水射流成套设备

　　水射流成套设备千差万别，但它们都共有泵、喷嘴及其中间环节，可大致划分为四个系统——压力水发生设备、控制系统、执行系统和辅助系统。下面我们对典型的水射流成套设备一一加以介绍。
　　3.1高压清洗机
　　高压清洗机由70年代初兴，进入90年代成为水射流成套设备中最具代表、应用面最广的一类产品。它的发展历经了由低压到高压(如我国80年代初期为30MPa、37kW，90年代末期为150MPa、250kW)，由单机到成套(即周边设备的扩展)的过程。
　　高压清洗机的构成如下^【1】；图3-1为高压清洗机成套示意图，图中主要部件标号说明见表3-1。
　　

　　

　　

　　

　　

　　上述成套供应量由客户与制造厂商定。
　　随着技术的发展，清洗的概念已包含有钻孔(如清洗数米长的全程堵塞管)、切削(如清洗特硬厚垢层)、除锈和破碎(如路面破碎)等，因而高压清洗机的压力也达到了200～250MPa。然而，工业清洗最常用的机组参数还是70MPa、55kW，流量为40L/min。这种机组适应于单人作业，方便、经济。如果将机组功率扩大到110kW，流量则为80L/min，可以双喷枪同时作业，也可以采用多孔喷头或非手持喷枪作业。
　　在高压清洗机以压力和流量为坐标系的平面型谱中，每一个功率级(即每一个机座)为一个系列产品，如55kW这个系列，它的压力从30MPa至100MPa，流量则从100L/min降至30L/min。
　　清洗机(泵)的有效功率其实是压力与流量的乘积，表示为
　　P_e=pq_v/60　　　　 (3-1)式中　P_e——有效功率，kW；
　　p——压力，MPa；
　　q_v——体积流量，L/min。
　　泵的有效功率与原动机输入功率之比称为泵机组的总效率，表示为
　　η_t=P_e/P_d　　　　　　　　　(3-2)式中　η_t——总效率，包括泵效率、传动效率和原动机效率，泵效率与压力成反比；
　　P_d——原动机所需的功率，kW。
　　这就是说，当知道了清洗机(泵)的压力和流量，也就知道了该机组原动机的功率了。
　　反冲力是高压清洗机又一个重要参数。尽管清洗机功率越大，作业效率越高，但是对手持喷枪作业来说，人对射流作用(反冲)的承受能力限制了机组的功率。射流作用力(反冲力)
　　

