金鑫

摘 要：針對標準件金屬線材清洗行業(yè)的需求，設計了一種基于空化射流技術的金屬線材清洗系統，包括盤圓釋放裝置、清潔剝殼裝置、烘干裝置和收卷裝置。對比原有設備，改進了結構設計，降低環(huán)境污染并節(jié)約了成本。本設備結構簡單，效率高，質量高。

關鍵詞：空化射流;空化噴嘴;金屬線材;清洗

中圖分類號： TB492 ? ? ? ? ? 文獻標識碼： A ? ? ? ? ? ?文章編號： 1673-1069（2016）33-186-4

0 ?引言

目前標準件金屬線材生產行業(yè)中，盤圓的除銹主要是采用化學的方法，利用酸洗除銹。這種方案對于大氣、土壤、地表水和地下水都有很大的污染性，并且后續(xù)無害化處理成本很高。所以找到一種對環(huán)境無害、成本在可控范圍內的盤圓除銹方法就顯得較為迫切。空化射流除銹方案就是在目前這種情況下提出的。

空化射流的原理是通過外部條件在流體內部誘發(fā)空化效應，產生大量的空化泡，這些空化泡破滅時產生的能量高度集中，其作用面積非常小，從而在物體的表面，許多極小面積的區(qū)域會產生應力集中和高沖擊力的現象，這就給所受物體帶來空蝕破壞，進而達到清洗的目的。

空化射流技術是將空化作用引入到高壓水射流而形成的一種新型高壓水射流技術，在同等條件下，空化射流相對于普通高壓水射流具有破碎和切割能力更高的特點。時下空化射流已在船舶表面清洗，建筑物表面清污等行業(yè)應用。用在盤圓除銹的工藝當中，產生空化射流的理論基礎是可靠的，技術是成熟的，是完全可以實際應用的。

1 ?空化射流清洗標準件總體方案設計

整個方案工藝設備包括盤圓釋放裝置、剝殼及校直裝置、表面清潔裝置、空化噴嘴、烘干室、清洗水回流及初步凈化設施、儲水池、加壓泵、拉絲裝置和收卷機構等，其中剝殼及校直裝置、表面清潔裝置是在一個相對密閉的清潔室內完成，其目的是減少污染，改善工作環(huán)境。

1.1 盤圓釋放裝置

盤圓釋放裝置底部為一個基座，基座中央安裝有軸承，支撐一個圓盤，圓盤上固定用圓管或其他形式的軸芯，圓盤下有一個強度足夠的軸安置在基座上，在外力的作用下，可以讓圓盤繞軸做旋轉運動。未處理的線材可套放在其上，當拉拽線材時，整卷的線材隨軸芯一同旋轉。它的作用是約束盤圓，使其按照要求釋放。

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圖1 ?盤圓釋放裝置

線材是以盤圓的形式整體套裝在中間的軸芯上的，四周有3～4個定位桿約束盤圓，線材進給的動力是由最后工序收卷機構提供的，線材沿箭頭方向進給，同時拽拉軸芯旋轉，實現盤圓的有序釋放。

1.2 清潔室

清潔室的入口有一個導入器，是用金屬圓管加工而成，內部安裝有剝殼裝置及表面清潔裝置。清潔室底部有開口，開口下部有一個方便取放的金屬廢渣箱[1，2]，用來收集從線材上清潔下來的鐵銹及其他附著物。

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圖2 ?清潔室示意圖

1.2.1 ?剝殼裝置

剝殼裝置的作用是校正有一定彎曲和不很規(guī)則的線材，并可以起到對線材表面附著的不很牢固的銹蝕及其他多余物進行初步清理。包括2組以上的校直輪組及安裝它們的機架。線材進入清潔室后，首先被第1組滾輪左右校正，使本來因盤卷而彎曲的線材在第一組滾輪的前后碾壓之下得到初步的校直;線材通過第二組輪，經過上下有一定弧度的彎曲，對線材的金相有一定的改善，表面因不同方向的拉伸和收縮，可使部分銹蝕及附著力不強的其他污物脫落，完成初步的剝殼。

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圖3 ?剝殼裝置

1.2.2 ?表面清潔裝置

由2個以上的刷子組成，布置在線材的兩側，刷子由電機驅動，以合適的速度旋轉，按照一定的順序布置。鋼刷的材質為金屬，如果材質過硬或壓在線材上的力較大，會在線材表面留下劃痕，影響產品的表面，可能造成最終產品的不合格或品質下降，刷子材質過軟或壓線材力過小有可能達不到表面清潔的要求，所以具體的形式需要經過試驗驗證。電機及刷子需要采購，其他的需要自行設計加工。它的作用是用物理的方法盡可能去除線材表面的銹蝕，為后續(xù)工藝做準備。

