喷头

　　一般将由喷嘴等多个零件组成的喷射设备部件叫做喷头。可见，喷嘴仅为喷头的一个零件。正因此，喷头除具有喷嘴的功能外，还具有旋转、进给、多束等功能。本章试图系统介绍各种类型的喷头，展示丰富的喷头家族。
　　喷头的丰富是水射流设备的周边设备齐全的一个重要标志。尽管喷头小且价廉，但其技术密集性和无以替代的应用特性极大地带动了主机市场、提高了设备的成套性水平。因此，凡是从事水射流技术的人无不拿出相当的精力和财力用以研究喷头。可以毫不夸张地说，喷头已成了水射流成套设备的关键技术所在。总结喷头技术正是为了更好地发展它。
　　图8-1所示为可与喷枪联接的喷头群体，不难看出可互换的喷头家族对完善水射流应用的重要性。
　　8.1固定喷头
　　固定喷头指喷头本身与其连接体(硬管、软管或机构)没有相对运动。固定喷头又分为单孔喷头和多孔喷头。
　　单孔喷头主要包括喷嘴(或喷嘴总成)与喷头体，其目的是缩小喷嘴尺寸，选用高硬度、高强度的耐磨材料，既可提高寿命，又便于加工，同时还能产生不同的射流形式。
　　图8-2所示为典型的单孔喷头。喷嘴做成凸缘，便于压紧联接；采用紫铜密封垫圈，依靠其塑性变形密封，这种垫圈拆卸后往往不可复用；喷头体形状较特别，其延伸段做成三爪刃形，作业中有明显的切削和疏通作用，还能很好地保护喷嘴，同时保证了垢层与喷嘴间固定的靶距。
　　

　　

　　单孔喷头普遍应用在超高压，由于超高压喷嘴尺寸往往受特殊材料加工成形工艺等限制，随之就给喷嘴与喷头体联接的超高压静密封带来一些困难。
　　图8-3所示为4种不同型式的超高压喷嘴总成，不难看出它们共同的特点是喷嘴均位于喷嘴体上表面，且喷嘴均以尼龙或PTFE等材料作密封圈。图a、b之喷嘴体上表面采用锥面密封；图c为微锥面密封；图d则为球面密封，它的另一特色是可以球体旋转较容易地使水喷嘴与磨料喷嘴对中调心。另外，图a、c的喷嘴为扩散形，在如此小尺寸下加工这一扩散形是不容易的。所有喷嘴的共同特点是直径极小，为0.08～1.0mm，公差均为0.006mm。通过这些图我们可以看到超高压水切割喷嘴总成的工艺难度很大，同时它对与其关联的零件要求也很高，这一点将在8.8节谈到。
　　上述喷嘴总成中的喷嘴均以红宝石或兰宝石制造，喷嘴体则多为优质不锈钢。
　　更多的固定喷头还是采用多喷嘴结构，因为多束射流适应较大直径管道清洗。当然，多束射流也需要较大功率的机组为其提供流量。
　　高压水射流多孔喷头型式很多，其原则就是将喷嘴与喷头体
　　

分开，易拆易换。喷嘴与喷头体的联接主要采用外六角螺母式或内六角螺母式，喷嘴与喷嘴套根据不同参数和结构设计可分可合。图8-4所示为一列式喷头，为了各束射流的不间断，扇形喷角的安装角度(15°)十分讲究，这个问题在其它喷头上也时有出现。为保证喷嘴的安装到位，加工中对喷嘴联接端面要求很高，应保证喷嘴轴心线与其联接端面的垂直。这样，既便于钻孔攻丝，又能保证高压水的密封。一般在喷嘴与联接端面设有紫铜垫圈密封。喷嘴的安装方向决定了射流的方向，如轴向、径向、斜向向前及斜向向后。斜向向后喷的反向射流可使喷头自进。这是多孔喷头长见特点，在清洗的同时，它为软管自进提供了动力。
　　

　　多孔喷头多用于数十MPa压力，超高压多孔喷头见图8-5。喷头体上沿轴剖面和径向剖面各布有两个喷嘴，喷头工作压力可达250MPa，其安装在喷管上由外力强制喷管旋转而形成超高压旋转射流。这种多孔喷头轴向两个喷嘴轴心线呈小锐角相交，喷头体的旋转形成了两股旋转射流可打击一个直径较大的面；周向喷嘴成对偶与中心孔呈切向布置，有助于喷头的平稳旋转。超高压多孔喷头的关键还在于人造宝石喷嘴的联接。喷嘴外裹尼龙密封圈，由丝堵压入喷头体内。这其中的密封、定位、对中等都十分讲究，否则，在高压水的作用力下，如此小尺寸的螺纹，其强度是难以保证的。当然，在这种单喷嘴结构成熟的基础上，可以组合出多种型式的超高压多孔(如4孔、6孔)喷头。
　　

