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文档简介

1、热烈祝贺热烈祝贺Jetstream第一届中国水射第一届中国水射流应用及安全研讨会隆重召开!流应用及安全研讨会隆重召开!Warmly Celebrate the Opening of the Symposium! 北京科技大学高压水射流研究所北京科技大学高压水射流研究所中国职业安全健康协会水射流技术专业委员会中国职业安全健康协会水射流技术专业委员会1.1 国内外水射流技术现状1.国内外水射流清洗技术现状1.1 国内外水射流技术现状1.国内外水射流清洗技术现状1.1 国内外水射流技术现状近年来,全球水射流设备与工具有了较大的发展。近年来,全球水射流设备与工具有了较大的发展。增压泵(增压泵(Inte

2、nsifier pumpIntensifier pump)最大工作压力达)最大工作压力达648MPa648MPa直驱泵(直驱泵(Direct drive pumpDirect drive pump)最大工作压力达)最大工作压力达413MPa413MPa泵装置的最大功率可以达到泵装置的最大功率可以达到447KW447KW1.3.1 1.3.1 水射流设备与工具水射流设备与工具金刚石喷嘴寿命达金刚石喷嘴寿命达800800小时,小时,PmaxPmax可达可达380MPa380MPa。旋转喷嘴管道清洗,直径达旋转喷嘴管道清洗,直径达4 47m7m,最大,最大工作压力可达工作压力可达138MPa138M

3、Pa,最大工作流量可,最大工作流量可达达227L/min227L/min。RoctecTM 500500是一种新型磨料射流喷嘴,维是一种新型磨料射流喷嘴,维氏硬度达氏硬度达25.527.7kg/mm2,耐磨性是普通,耐磨性是普通碳化钨材料的碳化钨材料的1919倍,因此使用寿命大大延长。倍,因此使用寿命大大延长。1.3.1 1.3.1 水射流设备与工具水射流设备与工具切割切割-工业切割加工工业切割加工 五轴联动立体切割五轴联动立体切割 精密切割:精密切割:20-5020-50微米微米 超硬切割:复合材料超硬切割:复合材料 超细切割:超细切割:0.5mm0.5mm 切割深度:切割深度:500mm5

4、00mmFlow International航空复合材料切割装置航空复合材料切割装置400套,套,由过去难切割由过去难切割 一般工业切割一般工业切割1.3.2 1.3.2 水射流工业应用水射流工业应用.3 结论与展望结论与展望 清洗机主机主要由:高压泵(分解如图清洗机主机主要由:高压泵(分解如图2 2所示),电机所示),电机(电控柜),柴油机(油箱、电瓶),调压阀,溢流阀,安(电控柜),柴油机(油箱、电瓶),调压阀,溢流阀,安全阀,压力表,减速箱(通常与泵头一体称为液力端,动力全阀,压力表,减速箱(通常与泵头一体称为液力端,动力端),水过滤器(初级端),水过滤器(初级4040目

5、,精过滤目,精过滤8080100100目),水箱,目),水箱,供水管路,供水泵(大于供水管路,供水泵(大于100MPa100MPa), ,机架或车架(棚)等。机架或车架(棚)等。 清洗机清洗机附件主要由附件主要由高压胶管,高压钢管,脚控阀,分流高压胶管,高压钢管,脚控阀,分流器(分配器),联接头,管接头,回转接头,蓄能器等器(分配器),联接头,管接头,回转接头,蓄能器等。 清洗机清洗机工作机构主要由工作机构主要由手持喷枪,刚性枪,柔性枪,平手持喷枪,刚性枪,柔性枪,平面清洗盘,管路清洗支架,换热器进给装置等面清洗盘,管路清洗支架,换热器进给装置等。 喷嘴种类繁多,有扇形喷嘴,圆形喷嘴,平面喷嘴

