王麗萍， 蔡曉君， 竇艷濤， 巢鑫迪， 王妍陶

(1. 北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102617； 2. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

高壓水射流清洗參數(shù)實(shí)驗(yàn)研究

王麗萍1，2， 蔡曉君1， 竇艷濤1， 巢鑫迪1， 王妍陶1

(1. 北京石油化工學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院， 北京 102617； 2. 北京化工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院， 北京 100029)

研發(fā)了一種高壓水射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)，測(cè)試了不同靶距和入射角對(duì)射流打擊力的影響。結(jié)果表明，射流打擊力隨靶距的增加呈先增后減，160 mm為最佳靶距，打擊力最大，具有較好的污垢清洗效率。由于非淹沒(méi)射流結(jié)構(gòu)特性，靶距過(guò)大和過(guò)小都不處于有效射流段，使打擊力減小，從而達(dá)不到去污目的。同時(shí)，通過(guò)對(duì)最佳靶距及最大打擊力進(jìn)行理論驗(yàn)證，表明該實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試數(shù)據(jù)合理可靠。通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴安裝角度來(lái)改變?nèi)肷浣?，得出小的入射角可以獲得較大的射流打擊力，角度為0°時(shí)，即為垂直打靶，打擊力最大。該實(shí)驗(yàn)臺(tái)不僅為今后高壓水射流現(xiàn)場(chǎng)清洗工作提供理論與實(shí)驗(yàn)支撐，還可以確定不同直徑噴嘴在各種直徑管道下高壓水清洗時(shí)的清洗參數(shù)，以及適用于高壓水射流破巖等其他方向的參數(shù)研究。

清洗參數(shù)； 高壓水射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)； 最佳靶距； 最佳打擊力

0 引 言

高壓水射流技術(shù)起源于“水滴石穿”現(xiàn)象，是一種將能量聚集于噴嘴處使流體以射流的運(yùn)動(dòng)形式出來(lái)的技術(shù)。該技術(shù)是從防止水滴→水束→水射流的破壞作用的研究理念，到該破壞能力的反利用研究的轉(zhuǎn)變而誕生的。隨著人們對(duì)污垢問(wèn)題的認(rèn)識(shí)及研究力度的增加，應(yīng)用于清洗除垢的高壓水射流技術(shù)(即高壓水射流清洗技術(shù))在多個(gè)行業(yè)迅速發(fā)展起來(lái)[1]。

迄今為止，高壓水射流清洗技術(shù)已經(jīng)廣泛應(yīng)用到汽車(chē)、化工換熱器以及儲(chǔ)罐等的清洗作業(yè)中，具有低成本、節(jié)能環(huán)保、高效率等優(yōu)點(diǎn)，被世界各國(guó)所青睞[2]。據(jù)統(tǒng)計(jì)，高壓水射流工藝清洗量已達(dá)總清洗量的80%[3]。隨著人們對(duì)高壓水射流機(jī)理及相應(yīng)設(shè)備的深入研究和研發(fā)，得出噴頭是實(shí)現(xiàn)高壓水射流清洗技術(shù)的關(guān)鍵執(zhí)行元件，其所產(chǎn)生的水射流打擊力是影響其清洗效果的重要因素[4]。張?zhí)m芳等[5]根據(jù)污垢特點(diǎn)，結(jié)合高壓水射流破碎機(jī)理，給出了高壓水射流清洗污垢的部分技術(shù)參數(shù)。許多學(xué)者[6-9]通過(guò)研究噴嘴結(jié)構(gòu)參數(shù)在高壓水射流清洗工作中對(duì)清洗效率的影響力設(shè)計(jì)出了諸如扇形、錐形等多種噴嘴結(jié)構(gòu)。但上述工作主要集中在設(shè)備本身結(jié)構(gòu)和流體特性的研究，而設(shè)備在處于高壓水射流清洗工作時(shí)影響清洗質(zhì)量的清洗參數(shù)方面的實(shí)驗(yàn)性研究較少。

本研究自主研發(fā)了一種高壓水射流實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)研究射流清洗參數(shù)對(duì)水射流打擊力的具體影響，從而為高壓射流清洗工作提供參考依據(jù)。

1 高壓水射流清洗原理及參數(shù)