　　图8-6所示为工作压力20MPa的自动可转向管道清洗喷头，这种喷头适用于有弯头和闸阀的管道清洗。对于50～1000mm直径管道，这种喷头可因软管的外力作用(拉或推)沿管道改变其进给方向，高压软管在管道中不会卡住。其转弯动力来自射流反冲力。
　　在多孔喷头上镶嵌刀具(见图8-7)，既特别适应于坚硬的垢层，又能很好地用于软基层的钻孔。这里，喷头材料为硬质不锈钢，刀具材料为碳化钨。
　　

　　8.2强制旋转喷头
　　强制旋转喷头的动力来自于外力，有以下特点:旋转喷头的转速可以随意控制；旋转喷头的进给长度(深度)受到很大限制(因受动力机构尺寸的限制)；旋转喷头的喷嘴与喷杆相对静止，旋转是指喷杆带动喷嘴旋转。强制动力为气动、液动与电动。
　　图8-8所示为气控枪用强制旋转喷头。由图可见，这种旋转喷头实质上是一个气动旋转系统。压缩空气经过滤后分为两路:一路由控制阀6进入气动马达；一路直接经控制阀进入气动马达，这一路叫控制气路。两个气控阀的单独或并联使用决定了气动马达的运行工况；气动马达通过齿轮或皮带轮带动了喷杆在护套内旋转。在高压软管与喷头之间有一个高压旋转接头，起着在两者相互转动中密封高压水的作用。喷杆的强制旋转形成了旋转射流，同时气压与气量的调节控制着喷杆的转速。这种强制旋转喷头的缺点是多了一条气路，影响操作，但其转速可控很有实用性。
　　

　　图8-9所示的气控强制旋转喷头采用气动钻改装，简单可行。在气动钻基础上直连喷杆，强制旋转。这里的关键是设计一个可靠的旋转体将动力输送到喷杆，又能保证无泄漏的高压工况。该喷头的工作压力可达140MPa，旋转速度为100～500r/min，空气压力0.4～0.8MPa，气耗量为0.85m³/min。该喷枪既可连接刚性喷杆，也可连接柔性软管，还可将喷嘴制造成带刃的钻头。也可采用气动马达直接通过旋转体带动喷杆旋转。这种喷枪运行中要求使用高压溢流阀，因为它是空气动力与高压射流通过旋转体的迭加，前者只能强制后者旋转，但不能控制后者的工况变化。
　　

　　图8-10所示为电动旋转喷头。电动机联轴器与旋转杆相联接，高压水自水平方向进入旋转杆，在旋转杆下再联接喷杆以延长喷杆进给尺寸。旋转接头有两处旋转密封，同时在压盖上设有轴承。强制旋转喷头的关键就是设计转动件与不动件的结构关系。这种喷头专门用来清洗垂直的管、孔、腔、瓶等。如果在支撑架底板再安装上螺杆等机构，就能使得整个喷头装置按要求进给。
　　

　　与图8-10相仿，图8-11为大直径气动垂直旋转喷头。图a专用于清洗较大筒形容器，将气动部分设计在下部，旋转轴带动横梁旋转，形成环形射流，整个喷头悬吊在顶部，旋转速度可慢至2r/min，清洗直径450～900mm；图b则采用列式喷头，专用于清洗小直径桶状容器，可水平也可垂直使用。
　　

　　图8-12所示为专用于清洗大型容器的旋转喷头。高压水由下而上进入喷头，依靠偏心喷杆造成的旋转扭矩自转。在这里，喷头的旋转带动了液力控制器。液力控制器不仅提供一个反扭矩使喷头减速，而且通过调节阀还可限速，并通过扭力臂将扭矩反馈到旋转体。液力控制器的强制减速限速作用使喷头转速保持在10～15r/min，这对以70MPa大流量高压水射流清洗大型容器内壁是相当有意义的。同理，可以把液力控制器换成气动马达。
　　作为液力强制旋转喷头的代表，还有平面清洗器，将在8.5节讨论。
　　

　　8.3二维自转喷头
　　自转喷头因其旋转动力来自水射流本身，偏置喷嘴形成了足以使喷头转动的扭矩，其结构简单，但没有强制旋转喷头那样准确、可靠。自转喷头一直是旋转喷头研究的一个重要内容。
　　自转喷头主要有两种类型，单轴旋转(二维)和双轴旋转(三维，见8.5节)，二维自转喷头又分为有减速和无减速两种。自转喷头的关键技术是高压密封。
　　自转喷头的结构设计使其射流反冲力引起喷头转动^【1】。这个反冲力与运行压力和流量有关，同时反冲力形成的扭矩也取决于射流喷嘴距转动轴线的位置与角度。旋转喷头的计算关系式为
　　

