劉兆存，余 葵，孫 鵬，周世良，趙 藤，王曉青,2

(1.重慶交通大學 西南水運工程研究所，重慶 400074; 2.重慶交通大學 內河航道整治技術交通行業(yè)重點實驗室，重慶 400074; 3. 重慶交通大學 建筑與城市規(guī)劃學院，重慶 400074)

0 引 言

航道中，錨纜和航道標識以及維護等部件常常被各種纏繞物所纏繞，纏繞物包括樹木的枯枝(如竹子、藤條等)，雜草以及莊稼收割后的剩余部分(如玉米稈，水稻稈等)，生活用品(如蛇皮袋，聚乙烯袋和塑料袋)，廢棄的衣服(如秋褲，上衣，棉被等)，金屬或塑料工業(yè)品，鍋碗瓢盆，以及其他眾多的成分。清除這些纏繞物是困擾航道工作者多年的難題。雖然摸索了多種方法清除這些纏繞物，但每種方法都有一定的適用范圍，這一難題并未從根本上解決。

目前為止，清除纏繞物的方法，如機械抓取，激光破碎，人工清除等一直沒有得到一線工作人員的認可。纏繞物清除的裝置，要具有良好的易操作性、效率高、易維護、能夠適應復雜的航道環(huán)境，對于多種纏繞物有廣泛的適應性。長江航道局就此清除技術，委托下屬多家單位分別攻關。2017年9月，長江航道局在重慶組織了多家單位攻關成果的長江現(xiàn)場驗收會，利用水射流清除纏繞物的方法效果相對較好。利用水射流技術清除纏繞物，雖然在其它行業(yè)，如采礦、機械制造等行業(yè)，獲得了廣泛的應用，但在航道維護業(yè)務中的應用，報道極少。

2016年，在實踐需要的推動下，武漢航道局設立科技項目——纏繞物和草渣，以期解決困擾航道運行多年的這一難題。面向全社會公平競爭，最終，重慶交通大學承擔了這一課題。課題組經過近一年的工作，經過反復優(yōu)化試驗，最終確定浮標錨纜纏繞物清除裝置主要包括如下3部分：增壓水箱、物料混合器和動力裝置。其工作原理是，通過在高壓水槍中混入高硬度、細顆粒的金剛砂(俗稱磨料)，形成高壓水射流，從而對纏繞物進行快速切割。現(xiàn)場的試驗表明，該裝置達到了預期的目的。筆者在此主要介紹該裝置研制過程中的關鍵技術和對纏繞物的切割機理。

1 水射流

高壓水射流是近年來興起的一門技術，一般是指通過高壓水發(fā)生裝置將水加壓，把壓能轉換成動能，形成高速的微細水射流。實際應用中，這種水射流的速度一般都在幾百米/秒甚至上千米/秒的量級，從而具有巨大的沖擊力[1-11]。因此，它又稱為高速水射流。20世紀80年代中期，英國流體力學研究協(xié)會提出了將磨料注入高壓泵和初始加速噴嘴之間的水流中的方法。磨料的加入使得水射流幾乎可以切割任何材料，具有了類似鋸條的特性。據(jù)此，人們逐步研制了現(xiàn)在廣泛使用的水射流切割機，俗稱水刀。工程中，加工過程最重精度和表面粗糙度。切割機的選型原則是效率高、耐用、費用低。而水刀加工物體時，具有切縫小、精度高、高效、光潔、環(huán)保、不破壞被切割物質的理化性質等的特點，優(yōu)勢明顯。因而在航空航天、汽車、造船等領域獲得廣泛應用。高壓水射流切割機目前主要有2種形式：前混合式，磨料水沒有進入噴嘴前就已混合好，經過壓力后噴出；后混合式，水與磨料在噴嘴中混合后立即噴出。筆者研究主要涉及后混合式切割技術。