式中　F——反冲力，N；
　　q_v——流量，L/min；
　　p——压力，MPa。
　　高压清洗机各主要部件的功能分别为:
　　高压泵——用于增加水压，并将高压水输送到喷枪或喷头。这类泵可以是移动的也可以是固定的，常采用正排量柱塞泵型式以保证在给定泵速下流量的恒定。
　　安全阀——该阀安装在泵的排出端，阀内设有弹簧与阀组机构，通常由弹簧将阀芯预置在关死位置。当泵压力超过预定值时，该阀打开。
　　调压阀——该阀安装在泵的排出端，凭借控制旁通水流来达到自动控制高压水射流设备工作压力的目的。当系统中压力超过了预置值时，阀将部分开启。阀开启升程越高，旁通的水就越多，喷嘴处流量就越小。经阀溢流的水可以直接返回泵或前置水箱中。
　　调压溢溢阀——取代调压阀，即在预置压力下保证泵的流量使用；当关闭喷枪瞬间，系统压力超过预置压力，该阀又证泵的全流量溢流。它同调压阀手动部分溢流是两个概念。
　　脚踏控制阀——该阀的作用类似于两种类型的喷枪，其特点是操作者能够用脚动作，用以控制喷头。
　　喷枪——通过高压软管总成连接到高压泵排出端，是清洗作业较为常用的执行机构。喷枪可以按排放压力的控制阀型式进一步定义:如果阀关闭时，高压水排放到大气，则为溢流型喷枪；如果阀关闭时，高压水仍保留在系统中，则为截流型喷枪。
　　喷头——置有一个或多个喷嘴并由此形成水射流的部件。喷头限制了水的过流面积，加速了水流速度并形成了所要求的射流形状。喷头与喷嘴都是一个庞大的家族，也是高压清洗机研究的重点之一。
　　压力表——高压水射流设备应设置该表以显示压力变化。压力表的刻度范围至少要比设备的最大工作压力高50%。当压力脉动较大时，应设置稳压容器以精确显示压力读数。
　　3.2超高压水切割机
　　超高压水切割机的问世，创造了一个冷切割的新工艺。水切割机的压力一般在250～400MPa，机组功率30～55kW；更大功率的机组则置有多个切割头同步作业。机组包括增压器(或超高压泵)、切割头、安全阀、控制阀、切割平台、磨料系统、微机控制系统、接收器和稳压容器等(见图3-2)。与高压清洗机相比，其特点是超高压、小流量、细射流。压力的升高，带来了诸多材料、工艺与设计的问题，因此它的商品化矛盾集中反映在可靠性、安全性和造价方面。近年，机器人水切割机的问世，解决了三维空间水切割工艺难题(图3-3)。
　　水切割机的高压水发生设备多采用增压器。增压器是通过活塞面积的变化使驱动液体所施加的压力倍增的设备，其驱动液体通常是机械油。
　　与泵相比，增压器的显著优点是能以驱动端油压(低压)的变化控制液力端水压(超高压)，这样的控制容易实现，且安全可靠。但由于增压器往复次数比超高压泵低得多(多在100r/min以内)，它的出口压力脉动大，必须增设稳压容器。当然，与泵相比，它的造价也较高。
　　

　　由于磨料的介入能大幅度降低工作压力，因此切割头大都设计成导流管、水喷嘴、磨料喷嘴依次排列的结构。由它产生的超高压细射流又称“水刀”。
　　切割平台呈x-y两坐标平面运动，专门为板材切割而设计。微机控制系统的软件指令或者操纵切割头相对于静止的平台x-y主梁运动，或者操纵平台x-y主梁相对于静止的切割头运动。平台还能控制切割头z坐标，以调节靶距。
　　水切割机磨料系统的特点是更精确、更均匀。其磨料不同于高压清洗机采用石英砂即可，通常采用刚玉、石榴石或金刚砂。不同的磨料对磨料喷嘴的磨损也有所不同。保证均匀供料的砂阀也要考虑调节开度和压差。
　　

　　接收器的作用是降噪和接收切割后的浆料。水切割的噪声多在90dB(A)左右，接收器的降噪作用就十分明显，当然要求接收器要与切割头保持同步。
　　稳压容器实际上是一个超高压容器，连接在增压器(或泵)与切割头之间，作用是将几乎是单脉冲的超高压水流变成基本无脉冲，为切割头形成连续稳定的超高压细射流创造良好工况。因此，对低速超高压泵最好也配置稳压容器。
　　除此之外，水切割机在连接软管、硬管、接头以及螺纹连接等细节方面都很讲究，在后续章节将详细讨论。
　　水切割是高压水射流技术水平的一个标志，它的技术密集程度、技术附加值以及市场占有量等诸多因素使其一直成为国内外水射流行业的研究热点，这一点在近年的国际水射流技术会议上尤为突出，并不因为水切割机已经商品化而降温，就是说在这一新技术应用领域还有许多待研究的问题。
　　3.3微型清洗机^【2】
　　微型清洗机专用于清洗汽车、园林和店堂门窗等，其特点是便携，压力范围一般不超过10MPa，所配带的电动机为单相、220V、功率多在1.1kW以内。微型清洗机包括泵、喷枪、卸荷阀、刷子(或旋转刷)等。
　　为了达到微型化，通常采用以下几种方法:
　　泵为与电动机直联的高速泵，泵速为1400r/min和2800r/min两种。泵的型式有单联活塞泵、轴向柱塞泵、径向柱塞泵。由于高速，不仅极大地减小了泵的尺寸和质量，而且极大地减小了排出压力的脉动。由于高速引发摩擦生热、泵阀响应等诸多矛盾，因而只能用于微型泵。
　　大多数零件采用轻质铝合金压铸件和塑料件，以减少质量。因此，微型清洗机产品必须有相当大的批量。
　　电动机特制，如采用铝壳或钢板壳，将电动机与泵从壳体上连为一体等。
　　微型清洗机主机质量在10kg左右，而且造型美观(见图3-4)。
　　由于工作压力低、流量小，微型清洗机的喷枪和卸荷阀结构非常简单，仅仅是一种单向弹簧预载阀，这里不再赘述。它的弹簧钢片喷嘴与其它类型喷嘴相比很有特点，采用整片弹簧钢片冲压而成，使之在喷头内由调节套强制变形，从而改变喷嘴出口形状，即由正方形小孔改变为长方形薄孔，射流则由圆柱形改变为扇形(见图3-6a)。推动调节套可改变内喷嘴出水的流向，从而达到高低压转换的目的。另外，旋转刷的原理是利用水射流形成旋转扭矩冲击刷体旋转，形成机械摩擦和水射流清洗的复合作用。
　　