式中　F——射流反冲力，N；
　　q——流量，L/min；
　　p——射流压力，MPa；
　　T——射流形成的水力扭矩，N·m；
　　R——射流偏离旋转轴线的偏心，m；
　　φ——射流与旋转轴线的夹角。
　　水力扭矩取决于旋转体的设计，要求在1～11N·m之间。
　　用于驱动旋转的动力非常小，一般小于75W(0.1HP)，这对于射流速度的影响是可以忽略不计的。
　　二维旋转喷头的高压旋转密封有两种形式:相对泄漏型和无泄漏型。相对泄漏型采用动配合的套筒，非常简单、经济、无需维修。由于它几乎没有摩擦，所以旋转耗功很小。由于较高压力下泄漏将会过量，目前该密封也就局限在140MPa压力。无泄漏密封比较复杂，采用软密封材料附紧动配合的支撑环，其结果是压力越高，密封对旋转的阻滞越大，耗功也越多，旋转不太可靠。这种密封通常易于修复，也不太贵。它对介质适应性较好，流量适应范围宽，但在高转速下磨损加剧。
　　1.无减速自转喷头　无减速自转喷头并非刻意追求高速旋转射流，而是因为旋转喷头外径尺寸较小(φ30以内)才不得已而为之。无减速喷头的转速大都在2000r/min以上，因此其射流必然产生不同程度的雾化，而且可能伴随啸声和密封副发热甚至产生抱轴现象。然而，该喷头毕竟以其切向剥层力，明显地提高了清洗效率。所以，无减速自转喷头还是很有潜力的。
　　图8-13所示为无减速自转喷头。其结构非常简单，喷管固定，套筒既是旋转体，又是喷头体，两者依靠合理的间隙和精细的工艺保证密封和旋转。在套筒上对偶偏置两个(或四个)喷嘴，旋转动力由此而产生。这里要注意的是喷嘴为周向安装在套筒中间，不能用来清堵。无减速自转喷头最大的特点是直径小，外径可以在12mm甚至更小，同时也可以适应50mm左右的较大直径。应用表明，这种喷头转速多在2000r/min左右，实用性很强。为了保证旋转的顺畅，还有的在筒套两端设计轴承，套筒与喷管之间再设计一个密封套。这种结构必须采用不锈钢轴承。单边密封间隙一般控制在15μm，但密封副的工艺保证主要靠经验积累。同时，密封要有一定的轴向尺寸。衡量这种相对泄漏的旋转喷头是否合格的标志是看其旋转运行能否达到所要求的工作压力，在额定工作压力下正常运行所产生的泄漏是合理的。如果间隙过大、泄漏过大(磨损形成)就不可能造成额定工况，此时密封判废(见6.5节)。
　　

　　无减速自转喷头也可以将喷嘴置于前端用于清堵，类似的实例将在下节介绍。
　　图8-14为一种结构新颖的无减速自转喷头，其特点是旋转射流为单束自轴向喷出。高压水集中在高压腔内，喷管的偏置造成喷嘴出流扭矩使其旋转，锥形导向体限制了喷管只能沿内壁呈锥体旋转。这样，喷头体、喷杆均不转，仅喷管与喷嘴的旋转形成旋转射流。这种喷头仅靠面接触动密封，非常可靠，特别适应于清堵、破碎等作业。
　　

　　2.有减速自转喷头　为了克服高速自转喷头的种种弊端，尽可能在喷头尺寸的局限下设计减速机构已成为旋转喷头的技术关键。减速就意味着效率、寿命和可靠性。当然，喷头尺寸越大，减速也越容易实现。
　　图8-15所示为采用粘稠液体减速的旋转喷头，其原理是在转动件和非转动件的旋转头之间形成一个安装叶轮的空间，在此空间填充粘稠液体，当转动件(空心旋转轴)带动叶轮旋转必然会克服粘稠液体的阻力，因此也就降低了转速。这一方法要通过试验确定粘稠液体的粘性和注入量，以此保证旋转有足够的起动扭矩。图示的外径尺寸可小至25mm。其高压旋转密封则为端面密封。该喷头外伸的多孔喷嘴非常适用于70MPa大流量工况作业。实用表明，粘稠液体减速使得外径为50mm的喷头旋转速度稳定在20～100r/min(低速型)和80～300r/min(高速型)，对外径为40mm的喷头转速要略高些。对于更大的工况参数(如工作压力为70～140MPa，流量25～40L/min)，当喷头外径为50mm时则采用转子式离心限速，将转子与旋转件分开，并装有一对径向球轴承和一个推力球轴承。这种旋转喷头多安装在喷枪上使用，其转速在1500～2500r/min，也就是说限速作用是比较局限的(见图8-16)。该喷头采用间隙动密封结构。
　　