高壓水射流結構實際是紊動射流，特點是有大量的渦出現(xiàn)。紊動射流以沖擊形態(tài)垂直作用于靶的物，為研究方便，根據(jù)流動形態(tài)，沖擊射流分為自由射流區(qū)，沖擊區(qū)和壁面射流區(qū)3個區(qū)域。在沖擊區(qū)，射流速度的方向和大小變化最大。因為與靶的物發(fā)生了相互作用，射流的渦結構所含有的能量發(fā)生了劇烈的變化。在自由射流區(qū)，射流速度和方向變化最小，而壁面射流區(qū)變化居中。在流體力學中，為研究的方便，射流結構一般分為兩個區(qū)域，即初始段和基本段(或主體段)。射流通過噴嘴出口時，近似為勻速狀態(tài)，隨后進入空氣中。由于卷吸作用，尺寸增加，速度隨著前進方向逐漸衰減。在射流初始段的核心區(qū)內，速度近似為噴嘴出口的速度。經驗表明，對于自由射流，斷面流速分布具有相似性，紊流射流的自模性可表示為

(1)

因為自由射流的射流壓力與周圍介質的壓強相等，射流的射流壓力沿射流x方向不變，則在x方向動量守恒。由于射流的縱向尺度遠大于其橫向尺度，和邊界層流動的特性類似，因而可用邊界層方法進行研究。在射流離開噴嘴后的初始段，流體發(fā)生劇烈的動量交換和紊動擴散，速度減小，一般可以認為中心線附近的射流保持噴嘴出口時的速度，形成射流的等速核心。在射流基本段，紊動摻混加強，平均速度進一步減少。試驗表明，2區(qū)速度分布均具有式(1)所示的特性。

應用連續(xù)性方程、動量方程和能量方程，容易得到射流速度的經驗公式：

(2)

噴嘴的直徑d為

(3)

式中：Q為流量；c2和水頭損失系數(shù)α有關，α(c2)2=1。

射流的功率pw:

pw=c3pQ或pw=c4d2p1.5

(4)

在射流切割應用中，射流反沖力也是必須了解的基本參數(shù)。在噴嘴出口處力F為

F=c5Qp1.5或F=c6d2p

(5)

射流的打擊力為

(6)

管路的壓力損失：

(7)

式中：A為吹掃面積；c3～c7均與水頭損失系數(shù)α有關。對于某一設備的某種工況，可以認為c1～c7是常系數(shù)。具體應用中，c1～c7沒有理論的確定公式，只能由試驗方法確定。一般而言，除了和影響沿程與局部水頭損失的因素有關外，還和設備的操作情況以及應用環(huán)境有關，除了受確定性因素影響外，還受隨機性因素影響。同時，本文的公式是根據(jù)水力學理論而得到的，水力學理論是對于大量的經驗和試驗事實概括總結建立的。

在材料被磨料水射流切割時，單個固體顆粒的沖蝕作用是切割效果的基本度量單位，沖蝕強弱和磨料顆粒的類型、尺寸、硬度以及幾何形狀關系密切。試驗表明，射流的結構和磨料顆粒類型、磨料濃度有關。如果磨料的顆粒粒徑較小時，磨料和水流流速差較小，流速分布相對均勻；而粒徑較大時，射流的切割能力增強，磨料和水流流速差變大。這些特性在磨料密度高時表現(xiàn)更為顯著。噴嘴直徑和射流軸心壓力的關系為：當噴嘴直徑處于某一范圍時，壓力不變；隨著噴嘴直徑的增加，射流軸心壓力類似于線性(但不是線性)關系的趨勢減小。當射流靶距一定時，壓力最大值一般在軸線上取得。