1.1 清洗原理

高壓水射流清洗根據(jù)不同的清洗對(duì)象和要求，采用射流形式和執(zhí)行機(jī)構(gòu)不同，但其原理可總結(jié)為：① 高壓水的產(chǎn)生，即由高壓發(fā)生裝置打出具有一定壓強(qiáng)的高壓水，通過(guò)與之配套使用的水管到達(dá)噴嘴；② 水流從噴嘴射出，這可看成是水流在圓管流動(dòng)過(guò)程中截面突然變大的情況，從而使高壓低流速的水轉(zhuǎn)換為低壓高流速的射流；③ 高流速的射流正向或切向沖擊被清洗面，并產(chǎn)生沖擊力和剪切力，這些力則會(huì)對(duì)污垢產(chǎn)生沖擊、動(dòng)壓力、磨削等作用，使垢層被沖蝕、滲透、剪切、破碎，最終從清洗面上剝離下來(lái)[10]。

水射流對(duì)清洗面(靶面)的打擊力是影響清洗效果的關(guān)鍵因素，而高壓水流從噴嘴射出來(lái)打到靶面上包含了2個(gè)變量：入射角及靶距，是打擊力的關(guān)鍵定量參數(shù)[11-12]。

1.2 入射角

污垢對(duì)壁面有著較強(qiáng)的附著力，故射流清洗時(shí)，射流對(duì)壁面的作用力必須達(dá)到一定的臨界值[13]才能滿(mǎn)足垢層的去除要求，從而達(dá)到清洗目的。水射流打擊力可分解為水平和垂直分量。其中，水平分量對(duì)靶面污垢起切削作用，即為剪切力，決定著前行速度的快慢；垂直分量則為沖擊力，對(duì)污垢起滲透、破碎作用，若垂直分量低于臨界值，射流則只掠過(guò)垢層表面而不能起到清洗。射流打擊力在不同入射角的分解下得到的沖擊力不同，因此，為提高清洗效率，不僅需要較大的射流打擊力，還需要該力下能夠獲得較大的沖擊力。

1.3 靶 距

清洗作業(yè)所需要的水射流通常為非淹沒(méi)射流，其結(jié)構(gòu)如圖1所示[14]。水射流噴嘴對(duì)流體的約束可以使得水射流速度迅速增加，如進(jìn)口壓力55 MPa時(shí)，射流速度就能增加至超音速；而當(dāng)射流進(jìn)入空氣之后，由于紊流引起了射流功率損失，使得紊流區(qū)射流速度隨著射流距離的增加而降低，最終導(dǎo)致沒(méi)有足夠的能量有效清洗靶件。因此，高壓水射流清洗主要運(yùn)用核心段水流清洗污垢。由此表明：從射流結(jié)構(gòu)特性而言，實(shí)驗(yàn)中在進(jìn)行高壓水射流清洗時(shí)應(yīng)當(dāng)考慮靶距的影響。

1-原始段, 2-基本段, 3-發(fā)散段

圖1 非淹沒(méi)水射流結(jié)構(gòu)圖

同時(shí),就理論研究發(fā)現(xiàn)而言，射流作用于物體表面的實(shí)際打擊力不僅取決于射流基本參數(shù)，同時(shí)也與噴嘴與物體間的距離有關(guān)，稱(chēng)之為靶距。連續(xù)高壓水射流沖擊被清洗物體過(guò)程中，由于噴嘴出口處射流較緊密，沖擊后沿物體表面流出，打擊力大小有限；當(dāng)靶距增大時(shí)，射流擴(kuò)散，沖擊物體后引起大量液體反濺，會(huì)增大對(duì)物體的打擊力；但隨著靶距的繼續(xù)增大，射流速度將會(huì)降低，打擊力也就隨之減小。

因此，研究射流打擊力與靶距的變化關(guān)系，對(duì)于研究射流性能參數(shù)尤為重要。通常把射流對(duì)物體表面的打擊力最大時(shí)的靶距稱(chēng)為最佳靶距l(xiāng)opt，了解最佳靶距與射流基本參數(shù)間的關(guān)系，有利于確定射流作業(yè)的最佳工況。經(jīng)過(guò)試驗(yàn)研究，射流打擊力、靶距與射流基本參數(shù)間的關(guān)系可由下列經(jīng)驗(yàn)關(guān)系式表示[15]：

(1)

(2)

式中:lopt為最佳靶距，mm；Fmax為最大射流打擊力，N；p為射流壓力，MPa；d為噴嘴出口直徑，mm。Fmax一般為(0.6～0.85)F，射流壓力大、噴嘴直徑小時(shí)，取較大值；反之，取較小值。

2 高壓水射流清洗實(shí)驗(yàn)