　　

　　为了寻求限度更大的减速限速机构，离心限速^【2】在这方面取得了成功，其应用工况是压力70MPa、流量35～70L/min，转速基本控制在500r/min左右。
　　当射流所形成的扭矩大于旋转体与固定轴之间的摩擦力矩后，旋转体得以起动旋转。由于旋转扭矩为定值且大于系统阻力，旋转体即以一个加速度a旋转，当不能忽略空气阻力时旋转扭矩得以平衡，旋转趋于均匀。此时转速很高，要使转速能够被控制，必须提供一种可变的系统阻力，使其随着转速的增加而增加，迅速与旋转扭矩达到平衡，从而达到有效限制转速的目的。图8-17就属于这样的例子。
　　图8-17的工作原理为:当旋转体处于临界起动状态时，旋转体转速为0，离心套不具有离心力，与限速环之间的摩擦力很小，可忽略，旋转体能够转动起来；之后，旋转体带动离心套旋转，离心套与限速环之间的摩擦力随着转速的增加而增加，迅速与旋转扭矩达到平衡，保持匀速运动，转速不再升高。这里，离心套尺寸与间隙的设计决定于喷头的限速范围。当然，在整体设计中离心限速还必须同旋转密封、喷嘴布置等条件综合考虑，不能顾此失彼。
　　自转喷头的限速特点是将喷头转速控制在一个预期的范围内，由于它受射流工况、整体结构尺寸、零件材料诸多因素的制约，加之限速条件是一定的，因而其限速不是无级可调，不能随心所欲，这一点与强制旋转或强制限速是不同的。经验表明，将喷头转速稳定在1500～2000r/min范围，是能够保证射流质量的。但是，转速越低，越有良好的射流形状，越能消除啸声，越能提
　　

高旋转喷头的运行可靠性。对于同一喷头，工况参数的增加无疑会增大其转速。目前，对转速的上限和下限、对限速机构的定量设计，都还缺乏理论依据。同一类喷头因加工各异，试验的复现性也较差。因此，限速机构还基本上处于以满足工程应用为目的，以经验与试验为方法的设计水平。但要看到，旋转喷头的工程应用要求范围比较宽，因此这应是设计者的追求。
　　8.4平面清洗器
　　平面清洗作业的实例有工厂地面、公路翻修与清洗交通标志、机场跑道混凝土表面除胶、汽车喷漆流水线栅板除漆、运动场跑道除胶、桥梁维修剥层等等。它们的共同特点是都用平面清洗器作业，所不同的只是工况参数、清洗器结构不同。
　　图8-18所示为一自转的平面清洗器，其特点是主轴垂直于地面。如果将主轴与地面平行，则可设计出多种多样的大直径二维自转喷头用以清洗大直径管道内壁。
　　平面清洗器基本上可以分为喷头、旋转接头与支架三个部分。喷头位于最下端，由喷管、喷嘴等主件组成。如果作业要求的是大面积均匀剥层(如机场除胶等)，就把执行机构设计成微孔多喷嘴呈列状布置，射流形式均匀、细密呈宽带状；如果作业要求的是局部重点剥层(如维修桥梁的剥层等)，就把执行机构设计成四喷管各镶一只圆柱形喷嘴，其射流可保证足够的点打击力，加之旋转运动就形成了成片剥除厚层的能力。喷管与旋转轴的联接要保证可靠和防松。旋转体是平面清洗器的技术关键所在，它的旋转密封多采用组合密封，且有泄漏导出。除了旋转体的两端轴承外，在底部还安装有推力轴承，以承受重力旋转。由图可见，高压水自中部进入，轴端输出至喷管、喷嘴，整个旋转体固定在罩板上；支撑架除了起到移动作用外，还可通过螺杆调节整个清洗器距地面的垂直距离(即靶距)。
　　

　　为了调节控制喷头的转速，平面清洗器大都采用强制旋转，即采用液压马达或气动马达作动力，通过对液压或气压压力的调节给出作业的最佳转速。这样，动力与旋转体的输入轴直联，运行非常可靠(见图8-19)。
　　