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圖4 ?表面清潔裝置

1.2.3 ?空化噴嘴

空化噴嘴是組合使用的，固定在線材的不同方向，向線材同時噴射空化水流，水流涵蓋線材橫截面的整個圓周，不可有死角。要實現這個目標，首先保證噴嘴數量，最少是2個。噴嘴在工作時還要可以在一定的角度內來回轉動。它的作用就是利用產生的空化水流，不斷地沖擊線材的四周，達到深度除去銹蝕的功能。

具體的噴嘴數量以及噴嘴是否需要轉動還要根據實驗裝置的效果來定，實驗裝置中需要為可能的設置留有接口。

空化射流除銹是用水作為除銹介質的，所以整個過程會產生很多混有鐵銹及其他雜質的污水，這部分污水需要收集起來，一是減小環(huán)境污染，二是為了循環(huán)利用。所以這部分應當處于相對封閉的腔體內，這就是清洗室。清洗室有線材進出口，可以固定空化噴嘴，有為噴嘴提供高壓水的入水管道，還有收集產生廢水的回流水道，如圖5所示。

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圖5 ?空化噴嘴

1.3 烘干室

烘干室由風機、熱風嘴、導入嘴、導出嘴及密閉的烘干室組成。烘干室可以營造一個個封閉的環(huán)境，將熱風嘴產生的熱量圈禁其中，內部的溫度較高，線材在上一道工藝粘連在其表面的水分在這里烘干。

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圖6 ?烘干室示意圖

如圖6所示，熱風嘴中有加熱裝置，當循環(huán)風機將熱風送入熱風嘴后，空氣帶走加熱裝置的熱量，吹向穿嘴而過的線材，氣化附著在線材表面的水分。烘干室是一個密閉的空間，出入口各安裝一個金屬管，可以通過線材控制熱量流失。循環(huán)風機應安裝在烘干室的外面，一端通過管路與室內連接，另一端有管路接到加熱嘴。

1.4 清洗水回流及初步凈化設施

凈化設施由篦子、管路、除鐵器及沉淀池組成。清潔室內沖洗完的污水通過回流嘴沿管路回流，中間有磁性除鐵器，將污水中的部分鐵銹去除，污水繼續(xù)流入沉淀池。在沉淀池中加入一些絮凝劑，經過重力沉淀，上部相對清澈的水溢流到清水池就可以繼續(xù)使用了。這道工序可以節(jié)約大量的水資源，有利于環(huán)境保護。

1.5 加壓泵

提供產生射流的壓力，一般是柱塞泵。加壓泵的出口通過高壓管連接到空化射流噴嘴，入口前需要安裝一個目數較高的過濾器作為精濾器，保護柱塞泵。精濾器通過管路連接到一個粗濾器，粗濾器被放置在清水池中，可以方便汲水，粗濾器可以過濾掉水中較大的雜物，其作用一是保護精濾器，二是提高效率。

1.6 拉絲裝置

線材通過拉絲裝置實現變徑。它的原理是線材通過一個直徑由粗變細的合金部件，在收卷機構提供強力拉拽之下，線材被擠壓塑性變形，直徑由粗變細。如果一次變徑不能滿足要求，可以多次重復此工序，直至達到要求為止（圖7）。

1.7收卷機構

提供線材變徑的動力，并使變徑后的線材成卷，方便運輸。

2 ?關鍵技術

2.1 噴嘴的作用及要求

整套方案的關鍵技術就在于空化噴嘴，噴嘴的性能，結構合理與否直接關系到使用壽命及除銹效果的好壞。一部分資料也有對空化射流噴嘴的形式有所提及，只是應用場所不同，有一定的借鑒意義。

噴嘴是水射流發(fā)生裝置的執(zhí)行元件，噴嘴的作用是通過噴嘴內部的孔橫截面的收縮，將流經噴嘴的高壓水的能量聚集，并轉化為動能，然后以高速度向外射出，以產生對工件的有效沖擊作用，使得線材上鐵銹及各種污染物脫落，從而達到清洗工件的目的。

噴嘴直接影響到水射流的品質和效率，為了能夠達到有效清洗工件上污染物的目的，相對理想的噴嘴應該滿足以下幾個條件：

①從噴嘴射出的水束能夠有效地將壓力轉化為對工件污染物的沖擊力;

②水射流流暢，不容易產生堵塞的現象;

③在能夠有效清洗的前提下，盡可能使水耗達到最低;

④在能夠有效清洗的前提下，保證噴嘴拆卸方便，并盡可能降低制造成本;

⑤噴嘴的壓頭損失應盡可能地小，并能夠產生穩(wěn)定的水射流，以利于對工件污染物的清洗。

對于不同形式的噴嘴，所產生的清洗效果也不同，因而我們需要合理地選擇噴嘴的形式，從噴射出的水束的形狀來看，我們可以將噴嘴分為針形噴嘴和扇形噴嘴，研究表明在高壓沖洗狀況下，針形噴嘴比扇形噴嘴的沖洗效果好。為了突出空化噴嘴的優(yōu)勢，因此我們選用沖洗效果好的針形噴嘴來與之進行對比實驗。