6、,三维喷嘴,旋转喷嘴,多孔喷嘴等。安全阀调压阀手持喷枪脚踏阀下表举例说明了清洗机设计参数与试验参数间的关系设计参数(压力MPa/流量L/min)使用参数(压力MPa/流量L/min)容积效率(流量)150/50100/4284%100/7085/5882%90/9080/7583%70/7060/5882%容积效率: 国外:70MPa以下5%,国内:70MPa以下10%; 国外:70140MPa10%。下表列出了压力p(MPa)和流量q(L/min)对应的射流打击力F(N)和工作时所需的功率P(Kw),以便合理地选择高压水射流清洗机的参数,根据高压水射流清洗机的使用压力和流量合理地匹配清洗喷嘴

7、。q5060708090100110120 13014015030158173186199212223 234 245 255264273F2530354045505560657075P40210230249267282298 312 326 340352365F33404753606773808793100P50263288311333353372 390 408 424440456F42505867758392100 108117125P60316346373400424447 486 489 509529547F5060708090100110120 130140150P70368403

8、436466494521 546 571 594617638F58708293105117128 140 152163175P80421461499533565596 625 653 680705730F678093107120133 147 160 173187200P90474519560599636670 703 734 764793821F7590105120135150 165 180 195210225P100526577623666707745 781 816 849881912F83100117133150167 183 200 217233250Pp门限压力门限压力 水射流打

9、击力水射流打击力 sin745. 0pqF 式中:F 理论最大水射流打击力,N; q 水射流体积流量,l/min; p 水射流压力,MPa; 水射流清洗角度,度。垢物破坏的临界压力,MPa。序号序号垢物特征垢物特征典型用途典型用途推荐压力推荐压力MPaMPa1 1软垢软垢下水道疏通下水道疏通25252 2较软垢较软垢换热器内软垢换热器内软垢35353 3硬垢硬垢换热器、锅炉垢换热器、锅炉垢505070704 4坚硬垢坚硬垢换热器换热器70701401405 5很坚硬垢很坚硬垢氧化铝结垢物氧化铝结垢物1401402002006 6轻度锈蚀轻度锈蚀金属表层金属表层70701201207 7严重锈蚀

10、严重锈蚀船体船体200200左右左右8 8漆漆格栅、船体格栅、船体100100220220射流压力的改变对水射流打击力的影响射流压力的改变对水射流打击力的影响 我国HWJ清洗工程采用的压力范围多在70MPa左右,所以我们选取70MPa的压力来进行分析研究,下图列出了流量70l/min时,压力每增加10MPa水射流打击力的改变。 射流压力的改变对水射流打击力的影响射流压力的改变对水射流打击力的影响 从图上可以看出,流量为70L/min时,压力在50MPa150MPa之间每增加10MPa水射流打击力都会增加,但是水射流打击力增加的幅度由50MPa60MPa之间的9.5%降为140MPa150MPa

11、之间的3.4%,即流量一定时,随着压力的增随着压力的增加,水射流打击力增加的幅度逐渐减小加,水射流打击力增加的幅度逐渐减小。 下图列出了压力70MPa时,流量每增加10L/min水射流打击力的改变。 射流流量的改变对水射流打击力的影响射流流量的改变对水射流打击力的影响 射流流量的改变对水射流打击力的影响射流流量的改变对水射流打击力的影响 从图上可以看出,压力为70MPa时,流量在10L/min90L/min之间每增加10L/min,水射流打击力都会增加,但是水射流打击力增加的幅度由10L/min20L/min之间的50%降为80L/min90L/min之间的11.6%,即压力一定时,随着流量的

12、随着流量的增加,水射流打击力增加的幅度逐渐减小增加,水射流打击力增加的幅度逐渐减小。 射流压力和流量的合理匹配射流压力和流量的合理匹配 下表列出了在相同的水射流打击力(70MPa压力和70L/min流量产生的理论最大水射流打击力436N)情况下,不同压力相匹配的流量、工作功率以及匹配的电机功率。 相同水射流打击力时(436N)不同压力相匹配的流量和工作功率压力(MPa)5060708090 100 110 120 130 140 150流量(L/min)8376706562595653514948工作功率(KW)637682879398103 106 110 114 120电机功率(KW)70