　　为了提高清洗效率，在增大主机功率的同时，将两个清洗器并联安装，同步控制，使得清洗幅度可提高到1.5m。这种平面清洗器往往采取车载作业。
　　平面清洗器的工作压力一般在70～100MPa之间，喷嘴形成的作业直径都在500～700mm。另外，采用这种形式，将喷头改造成无喷管成对喷嘴，形成轴向主射流，则可用来进行破碎公路路面等工程作业。
　　8.5三维旋转喷头
　　大型容器指大尺寸的釜、罐、槽、舱等，它们的内壁清洗往往借助于三维旋转喷头及其进给机构(又合称容器内壁清洗装置)。三维旋转喷头的适应工况参数范围很广，加之结构特殊，又有专用的进给装置，已成为高压水射流独立的周边设备之一。
　　三维旋转喷头亦即同步绕着两个相互垂直轴旋转的喷头，其转速可在5～100r/min之间调节，通常最佳工作转速为20～40r/min。
　　三维旋转喷头的基本构成为三维旋转、旋转密封、减速调速三部分。
　　形成三维旋转的传动机构一般都采用一对相互垂直的锥齿轮，这已成了共性特点。图8-20所示为一种三维旋转喷头。三维旋转喷头的旋转动力也是来源于喷嘴偏置形成的水力扭矩。这里，喷嘴除了形成水射流外，还有两个作用:一是通过主动小齿轮相对大齿轮转动、继而带动转动件和与之联接的外壳绕固定轴(高压水进入通道)旋转，从而形成一对喷嘴绕主动锥齿轮和被动锥齿轮、外壳绕固定轴的同步三维旋转；二是由被动锥齿轮通过轮系带动叶轮反向旋转，同时水射流的一股分量通过一固定喷嘴向叶轮喷射形成阻力矩。叶轮的旋转反馈到锥齿轮则形成减速作用，减速保证了三维旋转喷头的最佳工况，使得射流不雾化，达到高难度清洗目的。
　　从该喷头结构分析，轮系的设置使结构比较复杂，而且减速调节不方便、减速作用不可知，但这一典型结构清晰揭示了三维旋转喷头的三大要素。
　　图8-21所示^【3】为另一种三维旋转喷头。实现喷嘴自身的自转和喷头体的公转的基本结构与图8-20相同。该喷头在技术上有以下几个特点:采用与主轴同轴转动的减速机构，实现转动无级减速，确保射流不雾化，达到强力清洗剥层的目的，喷头转速的调节依赖减速机构压力的调节；采用套筒间隙密封，选择高弹性耐
　　

磨材料实现高压下的旋转密封，同时保证两个旋转轴的运行可靠性，避免高压密封抱轴现象；锥齿轮减速比很讲究，i=Z₂/Z₁必须是非整数^【4】，亦即Z2与Z1必须互为素数，i的整数部分要满足运动轨迹密度的要求，i的小数部分则由一对互为素数的齿数Z₁和Z₂确定，这样才能保证旋转射流轨迹不重复，否则就会出现漏洗面积；喷嘴的设计要与泵相匹配，其偏心要考虑整体结构给出，偏心太大初始转速太快，偏心太小则初始转矩过低而使喷头不能启动，这些都是不合适的。
　　三维旋转喷头的射流轨迹形成了一个球状的包络面。然而，要将这样一个喷头送至大型容器的每一个局部并且与之保持最佳靶距，就需要进给机构。这一点将在12.8节详细讨论。
　　

　　三维旋转喷头的喷嘴与喷头体相连接的喷管，有的做成弯曲状，有的加长延伸，还有的对置两个主动锥齿轮，即两边各置一对喷管、喷嘴。这些变形的目的都是为了增加射流的水力扭矩，同时扩大喷头的旋转半径以简化进给机构。
　　

　　图8-22所示齿轮轮系，用以调整两个喷嘴的相对位置(注意图a与b喷嘴轴心线间的距离变化)，亦即调整由射流形成的旋转扭矩，从而也在一定范围调节了转速。该三维旋转喷头适用功率范围为37～370kW。
　　8.6旋转接头
　　旋转接头又叫旋转体，它起着连接转体件(喷头)与固定件(喷管)的作用。旋转接头用途很广，形式多样，是水射流设备常涉及的主要部件。
　　图8-23所示为旋转接头与喷头、喷杆的关系。一个好的旋转接头可以随意联接不同型式的喷头，以迅速得到不同形式的射流。也就是说，灵活联接与应用是旋转接头单独成为一个产品的主要作用。旋转接头既能紧密联接相对转动件，又能使相对转动件延长距离或改变方向。
　　

　　图8-24所示为强制型旋转接头。高压水自径向进入，接头体不转，而另有动力输出轴与该接头轴伸端键联接，强制中心轴旋转，从而带动喷头、喷杆或软管转动。很显然，这种接头进、出水呈垂直布置，不仅改变了出流方向，而且延长了执行元件的距离。强制旋转一般将转速控制在500～600r/min，适应压力为150～200MPa。压力越高，转速越高，旋转密封的难度也就越大。当同样性　质的旋转接头用在缠绕胶管的铰盘上，高压水自铰盘轴端进入软管，由于铰盘转速很低，因此旋转密封仅采用O形圈附以挡圈即可解决。旋转密封从材料和结构都需精心设计，请参阅第6章。
　　