　　3.4小型清洗机^【3】
　　小型清洗机的压力≤32MPa，配带电动机功率在2.2～7.5kW，其主机多为三柱塞往复泵，泵速多在500r/min以上。机组包括泵、卸荷阀、安全阀(低压产品可无)、喷枪、喷头、磨料射流系统等。该产品多用于小规模、有一定难度的清洗，尤其32MPa、7.5kW机组可用于一些工业清洗场合，附加磨料射流还可进行小规模除锈。该机组最高压力达150MPa，用于磨料射流切割建材。小型清洗机的另一特点是容易移动(见图3-5)^【3】。
　　

　　随着压力与流量的不同，微、小型清洗机的喷枪结构也不同。图3-6所示为三种喷枪结构。
　　图3-6a喷枪用于低压力、小流量，在杠杆的作用下强制启闭。球阀很适合小流量，而且阀线的不断变化也延长了寿命。
　　随着流量的增大，图3-6b喷枪的枪阀为锥形，弹簧预压力也大幅度增加。枪的动作机构仍是杠杆原理。为了改变射流形式，在喷嘴调节套内置人一螺旋形涡流针，它与调节套内腔形成了螺旋
　　

槽腔，且该针与喷嘴入口形成锥形间隙，从而向前调节，螺旋槽腔作用不明显，高压水借此通道经喷嘴形成水柱；向后调节，螺旋槽腔对高压水产生离心作用，再从狭小的锥形间隙通过喷嘴形成水雾。
　　随着压力的增大，图3-6c喷枪主要考虑材料及其工艺，尤其是阀组、弹簧和喷嘴等。而水射流形式的改变则靠更换不同形式的喷嘴得以实现。根据阀芯负荷所设计的喷枪结构也就比较简单。手的施力加上阀芯负荷要大于弹簧工作负荷，才能开枪；弹簧预负荷要大于阀芯负荷，才能去掉外力后关枪。这就是设计原则。
　　在小型清洗机基础上加以改造，就成了自动零件清洗机。对此，请参阅3.5节。它们的区别仅在于常温与高温而已。
　　3.5高温清洗机
　　高温清洗是对10～15MPa的高压水射流再行加热(150℃以内)并加化学药剂，以有效的手段提高小型高压清洗机的能力。机组功率一般不大于5kW，其输出可以是高压冷水、高压热水、高压蒸汽，同时还可以通过喷枪控制按比例自动添加各种清洗剂和防锈剂，是较理想的小型移动式清洗设备。
　　高温清洗机工作原理见图3-7。工作时，清水经浮球阀进入水箱，由箱内的水软化剂软化，再经高压泵升压后进入水加热器按清洗需要加热，继而经高压软管进喷枪，由喷嘴喷出不同形状的水射流，同时通过喷枪控制添加剂的加入。
　　需加热时，燃油泵把油箱内的轻柴油升压，经过电磁阀控制，送入装有风量调节和自动点火装置的旋风式燃油喷射器，从喷油嘴喷出雾化油，由点火极点火喷人，在二次进风口燃油与气体混合，水加热器(盘管)内环燃烧加热。
　　图3-8所示为压力、流量、温度与喷嘴直径的关系曲线。由图可见，当喷嘴直径一定，压力升高，流量增大，加热温度则降低；反之，流量减小，加热温度则升高。压力流量调节器就起到了合理确定三变量工况的作用。
　　

