手持式压力喷射除污机的设计*

□ 李智慧 □ 陈逸凌 □ 刘雅豪 □ 叶诗娴 □ 魏雅静

江南大学 机械工程学院 江苏无锡 214122

1 设计背景

近年来,国外发达国家的高压水射流设备已经基本做到了产业化和模块化,特别是在美、日、德等国,各种高压水射流设备及其配套零部件生产、维护已经极具规模,在诸多领域已经开始部分甚至全部代替其它清洗设备,并向更多不同领域拓展。虽然我国的高压水射流技术起步较晚,但是随着制造业突飞猛进的发展,我国高压水射流设备生产技术也取得了长足进步。高压水射流相关专业领域的研究机构及企业通过技术引进消化和自主研发,生产出基本可代替进口的高压水射流设备。

曹国强等[1]分析了高压水射流技术的研究现状及应用前景,认为随着高压水射流技术的不断发展,高压水射流设备渐渐向高压力、智能化、系列化、专业化、模块化发展,可以对各种不同材质、不同形状、不同特点的目标进行清洗。

程甘霖[2]建立了不同结构喷嘴的内外部流场模型,导入Gambit软件对模型进行网格划分,应用Fluent软件进行数值模拟,分析喷嘴结构对水射流形状的影响,进一步确认能实现不同清洗功能的最佳喷嘴结构。在此基础上,利用实验室现有设备,搭建试验平台,进行实际试验,验证数值模拟中选型的各喷嘴在实际清洗过程中的效果。

杨刚[3]从磨料水射流除锈技术出发,应用ANSYS/KS-DYNA有限元软件建立多粒子侵蚀靶板模型,对多粒子连续冲击靶板过程进行仿真模拟,分析研究靶板材料去除机理,为磨料水射流除锈工艺提供一定的理论基础。通过对各种不同算例进行仿真模拟,得到不同冲击速度、冲击角度下粒子对目标靶板的侵蚀情况。对结果进行分析比较,研究粒子冲击参数对冲蚀过程的影响。

顾正红等[4]设计了一种机械结构,能够提高气体被喷出时的压力,加强喷吹效果,使水流在负压腔内被雾化而高速喷出。

在消费者对洗涤剂的选择方面,根据中国洗涤用品工业协会的调研,消费者在购买洗涤剂时除考虑清洁功能外,最大的要求是使用中不刺激皮肤。家庭用抽油烟机内部易沾染污渍,简单清洗不能够清除污渍,必须使用专业的强力清洗剂进行清洗,或使用较为昂贵的蒸汽清洗。

利用磨料水射流设备,清洗除锈效率高,效果好,但喷头喷出的高压气体和石榴砂、石英砂介质在冲击清洗物件表面后飘散在空气中,会污染工作环境。冲射后形成的粉尘也会影响使用者的健康。

2 常用除锈方法优缺点

几种常用除锈方法的优缺点见表 1。

表1 常用除锈方法优缺点

基于以上分析,笔者设计了一种手持式压力喷射除污机。工作原理为采用高压水射流,喷射介质中掺入小苏打作为固体磨料,使固液两相介质射流通过喷嘴直接击打清洗表面,操作人员不需要接触射流液体,除污效果好,清洗效率高。

3 设计原理

手持式压力喷射除污机采用高压水射流,喷射介质所使用的磨料具有良好的冲刷磨削能力,能高效、高质地完成设备表面的除垢、除锈,以及氧化层、漆层等的清洗工作。手持式压力喷射除污机改变了传统水路与喷射介质固体两路汇合的设计,采用水路包围磨料,起到即时溶解磨料的作用。

传统清洗法清洗后产生的废水不易处理,废水乳化会造成水质恶化。碱性洗液如果处理不当,外排后还会造成土壤盐碱化。手持式压力喷射除污机以物理清洗方法为主,不需要添加化学溶剂,不会产生废气及化学污染。高压磨料水射流清洗后的废水无乳化现象,后期清理方便简单。

笔者对工业中的磨料水射流技术进行改进,将磨料调整为以小苏打为主料。小苏打造价便宜,是一种白色细小晶体,常应用于日常清洁场景,可进行机械设备除锈、厨房锅具清洗,既具备磨料的冲击力特性,又可溶于水,对环境几乎没有污染,并且使用过程中不会有粉尘产生[5-10]。

手持式压力喷射除污机结构如图1所示。

(1) 磨料控制部分。气泵开启后,压缩空气向磨料箱与固料导管吹气,用于平衡磨料箱与固料导管的压强。磨料箱中的磨料下落,被气流经固料导管从喷嘴喷出。磨料依靠气泵给予的强大气流,以较大的加速度喷射至清洗物体表面,达到除污目的。

(2) 水路控制部分。微型电机得电后,带动活塞实现往复运动,在腔内形成负压。在负压作用下,水流沿水路吸水口从水箱中进入水路导管,与固料导管中的小苏打磨料混合,最终裹挟磨料从喷嘴喷出。在完成除污工作后,磨料及时溶解,避免粉尘污染,方便后期清理与打扫。

▲图1 手持式压力喷射除污机结构

4 结束语

笔者设计的手持式压力喷射除污机采用高压水射流技术,改变了传统高压水射流装置水路与固体磨料两相回路的结构,采用水路包围磨料的形式,小苏打磨料介质具有击打去污的特性。除污完成后,小苏打介质被水流溶解,不会对环境产生污染。这一手持式压力喷射除污机尤其适用于家庭清洗除污。