　　

　　图8-25所示为同轴自转型旋转接头，高压水同轴进出。这种接头多用于二维自转喷头。不难理解，该接头与多孔喷嘴相联接就是多种形式的旋转喷头。它的旋转动力来自多孔喷嘴，其工作压力为70MPa，转速约400r/min。限速主要靠注入粘性油，由转子搅动粘油形成反力矩。注油的另一主要目的是润滑。在转子两端各置一段旋转密封，并且通过一个向心球轴承和一个平面推力球轴承配合承受旋转运动和射流的反冲力。
　　图8-26所示也是一种自转型旋转接头，它的不同点在于一端采用高压旋转密封，这是一个很大胆的设计，当然也需要精细的工艺保证。三个球轴承并列安装，保证了旋转的平稳。在与密封相对的另一端周向设有注油孔。注意有一个注油孔设在了两个密封圈中间，这是为了延长密封圈的寿命。该喷头的转速适应在400～600r/min，当然减速来源为外力。也正因为采用端面旋转密封承受着射流反冲力，所以最大限度地减小了周向旋转摩擦。旋转扭矩要求仅为图8-23的1/7左右，亦即实际旋转密封摩擦耗功小多了。该喷头工作压力范围70～140MPa。
　　

　　旋转接头的设计关键，一是处理相对转动的结构关系，二是高压旋转密封。由于旋转喷头的旋转动力和限速阻力大都来源于外力，这就使其设计更为简单，但是小直径的旋转接头还是比较难以处理好这些矛盾的。从上述三个实例可见，旋转接头的转速要求都较低，因此必须与相应的喷头和限速机构或强制转动机构适配，否则它是难以保证高压旋转密封的。再者，旋转润滑也很重要，必须予以重视。
　　8.7真空喷头
　　高压水射流某种程度上又叫作高速水射流，其速度接近1000m/s也是很正常的。利用高速水射流形成真空引射的特点，仿照水射流真空泵的原理进行设计，真空喷头便成了高压水射流设备的一个附加功能件。它以很低的成本在吸上和输送用途中可与射流真空泵相媲美。
　　图8-27所示为水射流真空喷头原理图。在流速达300m/s的喷嘴出口处联接一真空喷管，便可达到按照相应真空泵性能所产生真空的95%。这里的喷嘴布置以会聚式磨料射流的水喷嘴排列，即呈环形布置，射流会聚点即喷管的文丘里段与直管段的结合部位。这种真空喷头按吸人管径分为50、75、100mm三种。
　　真空喷头有吸上和压力真空引射两种不同的应用原理(见图8-28)。喷嘴出口在地平面以上，喷头的吸上性能可与真空泵相比。如果吸人管内能获得100%的真空，理论上对密度为1t/m³的介质(如水)能够吸上
　　

达10m的高度。吸上高度取决于被输送介质的密度和粘度。对低粘度介质，吸上高度可达7～8m；对高粘度介质，需在吸人端加水稀释。吸上应用不适用于浆料、堵塞物等。
　　

　　诸如向高处或远处输送砂石、碎屑等，则在真空喷头吸人端以气体作为输送介质来实现。这里，介质密度和空气耗量成一定关系时，吸上高度可达15m。通常，下列材料均可被输送:干料如砂、盐、木屑、矿渣、金属渣、沥青、砂砾等；湿料如浆料、油品、砂水混合物等。
　　在喷嘴环(喷嘴出口)后加真空喷头，能够利用动能作为输送动力。这种输送取决于摩擦系数、输送介质混合程度和输送的高度与距离。
　　真空输送管线不应出现急弯，最好应有一定倾斜。由图8-28可见，上述两种应用主要区别在于不同的喷头位置。当然，泵的参数工况、真空喷头规格以及喷嘴排列等都是需要在应用中解决的问题。
　　输送物料与驱动介质的质量比例约为3∶1(即3份固体物料比份液体介质)。例如，每小时输送密度为1t/m³的80m³固体物料，其驱动介质(水)的流量为400L/min(24000L/h)，其比例为80t:24t=3.33；又如，每小时输送密度为1.8t/m³的24m³固体物料，驱动介质(水)的流量为200L/min(12000L/h)其比例为43t:12t=3.6。
　　表8-1为三种真空喷头的应用数据。
　　

　　

　　下面介绍几个真空喷头的应用实例。
　　图8-29所示为应用真空喷头清洗罐槽。8个直径为15m、安装高度为17m的罐槽要依次清洗。过去靠工人攀进罐槽内作业，仅凭铲、吊桶和起重设备作业。由于可视性差，容易危及人身安全。现采用配套高压泵功率为110kW的75mm真空喷头作业。一个工人用喷枪以扇形射流将罐槽内的物料冲移到真空喷头吸管附近。然后就很容易将物料吸出并输送至100m远处的汽车上。
　　