13、909090 110 110 110 110 132 132 132射流压力和流量的合理匹配射流压力和流量的合理匹配 从上表可以看出,HWJ清洗机选取不同的射流压力和流量可以产生同样的水射流打击力,而在产生相同的水射流打击力(436N)时,不同的射流压力需要匹配不同的射流流量,而且压力选取的越高,工作时所需的功率也越高。例如:具有436N的水射流打击力时,清洗机的参数选择 压力:70MPa 流量: 70L/min,电机功率为90KW 压力:150MPa 流量: 48L/min,电机功率为132KW,电机功率提高了32%。汽车涂装线汽车涂装线车架涂装线车架涂装线驾驶室涂装线驾驶室涂装线喷漆室喷漆

14、室烘干室烘干室试验情况 作用时间:50秒除漆前后试件对比高压水射流船体表面除漆除锈高压水射流船体表面除漆除锈高压水射流装甲车表面除漆除锈高压水射流装甲车表面除漆除锈1-水箱;2-高压泵组;3-安全阀;4-压力表;5-调压分流阀;6-液力换向阀;7-反应釜;8-三维旋转喷头定位机构;9-三维旋转喷头;SB-1硬管型和硬管型和SB-H软管型软管型可伸缩型可伸缩型滑移型滑移型打击力试验打击力试验清通率清通率100,清净率,清净率90以上。以上。领导检查清洗效果领导检查清洗效果例例3 3 锅炉清洗:锅炉清洗:影响清洗效果的主要是工作机构和喷头。例例4 4 油管自动清洗线油管自动清洗线清洗对象主要是清油

15、和腊,清洗参数根据油垢实际情况确定,工作机构和喷头设计非常重要。例例5 HWJ5 HWJ除鳞:影响除鳞效果的因素除鳞:影响除鳞效果的因素例例5 HWJ5 HWJ除鳞:冷状态下除锈除鳞:冷状态下除锈例例5 HWJ5 HWJ除鳞:冷状态下除锈除鳞:冷状态下除锈机场跑道除胶机场跑道除胶名称压力流量功率流速380/2038020132873275/302753020074270/70707090374单位 为使为使喷嘴性能先进,要考虑五要素:结构、材料、尺寸、加工、检验。各式各样的喷嘴各式各样的喷嘴容器清洗用喷头容器清洗用喷头高压泵的额定压力和流量清洗时所需压力和流量喷嘴直径即确定Pqd其中:其中:

16、d 喷嘴直径 mm P 压力 MPa q 水流量 l/min 喷嘴系数 流量系数喷嘴直径、清洗机流量与水射流打击力的关系喷嘴直径、清洗机流量与水射流打击力的关系 HWJ清洗机的压力为清洗机的压力为150MPa,胶管的内径为,胶管的内径为10mm、长、长度为度为20m时,相关参数如下图所示。时,相关参数如下图所示。喷嘴直径、清洗机流量与水射流打击力的关系喷嘴直径、清洗机流量与水射流打击力的关系 喷射角对清洗作业的影响在清洗结垢不太厚的管道时,可将喷嘴的喷喷射角对清洗作业的影响在清洗结垢不太厚的管道时,可将喷嘴的喷射角设计大一些,使得喷嘴可以较大的径向射流打击力射角设计大一些,使得喷嘴可以较大的径

17、向射流打击力 作用在被清洗管道作用在被清洗管道结垢物上,获得良好的清洗效果和效率;在清洗几乎堵塞的管道时,可将结垢物上,获得良好的清洗效果和效率;在清洗几乎堵塞的管道时,可将喷嘴的喷射角设计小一些,使得喷嘴可以较大的轴向射流打击力喷嘴的喷射角设计小一些,使得喷嘴可以较大的轴向射流打击力 作用在被作用在被清洗管道结垢物上,获得良好的清洗效果和效率。清洗管道结垢物上,获得良好的清洗效果和效率。 在工程清洗作业中,前喷孔与喷嘴轴线的距离在工程清洗作业中,前喷孔与喷嘴轴线的距离L L对清洗作业效果有重要对清洗作业效果有重要的影响。笔者在多年从事工程清洗的实践中发现,当前喷孔的喷射角的影响。笔者在多年从

