高压水射流清洗及喷砂设备的研究分析

孙 亮， 周培好

（1.北方工业大学 机电学院，北京 100041；2.北京航天三发高科技有限公司，北京 100074）

0 引言

高压水射流技术是从20世纪70年代兴起的一项新技术，80年代引入中国，经过30多年的研究与发展，我国已研制出一批处于世界领先水平的高压水射流设备。目前，高压水射流技术被广泛应用于石油、冶金、矿山、化工、电力、航空、船舶、交通等行业。由于水射流清洗所使用的介质为无添加任何化学物质的常温水，其效果较之传统的机械清洗、化学清洗等方法，具有效率高、无污染、节能降耗等诸多优点，与我国的节能减排政策相吻合，高压水射流技术因其独特的优越性，必将有广阔的发展前景[1,2]。

1 高压水射流技术原理分析

高压水射流以水为工作介质，经高压水发生装置，将水加压至数十至上千大气压以上，再通过具有细小孔径的喷射装置转换为高速的水射流，其速度一般可达到1倍马赫数。这种具有高能量、高速度的水流正向或切向冲击物体表面时将产生强烈的作用，从而完成切割、破碎、清洗等操作。

高压清洗机喷砂装置的工作原理是利用高压水射流的负压吸附作用，采用后混合方式，在高压水射流中加入适当标号的固体颗粒，借助高压水的动能冲击喷砂壁面，完成喷砂作业[3]。

水射流在实际应用中有三种类型：连续射流、脉冲射流和空化射流。连续射流根据其周围介质的不同，又可分为淹没射流（在水中或其它液体中喷射）和非淹没射流（在空气中喷射）。清洗工程一般常用连续水射流，其基本参数如表1所示[4,5]：

表1 清洗机参数表Tab.1 Parameters of cleaning equipment

2 高压水射流系统的组成

本人参与的项目，需要建设一套高压水射流清洗及喷砂设备，主要用于筒体喷砂及清理筒体内残留物。该设备由高压水路系统、低压循环水系统、喷射装置、进给装置、旋转装置、供砂及控制系统等组成。

（1）高压水路系统主要由高压泵、高压水控制架及耐高压的硬管和软管等组成。

（2）低压循环水系统由沉淀池、液下式排污泵、沉淀水箱、管道泵、过滤器、循环水箱及管路等组成。

（3）喷射装置由喷头和高压管组件组成，喷砂时为磨料喷头，清理时用清理喷头。

（4）进给装置长3560mm，宽800mm，喷枪中心高1200mm，喷枪轴向位移满足2500mm，横向位移±100mm。

图1 动力测控部分组成框图Fig.1 Power measurement and control diagram

（5）旋转装置长2900mm，宽1000mm，旋转轴线高1200mm，可满足长2500mm筒体的喷砂或清理。

（6）供砂系统由砂箱、引射空气的进砂管电磁阀、砂料输送软管等组成。

（7）控制系统：根据工艺要求，本试验装置的动力测控分为四个部分，高压水泵电机运转起动、进给装置及其控制、工件旋转装置及其控制和控制台操纵部分，其框图如图1所示。

本项目中，高压水射流设备的主要技术指标要求如下：①清理作业时：最大压力50MPa、流量80L/min，可调；②喷砂作业时：工作压力16MPa、流量80L/min，可调；③磨料供给量：0～4kg/min； ④工件旋转速度：0～15r/min，可调，且可设定固定值；⑤喷枪进给速度：0～300mm/min，可调，且可设定固定值；⑥高压水系统具有超压报警、急停功能，喷砂作业时工件停止旋转或喷枪停止时具有报警并在10s内停止喷砂作业；⑦采用电脑程序实现对设备自动控制，通过按钮操作实现设备的手动控制，控制系统采用PLC，行程可控。

3 高压水射流设备的设计

（1）高压水路系统高压三柱塞定量泵：该泵的压力为45～55MPa， 流量 75～77L/min， 电机功率 70～80kw。 高压水控制架在喷砂或清理作业时安装不同直径的喷嘴，人工调节溢流阀由常压升至工作压力，在完成作业后由人工调节溢流阀降压到常压后断电停机。

（2）低压循环水系统。沉淀水池：清理或喷砂后的废水经废料收集车初步过滤后，由管道流入沉淀池，在沉淀池进行初步沉淀后经液下式排污泵（1.1kW）进入沉淀水箱。

沉淀水箱设计长×宽×高为（2000×800×1200）mm，贮水约2m3，在流量100L/min时，循环水可在箱中停留20min的时间进行沉淀。

过滤装置：从高压喷嘴喷出清理或喷砂后的水首先通过废料收集车进行粗过滤，车的过滤精度为120目/in；精细过滤装置为全自动自清洗过滤器，过滤精度50μm、流量大于100L/min、功率250W。自动反冲时间间隔可根据需要设定，每次反冲时间约1min～2min，经过过滤器之后的水由立式管道泵（0.75kW）输送到循环水箱。