磨料射流切割破碎能力主要是磨料顆粒的沖蝕作用造成的。沖蝕作用的強弱和磨料顆粒速度、磨料顆粒速度分布有關。經驗表明，當噴嘴的長度適當長時，磨料速度雖然小于但接近流體相速度。在實際應用中，在速度差的作用下，磨料被水體加速，在噴嘴中的運動過程中，加速在繼續(xù)。即使離開噴嘴后，磨料粒子在水射流的核心段內仍被加速。此后，卷吸作用使得流體速度逐漸衰減，加速作用減弱，最終二者速度接近，磨料速度達到最大值。離開噴嘴后，磨料減速比水體慢，會帶動水體加速，出現(xiàn)上述相反的過程。綜上可知，磨料射流存在最優(yōu)靶距，即存在切割效能最優(yōu)的距離。

研究表明，磨料速度沿射流徑向的變化情況為，磨料速度在射流中心附近最大，從中心往邊界過渡時，速度不斷減小，速度分布呈現(xiàn)出類似鐘形的圖像。原因是由于磨料速度靠通過與水射流進行動量交換而獲得。因此，對于切割設備來說，存在最佳的外噴嘴形狀。

水射流切割纏繞物時，水射流能起到“水楔”的作用。水射流對柔軟纏繞物的破壞除了徑向沖擊作用外，也有軸向的沖蝕作用。水射流剝離柔軟纏繞物時，如動物的尸體和彈性較小的農作物秸稈，其過程經歷擠壓變形階段、破裂階段和切割階段。試驗表明，噴嘴形式、噴射距離、入射角度、橫移速度、切割深度、靶距、噴射壓力、射流功率等8個因素都對最終的切割有影響。切割深度往往與切割壓力成正相關，超過最優(yōu)靶距時，與靶距和橫移速度成反相關。在切割壓力和切割靶距、切割移動速度以及切割的靶的物處于一定范圍的時候，對切割參數(shù)的選取和切割深度的預測屬于定性分析。在建立經驗模型時，常作如下假設：①介質為常溫凈水且不可壓；②磨料供給連續(xù)均勻且是剛性等徑的小球，噴管足夠長；③連續(xù)流動。從切割的機制上而言，磨料水射流切割就是利用加速后的高能磨料顆粒對切割的靶的物進行高速碰撞沖擊、磨削、積累沖蝕等作用進行的。單個顆粒的切削率Vs與很多參數(shù)有關。應用量綱分析，選取的參數(shù)主要有，磨料的速度Vm、磨料平均粒徑dm、切割橫移速度Vt、靶距L、磨料密度ρm、被切割材料硬度χ、被切割材料彈性模量E、被切割材料屈服強度σs、噴嘴的孔徑d、被切割材料的特征長度Lc。從分析可知，單個顆粒的切削率與以上各個參數(shù)都存在著很復雜的函數(shù)關系，可表示為

Vs=f(Vm,σs,L,ρm,dm,H,d,E,vt,Lc)

(8)

根據(jù)量綱分析法，選取ρm、dm、σs為3個基本量，其余的物理量均由基本量表示，整理之后可得

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切割試驗表明，超過最優(yōu)靶距后，靶距越大，切割深度越小，且靶距達到一定程度時，水射流基本沒有切削能力。孔徑對切割效果的影響主要是通過速度和磨料流量體現(xiàn)的。

超高壓磨料水射流切割過程是一個極為復雜的非線性過程，存在著復雜形式的能量耗散與轉化。目前對這一問題沒有理論分析成果，只能采用經驗、半經驗的研究方法。因而對于水射流切割機理與模型的研究，大都采用半經驗的方法，往往不同的研究方式得出了不同的結論。部分成果之間并不協(xié)調，缺少可對比性。但他們都在各自適宜的范圍內得到了試驗的支持。了解這些理論對理解超高壓磨料水射流切割過程有一定的幫助，其中就切割深度而言，以往的研究成果和筆者所做的試驗均表明，它和如下因素有關：顆粒的質量流量、壓力、壓力閾值、射流的橫移速度、切縫寬度、被沖擊材料的特性、彈性模量、塑性模量、磨料的顆粒質量、磨料的顆粒速度、射流的入射角等。