　　本机的电气控制自成一体，电源经控制变压器后，24V控制电压至喷枪手柄控制总开关。喷枪总开关又分三路分开关，一路通过继电器、交流接触器同步控制风机电机、油泵电机和水泵电机，使喷枪处于射流工况；一路通过继电器、输油电磁阀、温度控制器控制水加热器的工作；一路则通过电磁阀定量加药。三路开关分别控制水泵、加热、加药，又可两两相互联锁，实现清水、高温、化学的单项或复合清洗作业。
　　药剂通常加水稀释至其质量分数为20%时使用。水箱内软化剂为732^#树脂，水泵工作的同时，软化时间显示器累积计时。
　　自动零件清洗机是小型清洗机和高温清洗机的变形产品。该机由高压泵、电加热器、药液箱、清洗室、被清洗零件工作转台、管路系统和三个机械自动控制摆动的喷枪组成。药液箱的药液由电加热器自动控制加温，经高压泵形成高压水至三只喷头进行摆动射流。由于高压、高温药液的摆动射流，加上工作台的旋转，在密闭工作间达到工件的清洗目的。清洗液经清洗室流回药液箱，经过滤后重新使用。对难度小的清洗，则在小型高压泵基础上组成冷水型自动零件清洗机。自动零件清洗机的结构与液体喷砂机类似(见3.9.1节)。
　　3.6通过式清洗机
　　低压通过式清洗机是采用网状输送带传动被清洗的机械零件，具有清洗液喷洗、清水喷淋漂洗、压缩空气吹干等多种功能的连续清洗设备，主要目的是以水代油，用于机械、汽车行业各种零件的油和污垢的清洗，提高设备的清洁度指标。
　　该清洗机由清洗液和漂洗液喷淋、清洗液和漂洗液加热、输送带及其传动、压缩空气吹干、排风、油水分离和电气等部分组成。
　　

　　工作时，被清洗工件置于输送带上，依次通过清洗室、漂洗室和吹干室，完成清洗、漂洗和吹干全过程而出料。清洗液和漂洗液流入回水箱，经油水分离器和过滤处理后循环使用。清洗液与漂洗液喷淋系统配置相同，即分别由单级离心泵、管路及布置在工作室内的环状密集喷嘴组成，喷嘴可在30°范围内调整射流方向。
　　清洗液与漂洗液加热系统有电加热和蒸汽加热两种。电加热采用管状电热元件；蒸汽加热则由蒸汽电磁阀、换热器和可调式恒温疏水阀组成。加热温度由常温至75℃，自动控温。
　　压缩空气吹干用喷嘴布置在吹干室的环状喷管上。
　　图3-9所示为高压通过式水射流清洗流水线，用于大型工件的清洗和除漆。不难看出，清洗、漂洗、滤除和吹干的全过程采
　　