　　图8-30所示为应用真空喷头清洗深井。该井深约14m，直径6m，井内的泥浆混合物以及瓶瓶罐罐、木屑等要被清除。这里采用3个2～2.3mm喷嘴的75mm真空喷头，运行压力为32MPa。吸人端的软管长度为3m。在压力端，25m长的软管自泵一直伸入井内与喷头相连接。另外，用一直喷枪来松动井内、井壁的物料。除大于60mm的泥块用桶提上来外，全部清洗不到2个工时，总的清洗量包括4m水深和泥层下约8%～10%的固体物料。
　　清洗船内舱后，舱内堆积起几吨重的物料以及锈屑等要被运出。原先，要待船进干船坞后在船上开个孔才能运出这些东西。而今采用75mm真空喷头在20MPa压力下即可从船舱吸上。由于不允许水进入舱内，故将真空喷头安装在舱外。全部输送高度约15m。若在200L圆桶内注入密度为4t/m³的物料进行试验，结果30s就将200L(800kg)的物料吸至17m高度。图8-31所示为采用三级真空喷头抽吸船舱物料，最大抽吸高度为35m，最大输送距离为300m。由图可见，实用中由三台泵和四个真空喷头组成了三级真空输出，并并联一喷枪用于剥除物料。第一级两个50mm真空喷头并联将物料吸上，经第二级输送到中转罐，再由第三级输送至贮罐。值得注意的是，在第一级的吸人端分别引入两股高压水用于吸入端筛网和护网的清堵。为了保证连续可靠作业，这一方法很常用。两级吸上大大提高了吸上高度。
　　

　　

　　8.8水切割喷头
　　水切割喷头又叫水刀，超高压水最终通过它达到作业目的。水切割喷头一般与高压管(软管或硬管)直接联接，安装在喷枪或夹持在切割平台的移动梁臂上。
　　图8-32所示为水切割喷头的两种基本型式，即纯水射流和磨料射流。
　　

　　纯水射流切割喷头的设计压力为400MPa，水喷嘴直径范围为0.08～0.5mm，切割头的针阀由0.4MPa的气动压力控制其灵敏启闭，高压水通过针阀、稳流管进入喷嘴形成射流。在此基础上附加磨料混合腔和磨料喷嘴便成了磨料射流。这里，磨料喷嘴直径范围为0.5～1.65mm。干磨料与高压水流在混合腔内混合，经磨料喷嘴高速喷出射流束，极大地提高了切割效率。
　　由图可见，水切割喷头实质上是个输送流道系统，它包括带弯头或拐角的配管、阀门、节流孔、接头等，这一系统的理想设计对减少能量损失很有意义。流体经过输送管路及各种附件、接头时会出现流动转向、扩散、收缩等情况，因而对流体进入喷头的流动产生负作用。
　　水动力学指出^【5】，端部带有喷嘴的直管是最理想的水力系统流道构成，这种情况能满足进入喷嘴的流体形成光滑的轴对称流的必要条件，同时在喷嘴出口也能获得相对均匀的流动速度，其流动具有较小的内部阻力。这一直管称之为整(导)流管。这种轴对称流道可阻止轴向旋涡所产生的旋转流，其长度L_ch与其直径d_ch的关系为L_ch/d_ch=50～80，较高压力时应取较大的L_ch/d_ch值，以获得致密的射流束(见图833)。
　　流体的压缩性是导致流道截面上轴向流速分布不均匀的原因之一。其压缩值可通过比值d_ch/d来反映，这里，d_ch、d分别为流道(即整流管)和喷嘴直径。流道直径d_ch和喷嘴直径d的比值的最佳范围为d_ch/d=10～15。
　　