磨料水刀之父Hashish博士曾總結過影響磨料水射流的相關參數(shù)可分為4類16項，由于影響因素眾多且機理復雜，包含固、液、氣的耦合作用，至今仍未搞明白切割機理。尤其是單個顆粒的切削效果，由于試驗和理論分析的難度，基本上處于定性的階段，甚至不少細節(jié)處于猜想的情形。總體而言，關于磨料水射流的切割機制，目前仍處于不斷的發(fā)展之中。

2 磨料水射流切割過程

與純水射流相比，磨料水射流中磨料微粒的質量比水大且具有鋒利的棱角，形成磨料和水體對靶的物耦合的沖擊、磨削作用。由于磨料在水射流中分布微觀看是離散的，磨料微粒組成的高速粒子束沖擊產生的瞬態(tài)載荷和能量類似于離散脈沖射流的效應，增強了切割功效，深孔切割時切割能力至少是同樣純水射流效果的10倍，切割質量也較清水條件下好。

一般根據(jù)切割速度將切割過程分為3段：①初始階段。切割開始至切割達到最高速度的時段，是切割加速的過程。②穩(wěn)定階段。是切割能力相對恒定的過程，一般也是切割過程中持續(xù)時間最長的階段。③結束階段。是切割減速的過程。切割已基本完畢，和初始階段相反。理想狀況下，使用磨料水射流切割相同厚度、相同均勻材料的情形下，在某一感興趣的時段內，對于航道纏繞物，為研究方便，按照切割實施進度分為如下情況：①磨料水射流不能切穿纏繞物；②磨料水射流不能穩(wěn)定切穿纏繞物；③磨料水射流能夠穩(wěn)定切穿纏繞物。試驗表明，不同的纏繞物組合情況，切割效率不同?；诤降览p繞物清除效率和經濟最優(yōu)的實際需要，目前高壓水射流裝置的理論研究主要集中于如下兩個方面：提供性能可靠的高壓、超高壓水射流切割、破碎系統(tǒng)設備；研究新型高效的水射流，以實現(xiàn)中、高壓條件下的切割和破碎。

磨料水射流屬于兩相流，磨料微粒與水介質通常有不同的運動速度。流動過程中液相與固相的作用是非線性的，其速度之間是非平衡的。一般把二者速度逼近過程稱為馳豫過程，用馳豫時間來表示。在水射流的外邊界上將產生極不穩(wěn)定的旋渦，這些旋渦處于動態(tài)的破裂和重組的過程中，橫向或縱向運動的旋渦不斷將切割物帶離。一般而言，流場中隨機分布著大大小小的旋渦，大尺度的旋渦運輸能量，小尺度的旋渦耗散能量，引起質量和動量的交換，產生沿射流橫向和軸向的時均速度變化。

當磨料水射流切入纏繞物時，如果噴嘴移動，則磨料水射流也隨著移動，根據(jù)射流特性，此時如果下方材料還沒有被完全切穿時，會引起射流束偏轉，直到最大切割深度時偏轉停止。隨著切割的繼續(xù)，此過程也在繼續(xù)。切割過程一般認為由上部的切割磨損區(qū)和下部的變形磨損區(qū)構成，試驗表明，切割表面波紋是由于切割磨損過程和變形磨損過程的交替出現(xiàn)和耦合造成的。切割時，射流的一部分以恒定速度射向纏繞物，另一部分隨著切割深度的增加，加之水墊的消能作用逐漸增強，造成實際切割力減弱。由于磨料水射流和切割物的耦合相互作用，在不均勻作用力的非線性作用下，造成切割面沿切割方向的相反方向發(fā)生彎曲。因為磨料自身慣性的原因，在密度差等等因素的耦合作用下，和水射流載體偏轉不同步，出現(xiàn)磨料顆粒與水射流分離以及磨料顆粒的局部沖蝕集中，集中部分的磨削量明顯增加，在切割面上形成階梯形狀。在切割竹枝類纏繞物時，切割面上的階梯形狀尤其明顯。