用了自转喷头和机器人相结合的自动化作业，工件只需从降噪密封舱通过即可达到洁净目的。由此可见高压水射流技术应用的多学科性和成套水平。
　　3.7下水道清洗车
　　下水道清洗车广泛用于市政工程下水道清洗、疏通、排污和吸泥。
　　1.清洗车　一般由汽车底盘、水箱、柴油机、泵、绞盘、自进喷头、喷枪等组成，仅用于清除下水道中沉积的污泥、堵塞物等。根据泵的位置又分为拖车式与车载式两种。
　　拖车式指高压泵及其动力源与控制系统置于一拖车上，汽车只是一供水车；车载式指高压泵及其动力源同水箱一起安装在汽车底盘上。泵的动力可以是柴油机，也可以是由汽车发动机引出动力。当为后者时，汽车发动机的功率通过动力分动箱和传动轴传给泵。动力分动箱的操作手柄置于不同位置就决定发动机动力是传给汽车行走机构还是传给车上的清洗机(见图3-10)。
　　

　　作为下水道清洗，高压泵工作压力一般在30MPa左右，额定流量约在100～200L/min，而水箱容积应满足喷头工作30～60min的需要。
　　

　　2.吸泥车　一般由泥箱、汽车底盘和吸泥、泥水分离及排泥系统组成，用于下水道清洗后的污泥抽送、排放及其它排污作业。吸泥系统有两种。图3-11a为压缩空气吸泥，由空气压缩机、吸泥头组成。吸泥头实际是一种喷射泵，由于压缩空气流量、压力及喷射泵背压均可提高，因而吸泥量比较大，抽吸高度及输送距离也较大。美国Vactor公司采用双级离心式压缩机，排气量为0～226m³/min，配带柴油机功率110kW(150HP)。图3-11b为柴油机驱动正排量罗茨真空泵，在泥箱中形成真空，吸人并分离污泥，连续空气流经过100mm吸人管可吸上下水道内的干湿污物。英国HARBEN公司吸泥车配用的真空泵，当真空度为0.045MPa时，排气量为1000m³/h；0.01MPa时，排气量1270m³/h。吸泥管直径100mm。
　　

　　3.清洗吸泥车　该车将上述两种车合二而一，一车两用。一般情况下，汽车发动机驱动高压泵，为油压驱动；配带柴油机用于驱动真空泵或压缩机。高压泵为一双作用活塞泵，它可以使用泥水分离后的污水。而吸泥系统除了上述两种外，可用高压水射流真空吸泥，这样将清洗与吸泥共用一台高压泵，更为经济合理。射流真空技术将在8.7节详细讨论。
　　图3-12为清洗吸泥车原理图，特点是清洗与吸泥同步进行。其参数与配置如下:
　　高压泵　压力约25MPa，流量200L/min；
　　离心式压缩机　置于车体前部，另配置泥水分离设备、吸泥头；
　　泥箱　容积大于3.5m³，位于汽车底盘中后部，液压倾斜卸泥；
　　水箱　容积大于4m³，位于车辆两侧下部；
　　底盘　选用10t平头柴油车；
　　吸泥摇臂　能在180°～270°范围内摆动，并由液压控制上下左右移动。
　　3.8机场跑道除胶车
　　机场跑道由于飞机起降摩擦形成胶层，这种胶层严重降低了跑道摩擦系数，同时也加剧了飞机降落的振动。80年代后期，国际上开始利用高压水射流的剥层能力对其定期除胶，即采用机场跑道除胶车，保证跑道表面摩擦系数不低于0.5。
　　图3-13所示为机场跑道除胶车，其工作原理如下:图中3为10～12t载重车底盘。2台110kW(150HP)的柴油机直接驱动2台高压泵组5，其压力为70MPa、流量为80L/min(欧美发达国家的机场跑道除胶车泵组压力在70～140MPa，实际使用在100MPa以内就足够了)。气压控制阀6自动卸荷溢流。8为净容积8000～10000L的水箱，水箱的水经泵形成高压水到达清洗器1。并排的两台清洗器，实际上是大直径二维旋转喷头，即在4个
　　

　　