18、事工程清洗的实践中发现,当前喷孔的喷射角一一定的时候,前喷孔与喷嘴轴线越近,清洗堵塞的管道效果越好,这主要是定的时候,前喷孔与喷嘴轴线越近,清洗堵塞的管道效果越好,这主要是因为清洗堵塞的管道,必须先在管道的中心清洗出一条通道,而射流打击因为清洗堵塞的管道,必须先在管道的中心清洗出一条通道,而射流打击力最大的区域集中在喷孔射流轴线附近,所以前喷孔与喷嘴轴线的距离越力最大的区域集中在喷孔射流轴线附近,所以前喷孔与喷嘴轴线的距离越近,喷孔的最大射流打击力作用区域离管道中心也越近。近,喷孔的最大射流打击力作用区域离管道中心也越近。喷嘴射流打击力的喷嘴射流打击力的93.2%93.2%集中在喷嘴轴线方向集

19、中在喷嘴轴线方向 喷嘴孔数对清洗作业的影响喷嘴孔数对清洗作业的影响 以工程清洗常用的射流压力以工程清洗常用的射流压力70MPa70MPa、流量、流量70L/min70L/min为例来为例来分析喷嘴孔数对高压水射流换热器清洗作业的影响。当清洗分析喷嘴孔数对高压水射流换热器清洗作业的影响。当清洗机在额定状态下工作时,不同的喷嘴孔数对应的孔径、喷嘴机在额定状态下工作时,不同的喷嘴孔数对应的孔径、喷嘴出口的最大射流打击力及射流靶距为出口的最大射流打击力及射流靶距为10mm10mm时的作用面积如表时的作用面积如表2 2所示。匹配的单孔喷嘴直径所示。匹配的单孔喷嘴直径d=2.2mmd=2.2mm,单孔喷嘴

20、出口的最大,单孔喷嘴出口的最大射流打击力射流打击力F=436NF=436N,当,单孔喷嘴作用在管壁上的面积,当,单孔喷嘴作用在管壁上的面积S=15.8mmS=15.8mm2 2。 喷嘴孔数n(个)单个喷孔直径d1(mm)单孔射流打击力F1(N)单孔射流面积S1(mm2)总射流面积Sn(mm2)31.314810300.341.900.65141.11069360.242.280.55151.087.68.4420.202.660.53160.970.97.900.48170.856.17.330.42190.742.97630.103.990.401

21、100.742.97700.104.430.441120.631.56.5780.074.940.351160.50.056.180.311 从表可以看出,清洗机在额定压力和流量状态下工作时,随着喷嘴从表可以看出,清洗机在额定压力和流量状态下工作时,随着喷嘴孔数的增加,各喷孔处的流量减少,喷孔出口最大射流打击力和各喷孔孔数的增加,各喷孔处的流量减少,喷孔出口最大射流打击力和各喷孔射流作用面积也随之减小,但在同样的射流靶距情况下,射流作用面积也随之减小,但在同样的射流靶距情况下,n n个喷孔的总个喷孔的总射流面积增加,且喷嘴个数的增加与喷孔射流打击力的减小和射流面积射流面积

22、增加,且喷嘴个数的增加与喷孔射流打击力的减小和射流面积的增加呈近似线性关系。的增加呈近似线性关系。 喷嘴孔数并不是影响射流打击力和总射流面积的唯一因素,随着喷喷嘴孔数并不是影响射流打击力和总射流面积的唯一因素,随着喷嘴孔数的增加,总射流面积的增加并不能有效的补偿射流打击力的减小嘴孔数的增加,总射流面积的增加并不能有效的补偿射流打击力的减小,而且总射流面积的增加对射流打击力的补偿越来越小。,而且总射流面积的增加对射流打击力的补偿越来越小。 旋转喷头比非旋转喷头具有更大、更均匀的射流覆盖面,清洗效率更高;但是旋转速度过快,会使射流与被清洗面接触的时间过短,影响清洗效果,因此,在采用旋转喷头进行清洗