2.1 射流清洗實(shí)驗(yàn)的裝置及原理

自主研發(fā)的一種測(cè)量小直徑高壓水射流參數(shù)的實(shí)驗(yàn)裝置如圖2所示，包括高壓軟管、壓力表、噴頭、靶板和壓力傳感器以及數(shù)據(jù)顯示儀等。實(shí)驗(yàn)選用YLC280型的高壓水泵，額定工作壓力8 MPa，實(shí)驗(yàn)泵壓5 MPa，流量9.8 L/min；與泵連接的高壓軟管其能夠承受的工作壓力可達(dá)60 MPa；裝置上的壓力表型號(hào)為YTN-60，其值為噴嘴的出口壓力；噴嘴直徑為1 mm，可通過(guò)調(diào)節(jié)噴嘴上的壓力閥來(lái)控制射流壓力；整個(gè)實(shí)驗(yàn)臺(tái)以工字梁為底座，并設(shè)有2個(gè)平行導(dǎo)軌，導(dǎo)軌上安裝著帶有噴頭的滑塊，該滑塊與滾珠絲桿配合，通過(guò)絲杠的轉(zhuǎn)動(dòng)達(dá)到調(diào)節(jié)靶距(噴頭到靶板的距離)；靶板所在的工作臺(tái)安裝在裝置右側(cè)，通過(guò)蝸輪蝸桿轉(zhuǎn)動(dòng)原理使工作臺(tái)轉(zhuǎn)動(dòng)，繼而使靶板轉(zhuǎn)動(dòng)一定角度來(lái)反映射流角度，角度的大小由其上黏貼的量角器讀取，且靶板起始位置與量角器90°刻線(xiàn)垂直；同時(shí)在靶板上裝有測(cè)力傳感器，用于測(cè)量水射流打靶壓力。在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中需要注意:① 噴頭必須被夾緊以防止其竄動(dòng)而造成測(cè)力誤差;② 噴頭到傳感器的有效距離最大為300 mm。

圖2 實(shí)驗(yàn)臺(tái)實(shí)物圖

整個(gè)實(shí)驗(yàn)裝置的工作情況即可簡(jiǎn)述為，泵通過(guò)軟管將高壓水送到噴頭處，初始時(shí)，噴頭保持水平布置，通過(guò)滾珠絲桿的轉(zhuǎn)動(dòng)來(lái)實(shí)現(xiàn)不同靶距下的水射流測(cè)量；調(diào)整靶板工作臺(tái)的角度，研究不同入射角和靶距對(duì)水射流的影響。

2.2 實(shí)驗(yàn)參數(shù)的確定

由上述實(shí)驗(yàn)原理可知，在實(shí)驗(yàn)過(guò)程中，靶距、泵壓力、噴嘴安裝角度(入射角)、噴嘴直徑等是確定射流打擊力與射流清洗參數(shù)關(guān)系的重要數(shù)據(jù)，其中噴嘴安裝角度由靶板的轉(zhuǎn)動(dòng)角度來(lái)表示，角度為0°時(shí)，噴嘴垂直打靶。因此確定如下實(shí)驗(yàn)參數(shù)進(jìn)行射流清洗參數(shù)實(shí)驗(yàn)測(cè)試:靶距(直尺),mm;射流壓力(壓力閥),MPa;射流打擊力(壓力傳感器),N;安裝角度(量角器);噴嘴直徑(直尺),mm。

2.3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)測(cè)試的主要步驟及數(shù)據(jù)

(1) 實(shí)驗(yàn)開(kāi)始階段，壓力顯示器上數(shù)值調(diào)為零。

(2) 開(kāi)始實(shí)驗(yàn)，打開(kāi)噴頭閥門(mén)，泵上的壓力閥顯示為4 MPa，噴頭處的壓力閥的數(shù)值為3 MPa，過(guò)程中存在壓力損失。

(3) 調(diào)試不同靶距，距離范圍在100～200 mm，間隔10 mm。

(4) 因?yàn)閴毫鞲衅鹘佑|面積較小，所以調(diào)整角度設(shè)為0°～30°，間隔為10°。

圖3 實(shí)驗(yàn)臺(tái)所測(cè)數(shù)據(jù)