喷管臂上装有8个扇形喷嘴，喷头旋转速度可控，其工作宽度为2×500mm。清洗器喷头的旋转动力为水射流反冲力矩，它由液压升降系统2控制起落，便于车辆行驶。绞盘11专为机场下水道清洗缠绕高压软管而设置。控制台12在驾驶室，它直接控制着柴油机、高压泵、清洗器、液压系统的所有动态参数，除胶作业均在此进行。根据需要，除胶车上也可只载一套机组，此时除胶宽幅为500mm。该车的工作速度为6000m/h。除胶车的清洗器稍作改装，将分散的射流集中起来，就可用于筑路前的旧路面破碎、桥面维修等，只是用于破碎作业时，机组功率和压力还要更大。
　　为了进一步经济实用，图3-14所示的机场跑道除胶车有以下特点:主机采用一台70MPa、110kW(150HP)的高压泵组独立组装成拖车，利用机场洒水车作牵引动力，这样不专门占用车辆；清洗器则人工推进(也可以液压马达为动力推进)，清洗宽幅为600mm，作业完成一段，机组依次前进一段。
　　除胶车的特色表现在平面清洗器，它具有自动旋转(或强制旋转)、转速控制、射流的垂直打击和切向剥层、喷嘴的垂直调节等多种功能，以保证高压水射流的均匀低速旋转和不雾化，从而保证除胶质量和速度(详见8.4节)。
　　3.9浆料射流设备
　　浆料射流设备的用途有两种；一种是以其射流形式直接作业，进行工件表面光饰加工；一种是为高压磨料射流提供均匀的磨料混合液，从而进行前混合磨料射流。这两种用途所用的磨料是一致的。
　　1.液体喷砂机　对应于干式喷砂机，液体喷砂机又叫做湿式喷砂机，其主要用途是对机械零件表面处理、光饰加工，也可喷射玻璃丸用作强化零件表面。
　　图3-15所示为典型的液体喷砂机，其基本原理是以磨液(磨料液体)泵和压缩空气为动力，通过喷枪将磨液高速喷射到工件表面，达到光饰目的。磨液是用掺有缓蚀剂的清水与一定粒度的磨料(见10.5节)按比例混合而成，集于磨液贮箱中。
　　

　　喷砂作业是在机体上部工作舱内进行，喷枪是直接执行液体喷砂工作的主要部件，它与磨液、压缩空气两个管路系统相连接。工作时，磨液泵将磨液贮箱中的磨液以一定压力和流量通过磨液管路输入喷枪，同时一磨液旁路经装置从磨液贮箱的搅拌喷嘴高速喷出，均匀搅拌贮箱中的磨料和水。压缩空气经脚控气阀进入，在喷枪内与磨液混合，经喷嘴向工件表面高速喷射气-磨液流，根据加工要求也可不用气源。喷射出的磨液对工件表面冲击磨削后，便从旋转的圆盘工作台流下，经网孔板返回磨液贮箱，如此循环则完成对工件的加工。这里的技术参数特征与高压磨料射流一致^【4】。
　　磨液泵是液体喷砂机的主机，采用树脂叶轮与蜗壳的离心泵；而压缩空气则是为提高介质的工作动能。
　　

　　喷枪是液体喷砂机的执行机构(见图3-16)，喷砂嘴为BC材料。当系统工作时，磨液泵将磨液送到混合腔内，与此同时压缩空气使其加速自喷砂嘴喷出。工件则在转盘上旋转。
　　2.浆液混合机　图3-17所示为美国HuntingMCS公司生产的浆液混合机。它由气动旋转螺杆将干磨料定量输送到气动的叶片泵前置的混合器中，再由该泵将混合浆液连续输送到清洗或切割喷头；与此同时，喷头前置的高压泵(或压缩机)产生的水(或气)射流与喷头处的浆液混合成高压磨料射流。这种低压混合、高压作业的两步做法既解决了后混合磨料射流的不均匀，又弥补了前混合磨料射流工作压力偏低的缺陷。输入参数匹配如下:
　　