由于階梯、射流束和材料之間的相互作用，材料受到發(fā)生偏轉后的射流的二次沖擊，加之射流邊界層內各種旋渦的運動，以及引起射流橫向和軸向時均速度的變化，導致材料移除率的變化，進而引起切割效果的改變，由此造成了臺階形成的原因?？紤]整個過程中磨料顆粒與水之間、磨料顆粒之間的相互作用，雖然射流侵蝕能力超過材料強度的位置是不均勻的，但臺階前方的材料會像臺階形成過程一樣，形成新的臺階并被穩(wěn)定移除，該過程基本確定，并不斷循環(huán)。試驗表明，由于固、液相間時均速度差造成相間滑移和擴散運動，速度梯度和相間滑移的耦合相互作用，磨料顆粒和水射流之間的能量分布會發(fā)生變化。一般而言，在與被切割的纏繞物發(fā)生撞擊時，磨料顆粒的能量損失會大于水射流部分的能量損失，引起后續(xù)射流的相互作用并發(fā)生偏轉。由于水和磨料之間的非定常、非均勻和非線性的相互作用，自身形狀發(fā)生旋轉，會被后方射流再次加速，與纏繞物再次發(fā)生碰撞。磨料水射流在深水中切割的性能會降低，周圍液體壓力和靶距的增加使得切割深度的減小有非線性的趨勢。一方面可能是水墊的特性和射流特性之間相互作用的結果，另一方面可能是切割環(huán)境介質密度增加和空化效果減弱造成的。當磨料水射流在周圍液壓較高的環(huán)境中重復切割時，切割效果主要來源于開始的幾次，后面的作用逐漸減小，隨著靶距的增加，會很快失去切割能力。切割實踐表明，對于切割不同的纏繞物，在切割設備相同時，最佳的射流橫移速度也不同。此外，增加磨料水射流切割能力最有效的措施之一是提高磨料水射流的系統(tǒng)壓力(反映為噴嘴流速)。當射流超過有效靶距時，無論采用什么樣的磨料，切割效果衰減較快。

圖1、圖2是切割和清洗的一些實例。其中，圖1(a)、(b)是對單個纏繞物的切割，圖1(c)是對混合纏繞物的切割，圖1(d)是對一種常見纏繞物在不同工況下切割的切痕對比。圖2(a)、(b)是對生銹鐵板的清洗。從圖1、圖2中也可以看到，采用水射流技術無論是進行纏繞物的切割或是對目標物進行清洗的過程中，都有很多的水霧產生，因而在對環(huán)境要求較高的場合，其適用性受到了一定的限制。此外，磨料水射流對錨纜、航道標識以及維護等部件的纏繞物進行切割時，也會對這些部件產生影響，尤其是在纏繞物快被割斷前，纏繞物的附著部件會承受大部分的作用力。如果要減少作用力，雖然可以通過調整壓力的大小來達到，但如何智能性地消除這些不利影響，目前仍然在研究之中。事實上，使得研制的這個設備具有盡可能高的人工智能，在切割的靶的物是豆腐或鐵塊時，智能啟用不同的操作程序，一直是努力的方向之一。

圖1 切割實例Fig. 1 Cutting example

圖2 除銹實例Fig. 2 Derusting example

3 磨料水射流的切割機理

研究射流作用下纏繞物破壞或清除的機理，通常從互相關聯(lián)的兩方面入手：分析射流作用于纏繞物上的作用力，以及纏繞物在這些作用力下的清除過程。顯然，不同材料的破環(huán)、清除形式也不一樣。例如在相同的切割設備情形下，塑性材料主要是發(fā)生塑性破壞而脆性材料主要是發(fā)生脆性破壞，最優(yōu)靶距和切割效率也不同。關于纏繞物清除的機理，目前大致分為以下幾種理論。