（3）喷射装置。磨料喷头：喷砂时，压力约16MPa、流量70～80L/min、石英砂流量0～4Kg/min。高压水通过6个Φ1.5mm的喷嘴，喷入由碳化硼制作的耐磨砂水混合喷嘴，同时引射磨料进入。

清理喷头：大直喷杆长200mm，小直喷杆长100mm和50mm两种，喷嘴有35mm、25mm、15mm三种长度，喷嘴成对相反设置，可消除喷射作用的反力。对于不同直径筒体的清理，采用增减大小直喷杆，以及喷嘴的长度来改变靶距（10mm以内）。对于不同硬度的清理材料，可选用不同直径的喷嘴，喷嘴直径有Φ1.7mm和Φ1.9mm两种，在双喷嘴Φ1.7mm时，水射流压力大于40MPa，在双喷嘴Φ1.9mm时，水射流压力大于30MPa。对于有封头的筒体的清理，设计了专用的斜喷杆，同样也设计了Φ1.7mm和Φ1.9mm的短喷嘴，运用进给装置的轴向进给和横向位移，来清理筒体的封头部位。

高压管组件：外管由（60×4）mm的不锈钢管构成，内设置有（24×4）mm的不锈钢高压管，用于输送高压水，另设有（25×6）的纤维缠织胶管，用于输送砂料。

（4）进给装置。 进给装置箱架由（80×80×6）mm方管焊接而成。横向位移由两根长440mm的线性滑轨构成，通过两滑轨中央的丝杠，手工摇动实现横向位移。在两线性滑轨上方，通过连接板与长约3260mm的直线执行器相连。通过直线执行器上，长200mm的滑行平台，与喷枪托架相连，从而实现直线执行器带动喷枪托架上的枪杆作直线滑行。

（5）旋转装置。旋转工装外径Φ746mm，主、被动轮外径Φ180mm，直径比为4.14。为了满足筒体直径Φ180mm至Φ600mm，由外套螺母和顶杆组成的四个支撑架，共分四组，不同长度的外套螺母和顶杆组合，用于Φ180mm至Φ400mm、Φ400mm至Φ500mm、Φ500mm至Φ550mm和Φ600mm的筒体。

旋转装置主动轮由变速电机通过链轮带动，两链轮的传动比为1:1，因此电机转速为工件转速1.5～15r/min的4.14倍。

（6）供砂系统。喷砂时，通过空气进口的电磁阀的开闭实现供砂和停砂。砂箱内的贮砂进入引射空气的进砂管，随着引射空气的流动通过砂料输送软管进入砂水混合喷嘴，再随高压水射流喷出，完成喷砂。

（7）控制系统。水泵电机为380V、75kW，电机启动采用软启动。电控系统具有泵后压力报警保护功能，水泵出口管路上安装一个电接点压力表和压力传感器，保护管路和水泵，防止工作超压。压力表的上限触点控制继电器的通断，控制回路停车，接通警铃，警铃报警；传感器测量泵后压力，测量值在操纵台计算机上检测；继电器的触点为四常开四常闭，触点容量为5A。

砂箱控制：为了监测砂子的使用量情况，需对砂箱进行称重。本砂箱为三点着地圆桶式，桶重100kg，砂子满箱500kg，砂箱称重采用力传感器的方法，称重传感器选用三只，每个砂箱支腿放置一个，满箱时每个传感器理论上承重200kg，称重传感器与显示仪表配套使用，其模拟输出与工控机联接，随时采集砂箱质量并记录。

4 总结

高压水射流技术广泛应用于各个领域，本文以参与的实际项目为例，对高压水射流系统作了深入研究，详细地介绍了高压水射流清洗及喷砂设备的设计，并经实践验证，该高压水射流设备能够满足相关的技术指标要求，对工程实践有一定的指导意义。

[1]刘军壮.高压水射流在再制造清洗中的应用[D].济南:山东大学,2012.

[2]张佳福，高善兵，畅通.基于高压水射流清洗技术的研究[J].机电产品开发与创新，2011，5.

[3]戴敏，等.高压水射流喷砂技术的除漆应用[J].清洗世界，2006，12.

[4]孙建勋，等.高压水射流清洗技术[J].管道技术与设备，2001，4.

[5]鲁军波，陈杰.基于高压水射流分布特性的清洗参数选择[J].中国安全科学学报，2004，12.