　　泵流量9.5L/min
　　泵压力0.1～1.0MPa；
　　压缩机参数170m³/h，0.6MPa；
　　磨料流量1～7kg/min(取决于应用)；
　　高压泵参数　见表3-2，根据作业要求选用；
　　空气压缩机参数　见表3-3，根据作业要求选用。
　　

　　

　　3.10　水炮
　　相对于连续射流，脉冲射流是断续或单发射流。
　　水炮分为低压水炮、高压水炮和超高压水炮。无论它们的脉冲频率差异多大，不连续射流是水炮的共性。水炮设计的原则也就是如何产生这一共性，这种共性恰恰在某种场合达到了连续射流不能比及的作业效果。
　　1.高压水炮　高压水炮有两种形式:一种由装置形成脉冲射流，一种由喷头形成脉冲射流。
　　图3-18所示为第一种高压水炮^【4】。其原理是用高压小流量水压缩氮气蓄能，然后瞬间释放，以获得大功率和强冲击力的水射流。
　　

　　该装置采用32MPa小功率高压泵，由软管2排出的高压水进入活塞式蓄能器前腔，压缩活塞6。由单向充气阀7先期充好的氮气，随泵压升高活塞向后移动体积减小，气压随之升高，待供水压力达到额定值时，打开组合阀3或预先开启针阀5，这时蓄存的高压水在气体推动活塞作用下，于气体由调定压力的30MPa降至预冲气压力的20MPa(蓄能器容积为12L)的瞬间(5～7ms)以大流量释放。这里，喷嘴口径16mm，每发水量3L。该水炮由于功率小、频率低，适用于煤仓清堵。
　　低压水炮的原理同上，不同之处是采用离心泵和消防喷嘴，特点是大流量击发，适应于防暴。
　　另一种高压水炮是仅仅在喷头(喷嘴)上做文章。
　　图3-19所示为一种高压水炮专用喷头^【5】，它一改脉冲装置的复杂机构，在喷嘴前利用超声波形成脉冲射流。其击发特点是高压(70MPa)、高频率(15KHz)，使水射流在穿孔、开挖、掘进等工程中应用成为现实。
　　该喷头的结构特点是在喷嘴内腔置人一个速度调谐的振子，由此调谐超声波产生高频脉冲水射流。图3-20所示是这种高频脉冲水射流在10MPa和13MPa情况下采用高速摄影所拍摄的演示照片^【6】。试验表明70MPa的脉冲射流性能与200MPa的连续水射流相当(见图3-21)。
　　

　　图3-22为另一种高压水炮专用喷头。在淹没射流状况下，高速水射流和淹没水之间的扰动剪切层产生空化现象，人为地造成一种淹没现象，即介入一束反向射流来裹胁中心射流。这样，反向射流对中心射流的直接冲击扰动或旋涡作用造成中心射流的脉动。图中的中心射流由两束同轴射流裹胁。内层同轴射流与主射流方向相对，外层同轴射流则形成一种覆罩层。反向射流与中心射流相互作用，外层同轴射流则加强了淹没作用。由图可见，中心射流受到两层同轴射流的裹胁，内层的作用是扰动，外层的作用是屏蔽。这里，中心射流压力为70MPa、流量为50L/min，喷嘴直径1mm:反向射流流量在0～6L/min之间变化，它直接影响着脉冲射流的结果。
　　

　　

　　