1)準靜態(tài)彈性破碎理論。當磨料射流作用在纏繞物上的應力超過纏繞物的強度時，纏繞物將發(fā)生破壞。陶瓷和部分金屬纏繞物的破壞可能屬于此類。

2)應力波破碎理論。磨料水射流沖擊的沖擊力是動載荷，尤其是其中幾何形狀不規(guī)則的磨料，在纏繞物中產生應力波，而應力波的作用是造成纏繞物中的脆性和彈性破壞的主要原因。藤條和水草等纏繞物的破壞可能屬于此類。

3)氣蝕(空蝕)破碎理論。氣蝕作用是造成纏繞物破壞的主要原因。試驗表明淹沒射流所產生的氣蝕能極大地提高破壞纏繞物效率。但由于機理復雜和受目前試驗手段的限制，現(xiàn)階段空泡的實際破壞作用分析只能是定性的和半經驗的，目前沒理論模型。對于金屬一類纏繞物的破壞氣蝕起了重要的作用。

4)裂紋擴展破碎理論。如果纏繞物本來就存在初始裂紋，水射流造成纏繞物的破壞很可能是裂紋擴展破裂造成的結果。主要分2種情形，一種認為纏繞物在水射流沖擊作用下產生裂紋，對于秸稈的破壞可能屬于此類；另一種是拉伸～水楔作用，在高壓水射流的沖擊作用有效地順著裂紋尖端傳播后，由于水侵入裂隙空間產生的應力場將造成在裂隙尖端產生應力集中區(qū)，裂隙迅速發(fā)展最終造成纏繞物破碎。對于藤條和竹枝類的破環(huán)，可能屬于此類。

5)滲流應力及損傷破碎理論。射流使纏繞物產生裂紋使得水通過裂紋進入纏繞物內部，水射流壓力與水滲流相互作用最終造成纏繞物的破壞。對于腐朽的木頭和破舊的編織物類，如毛衣、毛褲、棉絮等的破壞，可能屬于此類。

觀察纏繞物的破壞過程和破損斷面表明，在不同的工況條件下和對不同纏繞物以及在破壞過程的不同階段，上述5種作用的重要程度是不同的。但射流的沖擊力及產生的應力波是始終存在并起主要作用，另外3種則起到程度不同的輔助作用。根據(jù)觀測，磨料的沖擊作用和高速水流的劈裂作用是兩種重要的原因，尤其是前者對于纏繞物的破壞更為顯著。磨料顆粒對纏繞物形成裂隙或接近破壞極限的損傷區(qū)域。水射流進入裂隙空間后產生水楔效應在裂隙尖端產生拉應力，這種過程的不斷循環(huán)最終使裂隙迅速發(fā)展和擴大，造成纏繞物破碎。應該指出，式(9)給出的單個顆粒的切削率是從唯象的觀點給出的，而這里關于切割機理的討論是從微觀的視角進行的，有很大的主觀因素在里面。如何在大量精細的試驗基礎上，建立二者的關系，是一個值得探討的方向。

4 結 語

基于筆者試制成功的原型樣機，試驗研究了航道纏繞物水射流清除的特性和機理。對于高壓紊動水射流結構的討論，指出了紊流射流自模性的特征，以渦結構為紐帶，通過動量和能量的傳遞，可以把切割后的纏繞物帶出切割區(qū)域。在分析大量室內和天然情形下的試驗結果的基礎上，給出了有關射流常用的幾個經驗公式?？梢灾?，提高射流壓強是增強切割能力的關鍵。指出了射流壓力和速度分布的特性，給出了影響切割效率的影響因素和相應的經驗公式。分析了磨料射流時磨料和水流之間的相互作用和磨料的運動特性，研究了水射流清除的特點，指出了切割斷面鋸齒形產生的原因，給出了磨料水射流切割機理的初步分析結果?；谠囼灲Y果，分析指出磨料的沖蝕作用和高速水流的劈裂作用是兩種重要的原因，尤其是前者對于纏繞物的破壞更為顯著。這些結論對于航道纏繞物水射流清除裝置的效率提升和改進有參考價值。