　　为消除扰动而设置的整流管，由于L_ch/d_ch的比值要求难以加工，于是将其设计成一个整流器，即加大d_ch，并内置一对开槽芯杆。这种整流器分割输送流道内的流体，使得轴向速度更加均匀，同时减少扰动动能。推荐在整流器前端采用一直管段长度L₁=(1.5～3)d_ch的流道，以缩短喷头内的输送流道(见图8-34)。
　　致密射流对应于最佳长度L₂=(4～6)d_ch，同时L3=(1.5～2)d_ch的锥形段对于减小扰动和旋涡的形成是必需的。
　　喷头零件的各种联接方式如图8-35所示。图a中，在接管1、喷嘴5和喷嘴护套4之间有一弹性密封圈3，其承受联接装配中适度的机械压力。当弹性密封圈承受高压时，可产生变形，增加联接的紧密性并防止渗漏。但弹性密封圈3受高压时会逐渐嵌入接管1和螺母2的间隙中，从而此间形成一个旋涡区，也就增加了流体的扰动。图b所示结构可提高密封的可靠性，接管1和螺母2间的锥面作为高压密封，而喷嘴5和螺母2间的密封靠弹性密封圈3和控制垫圈6。但由于锥面密封形成了接管和螺母间的转变区，导致接管后部流体膨胀，产生湍流波动，进而使射流性能恶化、射流发散导致射流打击力减少、射流切割效率降低。图c所示结构减少了上述联接的缺点，其喷头包括螺母2、喷嘴护套4、带内锥面的喷嘴5、弹性密封圈3及两端部为锥形的中间体7。控制垫圈8可确保弹性密封圈3预压7%～10%的厚度，当螺母2逐渐联接于接管1时，由于中间体7沿轴向向喷嘴5移动，而使弹性密封圈3产生变形。这一结构增加了弹性密封圈的耐久性，同时使得被加工件可离喷嘴很近。而能确保进入喷嘴流体流动稳定
　　

性及密封可靠性的更为简单的结构如图d所示，其喷头由接管1、螺母2、喷嘴护套4和喷嘴5组成。这种设计消除了喷嘴和接管间的过渡区。高压静密封直接由喷嘴护套和接管压紧实现。接管头部为球面，且内径与喷嘴护套入口相同。喷嘴外表面为锥状，直接插入螺母的锥状内腔中。上述设计要实现流体在喷嘴前必需的收缩是十分困难的，因为流道直径同喷嘴直径相差太大，因此图e的设计应该最佳。此方案中，喷嘴护套4的内表面有一锥形接头直接同接管的锥形面相接，而外表面为对称圆柱状。这里，微小锥面使得静密封在任何情况下均可实现，螺母2上须钻1～2个直径1～2mm的安全孔，以防联接有缺陷或密封失效时螺纹及其它零件的破坏。
　　

　　通过上述对喷头设计的分析，可以认为流道应包括三部分，即大直径(d1=2～5mm)的柱状段、锥状段和小直径(d₂=0.5～2mm)的柱状段。理想的流道为:
　　(1)大直径柱状段长度与内径之比L₁/d₁=20～35；
　　(2)锥状段长度和大直径柱状段直径之比L₂/d₁=2～3；
　　(3)锥状段大小直径比为2<d₁/d₂<5；
　　(4)小直径柱状段长度与内径比L₃/d₂=8～12；
　　(5)喷嘴进出口直径比为d₂/d=10～15。
　　分析喷嘴出口直径同接管内流道直径相互依赖的关系可得出下述结论:接管流道尺寸必须根据喷嘴出口直径的增减加以调整，以增加射流起始段长度并减少流体压力损失。
　　下面介绍几种水切割喷头实例。图8-36a所示为旋流混合式^【6】，其特点是在超高压水射流真空和壳体内壁旋流叶栅的作用下，磨料呈旋流与水射流混合自磨料喷嘴喷出。它的优点是极大地缩短了水喷嘴与磨料喷嘴的间距。经验指出，这一间距控制在5～6mm，可以有效地防止经水喷嘴喷出的水射流在进入磨料喷嘴前扩散，从而保证磨料射流的凝聚性。图8-36b为斜贯混合式，这也是常用的一种方式，其特点是结构简单，但混合均匀度不如前者，而且两喷嘴的间距因混合腔布局也显得太长，磨料射流的凝聚主要取决于磨料喷嘴。图8-36c^【7】为正交混合式，混合腔是一个环形套，磨料自水平进砂孔吸人后经环形槽进入多孔砂道均匀供磨料，这样便可保证均匀混合。磨料喷嘴由刀口螺套紧固。
　　水射流的“令行禁止”非常重要，既要保证切割程序中的断点，又要防止水流经磨料管回流形成堵塞。这就要求在水切割喷嘴前设置一超高压气动单向控制阀；另外，磨料阀的灵敏启闭和磨料量的控制也同样重要。这些内容都将在相应章节讨论。
　　水切割喷头的共性在于:足够长径比的整流管；水喷嘴、密封套与喷嘴体的总成及其定位安装；水喷嘴与磨料喷嘴的结构设计、材料选用及其所形成的混合腔。
　　

　　参考文献
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　　3薛胜雄等.容器与管道的高压水清洗技术.见:第四届全国压力容器学术会议论文集.无锡，1997-04.合肥:中国机械工程学会压力容器分会，1997
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　　6薛胜雄等.300MPa水切割的执行机构.流体机械，1997，(10)
　　7赫信鹏等.高压水切割吸人式砂喷头试验研究.见:第三届全国喷射技术会议论文集.九江，1996，9

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