　　2.超高压水炮　图3-23所示为超高压水炮^【7】原理示意图。氮气腔充满一定压力的氮气。压力油由a口进入，通过缸壁上的多个周向孔进入滑套前端油腔，这时压力油推动滑套往右运动，将窗口关闭，滑套前端油腔的压力油还通过活塞套与滑套之间的间隙进入油腔；紧接着油腔油压升高(这时窗口已关闭)，推动活塞向右运动压缩氮气，直至活塞尾端与氮气腔端部相碰。活塞杆随活塞向右运动，水随之从b口进入，使活塞杆前端充水，接着快速泄油阀迅速泄油。在此瞬间，油腔中的压力油推动滑套迅速打开窗口，油从c口排出，油腔油压急速降低；与此同时，氮气膨胀，推动活塞向左产生加速运动，使活寨杆把水窗口封住。活塞的动能迅速传递给活塞杆前端的水柱，使水柱(水炮的一发炮弹)压力急速升高至680MPa，活塞继续运动至预期位置时，水柱从喷嘴发射出去，称之水炮。紧接着，压力油再次注入缸壁上的多个周向孔进入滑套前端油腔。于是水炮将水柱间断有序地发射出去。
　　这里，氮气初始压力为10MPa，氮气工作压力为15MPa，在变升压过程中，水炮把低效率动能转换成了高效率动能，打击力约100kN。即通过直接应用气体压力，借助于自由活塞的作用，把水速加速到相当的速度，然后直接射向一定形状的收缩喷嘴，而喷嘴的作用则使发射时射流前端的小部分液体基本包含了所有的能量。这样得到的射流滞止压力甚至可以比最坚硬的岩石强度高许多倍，从而用于隧道和煤矿的掘进等。
　　油压、气压、水压依次形成，水压与活塞极端面积比和水压的梯度有着直接关系。
　　直接蓄能式水炮^【8】实现了30MPa水炮采煤，每次喷水量4～8L，喷射频率10～20次/min，氮气室容积11L这是一种实用性很强的超高压水炮。原理同上。
　　图3-24所示为该水炮结构示意图。其动作原理是:A室充氮气到需要压力，D室充以根据每次喷射水量确定的油量，高压水由进水口E进入，推动活塞7，D室液体及活塞6同时左移，并压缩氮气，当活塞6碰到炮筒5上凸肩时即推动炮筒5左移，在炮
　　

　　

筒左移时带动阀体8左移，并打开阀体与阀环间的密封锥面，这样C室变为高压，在压差作用下，迅速打开喷口，B室高压水在氮气推动活塞挤压下由内喷口高速流出，经稳流管由喷嘴1喷射出。当喷射快终了时，活塞带动炮筒和阀体右移，直到密封锥面严密封住，即完成一次炮击，以后重复进行。该结构特点是采用双活塞夹液体，有利于水、气密封。
　　

　　若保持这一特点，且将高压进水改在前端，即发炮机构与炮主体分开，就有了另一种结构。这里，C室充氮，D室充油，A口进高压水推动活塞5，使活塞6间接压缩氮气，当B室达到调定压力时，压力控制发炮机构5的“变压室”打开内喷口，高压水便经喷嘴1形成炮击(见图3-25)。
　　图3-26所示为水炮性能曲线即打击力与靶距关系曲线。阴影区为压力11MPa、喷嘴直径
　　

19.5mm的连续水射流打击力；I、Ⅱ则为上述两图所示结构的试验曲线。
　　参考文献
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　　2薛胜雄.微型清洗机的研究.高压水射流，1989(1)
　　3薛胜雄等.小型高压清洗机的设计.流体工程，1992(5)
　　4刘成文.MSP型水炮研制和应用.见:全国水射流技术工程应用学术会议论文集.北京:中国劳动保护科学技术学会，1996:115～124
　　5Vijay M　Meta1.Computational Fluid Dynamic Analysis and Visualiza-tion of High Frequency Pu1sed Water Jets.In:Proceedings of the 8thAmerican Water Jet Conference，Houston:1995-08-26 to 29:St.Louis:WJTA，1995:557～572
　　6Vijay M　Metal.Study of a Ovel Device for Generating Cavitating andPulsed Water Jets.In:Proceedings of the 13th International Conferenceon Jetting Technology，Cagliari:1996-10-296031:Bed for dshire:BHRG.1996:3～12
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　　8常建勇等.水炮在煤矿采掘中的应用研究.见:第九次全国水射流技术研讨会学术会议论文集.北京:1997:173～178

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