3 實(shí)驗(yàn)結(jié)果分析

圖4是根據(jù)圖3得出不同角度和靶距與射流打擊力的曲線(xiàn)關(guān)系圖。由圖可見(jiàn)，噴嘴直徑、流量壓力以及安裝角度相同情況下，射流打擊力先隨著靶距的增加而增加，當(dāng)靶距為160mm時(shí)，打擊力達(dá)到峰值(即最佳打擊力)，隨后靶距的增加反而使打擊力減小。由此說(shuō)明，打擊力并不與靶距呈正比或反比的關(guān)系，而是先增后減的關(guān)系。這就表明打擊力勢(shì)必存在一個(gè)最大值，也就必然存在一個(gè)與之對(duì)應(yīng)的靶距，即為最佳靶距。與此同時(shí)，比較相同靶距、不同安裝角所對(duì)應(yīng)的4個(gè)點(diǎn)，可以發(fā)現(xiàn)，靶距一定時(shí)，安裝角增大，打擊力減小，清洗效果減弱。

圖4 不同角度和靶距與打擊力的關(guān)系

4 結(jié) 論

本研究利用自主研制的高壓水射流清洗實(shí)驗(yàn)臺(tái)，實(shí)驗(yàn)?zāi)M了高壓水打靶清洗過(guò)程，通過(guò)對(duì)實(shí)驗(yàn)參數(shù)的控制與調(diào)整得出以下結(jié)論：

(1) 射流打擊力隨靶距增加而呈先增后減，這與非淹沒(méi)射流結(jié)構(gòu)特性有關(guān)，即當(dāng)靶距增大時(shí)，射流擴(kuò)散，沖擊物體后引起大量液體反濺，會(huì)增大對(duì)物體的打擊力；但隨靶距繼續(xù)增大，射流速度將會(huì)降低，打擊力也就不斷減少。

(2) 靶距一定下，射流打擊力與入射角成反比，當(dāng)入射角為0°(即垂直打靶)時(shí)，射流打擊力最大。但是在進(jìn)行自進(jìn)式二維旋轉(zhuǎn)噴頭設(shè)計(jì)時(shí)，入射角不僅影響清洗效率，更是關(guān)系著裝置的自進(jìn)力的大小，因此需考慮在最佳靶距附近確定合適射流角度，保證了射流參數(shù)的合理性。

總的來(lái)說(shuō)，自主研制的實(shí)驗(yàn)裝置既可以驗(yàn)證水射流參數(shù)計(jì)算的正確性，還能實(shí)驗(yàn)?zāi)M射流清洗作業(yè)、確定清洗參數(shù)，為自進(jìn)式清洗裝置及旋轉(zhuǎn)噴頭的設(shè)計(jì)提供合理的理論計(jì)算和有效的實(shí)驗(yàn)支撐。

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Experimental Research of High Pressure Water Jet Cleaning Parameters

WANG Liping1,2, CAI Xiaojun1, DOU Yantao1， CHAO Xindi1， WANG Yantao1

(1. Colledge of Mechanical Engineering, Beijing Institute of Petrochemical Technology, Beijing 102617, China;2. Colledge of Mechanical and Electrical Engineering , Beijing University of Chemical Technology, Beijing 100029, China)

A high pressure water jet test bench was developed in this paper, and the effects of target distance and angle to the jet hitting force were studied. The results show that, the jet force increases first and then decreases with the increase of the distance. The optimal target distance is 160mm with the largest force which removes dirt mostly. Due to the structural characteristics of non-submerged water jet, the force decreases when the target distance is too large or too small, and makes water jet less effective. The theoretical verification shows that the test bench is reasonable and reliable. By adjusting the angle, it draws a conclusion that a small angle can produce larger jet force. When the angle is down to 0°, calling the vertical shooting, the force reaches the maximum. This test bench not only provides theoretical and experimental supports for the high pressure water jet cleaning work at the scene in the future, but also determines the parameters of nozzles in difference sizes cleaning pipes, and the parameters on other fields of high pressure water jet, such as rock breaking.

cleaning parameters; experiment platform of high pressure water jet; optimal target distance; best force

2016-11-03

北京自然科學(xué)基金項(xiàng)目(3132010)

王麗萍(1990-)，女，四川渠縣人，碩士生，主要從事化工設(shè)備方面的研究。

Tel.：13120376422； E-mail：wangliping0321@126.com

蔡曉君(1963-)，女，上海人，教授，碩士生導(dǎo)師，主要從事機(jī)械設(shè)計(jì)的教學(xué)與科研工作。

Tel.：13611057250；E-mail：caixiaojun@bipt.edu.cn

TE 988

A

1006-7167(2017)08-0048-04