋转喷头种类繁多,均具有良好的清洗性能,使用旋转喷头进行清洗更容易使垢层破碎剥落,清洗效果好,效率高,在清洗领域中旋转喷头越来越受到人们的重视,应用日益广泛。