2.2 噴嘴的結構及參數

噴嘴的結構參數主要包括：噴嘴出口孔直徑、噴嘴出口孔長徑比、入口角和出口角等。針形的噴嘴的模型和空化噴嘴模型如圖8所示。

2.2.1 ?噴嘴出口孔直徑

設計一個噴嘴，我們首先要選定的就是噴嘴出口孔的直徑，它是確定其他參數的依據[3]。一般地，我們選定出口孔直徑時，主要考慮兩個因素，水耗的多少和噴嘴是否會有堵塞的危險。而這兩個因素成對立關系，即孔徑越大水耗相應的就越大，堵塞的危險性越低;孔徑越小，堵塞的危險性越高，而相應的水耗越小。結合這兩個因素，設計噴嘴時，我們主要以降低水耗為目的，所以盡量取小直徑的噴嘴，而堵塞的危險性，我們可通過過濾進水等措施來實現。

孔徑關于射流流量和射流壓力公式：

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這個公式計算的結果，可以通過圖9具體地表現出來。

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圖9

從圖9中我們可以看到，孔徑d對射流流量Q有一個臨界值d0，當d<d0時，射流流量Q隨d增加的較為緩慢;當d>d0時，射流流量Q隨d增加急劇上升，這在高壓條件下表現得更為明顯。所以我們在設計噴嘴時，出口孔徑d應盡量接近臨界值d0，因為當d過小時，這增加了堵塞的危險，當d過大時將增加水耗，結合噴嘴模型圖與計算公式我們取孔徑的d=1，這樣一來，我們在降低水耗的同時，也降低了堵塞的危險性。

2.2.2 ?噴嘴出口孔的長徑比

所謂長徑比就是噴嘴的圓柱段的長度與孔徑的比值，我們用來Z/d表示。它是影響射流狀態(tài)的一個重要參數，流動系數和流動阻力都受到它的影響。通過它的大小，我們可以知道噴孔是薄壁噴孔還是細長噴孔，流體經過這兩種噴孔時所出現的流動狀態(tài)不同，由流體力學原理我們知道，細長孔具有相對較高的流量系數，故而有較高壓力能，即較高的噴射能量轉換效率。相關實驗研究表明噴孔的長徑比f/d取4較為合理。

2.2.3 ?噴嘴的入口角和出口角

噴嘴的入口角是決定噴嘴流動阻力的主要因素，根據相關機構大量實驗研究表明：噴嘴的入口角過小，射流的密集性就降低，并且增加了噴嘴的軸向尺寸;入口角過大，出口邊界層的厚度就降低，因而射流的密集性也隨著入口角的增加而降低。由此我們可以知道入口角應該有一個最佳值。入口角過大或過小都會增加流動阻力，影響到流動阻力也就影響到流動系數[4]。流動系數μ與入口α角口關系曲線圖如圖10所示。

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圖10 ?流動系數μ與入口α角口關系曲線圖

由圖10我們可以知道，在波峰處噴嘴的流量系數最大，其值大約為μ=0.96，與其相對應的入口角的大小約為α=13.5°。考慮到噴嘴的加工要求，我們建議采用入口角α=30。針形噴嘴我們不設計出口角，只對空化噴嘴設計一個出口角，根據現有的實驗結果我們選用出口角為60°。

2.3 噴嘴最終模型

通過以上的分析與設計，結合具體實驗環(huán)境和加工條件，我們將針形噴嘴和空化噴嘴的外形設計如圖11所示。

3 ?結束語

針對標準件清洗行業(yè)的需求，本文設計了一種基于空化射流技術的標準件清洗系統，包括盤圓釋放裝置、清潔剝殼裝置、烘干裝置和收卷裝置。應用空化射流技術，通過對空化噴嘴的結構和參數的研究，實現對標準件的清洗，無論在清洗效果、清洗效率及節(jié)能環(huán)保方面都遠優(yōu)于傳統用設備的清洗模式。

參 考 文 獻

[1] 林百春.不銹鋼表面處理：酸洗、鈍化與拋光[J].材料開發(fā)與應用，2006（3）：36-39.

[2] 催溫霞，等.鋁鹽絮凝劑及其環(huán)境效應[J].工業(yè)水處理，1998，18（3）：6-8.

[3] 王起棣，張慧生.表面張力對固壁近旁空化氣泡潰滅特性的影響[J].復旦學報（自然科學版），2003，42（2）：201-207.

[4] 張鳳華，張曉琪，唐川林，楊林，廖振方.淹沒水射流空化發(fā)生的動力判據[J].水動力學研究與進展，2002，17

（4）：460-466.