23、作业时,要根据被清洗对象的特点合理匹配旋转速度。以工程清洗常用的压力70MPa,流量70L/min为例,对比非旋转喷头与旋转喷头的射流打击力。在管道清洗工程中,如果旋转喷头采用双喷嘴喷头,则匹配的喷嘴直径为1.5mm,单孔射流最大射流打击力为197N。笔者设计的喷嘴孔数为9个(使非旋转喷头的覆盖面积能够趋近于旋转喷头的覆盖面积),此时每个喷嘴匹配的喷嘴直径为0.7mm,单孔射流最大射流打击力为42.9N。旋转喷头的单孔射流最大射流打击力是非旋转喷头的4.5倍。小结:为了使非旋转喷头的覆盖面积能够趋近于旋转喷头的覆盖面积,非旋转喷头必须采用多喷嘴喷头,如果一味提高喷嘴的个数,当清洗机的压力和流量

24、不变时,每个喷嘴对应的流量将会降低,射流打击力也会减小,因此在设计喷嘴孔数时,既要考虑随着喷嘴个数的增加射流覆盖增加,又要考虑单孔射流打击力的减小。 在HWJ清洗机设计中,人们往往追求高压力,而忽略与之相匹配的高压胶管的选择,效果不很理想。 原因:WHJ清洗机工作压力越高: 对匹配的高压胶管耐压要求就越高,增加成本; 高压胶管耐压值高,要缠绕的钢丝圈数就越多,高压胶管内径也就越细,高压水经过高压胶管后的阻力损失就越大,高压胶管出口处的压力就会减小。 压力:70MPa流量:70L/min水射流打击力:436N高压胶管内径:13mm高压胶管长度/m1020304050压力损失/MPa0.61.21

25、.82.43高压胶管出口压力/MPa69.468.8 68.2 67.667水射流打击力/N434432 431 430429高压胶管内径:10mm高压胶管长度/m1020304050压力损失/MPa9.612高压胶管出口压力/MPa67.665.2 62.8 60.458水射流打击力/N429421 413 405397高压胶管内径:8mm高压胶管长度/m1020304050压力损失/MPa5.911.8 17.7 23.6 29.5高压胶管出口压力/MPa64.158.2 52.3 46.4 40.5水射流打击力/N417398 377 355332表 在HWJ清洗机的压

26、力和流量、高压胶管内径一定时,高压胶管长度越长,水射流的沿程压力损失越大。流量流量L/min管径管径5mm管径管径6mm管径管径8mm管径管径10mm管径管径13mm402.250.710.18503.521.110.280.110.029605.071.600.400.160.044706.902.170.550.220.058809.012.840.710.280.0759011.403.590.900.350.096以以70MPa,70L/min参数清洗机参数为例参数清洗机参数为例多普勒激光测速法多普勒激光测速法:可以测量高速多相流动。:可以测量高速多相流动。高速摄影法高速摄影法:帧频最

27、快达:帧频最快达190000190000帧帧/s/s,最小曝光时间为,最小曝光时间为2 2 s s。PIVPIV测试法测试法: :在流场中散播示踪粒子在流场中散播示踪粒子, ,用脉冲激光片光源照射所用脉冲激光片光源照射所测流场区域测流场区域, , 连续多次爆光,记录粒子图像,从而分析流场特性。连续多次爆光,记录粒子图像,从而分析流场特性。2.5 2.5 水射流基础水射流基础测试技术测试技术多普勒激光测速法、高速摄影法和多普勒激光测速法、高速摄影法和PIVPIV测试法等。测试法等。美国水射流学术会议,美国水射流学术会议,1981-1981-逢单年,逢单年,20092009年第年第1515届届Wa

28、terJet Technology Association (WJTA) office : 906 Olive Street, Suite 1200, Saint Louis, MO, USA 63101-1448 Tel:314-241-1449, Email: 3.13.1水射流国际会议与学术交流水射流国际会议与学术交流2010 WJTA-IMCA ExpoWaterJet Technology Association (WJTA) Industrial & Municipal Cleaning Association (IMCA) Expo, August 17-19, 2010, at the George R. Brown (GRB) Convention Cent

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