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          國際高壓水射流技術現狀
          作者:admin 發布日期:2021-09-27
          從高壓到超高壓,從低功率到高功率,從單機到成套,從機電控制到智能——,它已經成為國際高壓清洗機水平的標志。此外,這一標志的突出特點在于多個學科緊密結合,為一個工程目標服務。通過對近兩年美國國際水射流技術會議和展覽的產品進行分析,揭示當前國際水射流技術產品的水平特征,以促進國內同行拓寬技術視野,開發新技術產品。本文共分為三個部分:1 .超高壓大功率泵機組;2.成套技術的工程應用;3.旋轉噴射技術——密封和減速。前言兩年一度的美國水射流技術大會和一年一度的國際泵和清洗設備制造商展覽會展示了以美國為代表的新型國際水射流技術和設備。每年固定展商一定會推出全新特色的產品。本文總結了這些產品的技術成果,分析了這些產品的國際標準標志。1.超高壓大功率泵機組的主泵是實現高能水射流的源頭。顯然,不同參數的泵機組可以產生不同能量的水射流,可以實現不同功能的工程應用。我們知道,對于高壓泵來說,可以看出,為了將水射流用于困難的工程應用,需要增加機組的功率,即增加壓力P,保證水射流作業的能力;提高流量,保證水射流作業效率。但是,隨著機組功率的增加,泵的成本會大大增加,對泵運行可靠性的要求也會提高。此外,除泵機組外的外圍設備必須專門設計和制造,因為水射流的沖擊力大大提高,有利于操作,但增加的水射流反沖力不能手動操作,必須提供專門的執行機構。我國水泵機組功率大多在110千瓦以下,而發達國家大多在160千瓦以上,尤其是200 ~ 300千瓦的水泵機組是大宗商品。原因是工程作業(清洗、除銹、粉碎等。)需要高效解決難題。同時,由于泵的結構,大功率機組制約了泵的壓力,兩者的提高意味著技術含金量的提高。表1列出了國外常用的大功率泵機組參數,顯示了我國泵行業的差距。大功率超高壓泵機組多采用柴油機驅動,撬裝或拖車安裝,方便機組運行。該類機組具有以下技術特點:機組智能控制水平高:驅動機、高壓泵、水箱、真空系統、氣源、增壓泵等所有運行參數均顯示在儀表箱上,利用觸摸屏動態控制機組運行。實現啟動、助力、卸載、停車、緊急制動等一系列自動控制;大功率超高壓泵機組運行可靠性要求對泵進口介質進行精細過濾和壓力抽吸;泵的高壓往復密封基本采用套筒間隙與填料的組合密封。超高壓要求柱塞的長徑比大于普通泵型。如果只使用間隙密封,這個比例會更大;高硬度、高強度材料廣泛應用于液壓端,如柱塞用碳化鎢噴涂,缸體用高強度不銹鋼。為了加工、裝配和拆卸的方便,分體泵的缸蓋已經成為一種趨勢;進出口閥組多為一體式,即吸入閥芯與排出閥芯剛性連接,強制啟閉閥芯的閥線結合面盡可能寬,模糊了線密封與面密封的界限;安全閥多為爆破隔膜式,不僅安全可靠,而且隔膜成為標準件;壓力調節閥是先導式的,但是它的結構往往很簡單,保證了它能夠工作 但使用無級調壓改變工況時,很明顯在額定壓力下流量總是比較小,導致功率損耗的問題。等功率變工況是通過齒輪系在一臺機組上給定不同的泵速,實現固定齒輪轉速從超高壓小流量到高壓大流量的變化。因此,在每個齒輪速度下,壓力和流量的乘積總是相等的。這種變速泵非常適合大型行業不同類型、不同難度的在線清洗工程和實驗研究。根據變速的頻率,變速器可以手動或氣動操作。成套技術的工程應用以超高壓大功率泵機組為基礎,根據不同的工程應用目標開發成套技術,大大提高了泵的應用領域和附加值。2.1管束管側的清洗泵與控制閥和噴嘴(旋轉噴嘴和噴桿)連接,可以清洗管道和管束。工況參數越大,清洗難度越大,效率越高。而清洗管束管側擺脫人工噴桿操作的最新技術是利用氣壓力驅動噴嘴進料回收,從而實現自動化操作。圖1顯示了StoneAge公司的多噴嘴(2-4個噴嘴)進料清洗器。其原理是氣動馬達帶動一對齒輪強制旋轉,給超高壓硬管送料。轉換開關非常便于手動手持在線操作,以回收設備,并專門用于清洗拆除的熱交換器。I)選擇足夠長的導軌和延伸管,以匹配噴嘴的進料長度;)氣動旋轉齒輪箱保證噴桿的進給和旋轉動作;)支架保證噴嘴的軸向進給和橫向進給定位;)氣動控制箱控制整個操作過程;)當多個噴嘴同時使用時,應與泵的工礦參數相匹配。顯然,這個裝置的關鍵在于氣動和機械機構。2.2超高壓爬壁除銹成套設備圖2為超高壓爬壁繡花成套設備,其目標為:超高壓水射流除銹、爬壁機器人作業、真空系統吸附除渣、水除銹無返銹,質量達到“白金”(Sa2.5)。組成:250兆帕、250馬力、超高壓泵機組、爬壁機器人及其控制、真空泵機組。爬壁機器人作為執行機構,由兩個電機驅動行走。當它同步時,它直線前進,當它異步時,它轉彎。超高壓水通過超高壓旋轉密封在四個噴桿噴嘴上,形成旋轉射流進行除銹。真空泵單元使機器人能夠通過機器人真空室在墻壁上工作,同時從真空室中抽出廢水和廢鐵,以確保在相當長的時間內操作干燥且無鐵銹返回。2.3脈沖射流應用實例脈沖射流通過將常規的連續射流改為具有打擊力的間歇射流,大大提高了作業效率,實現了超高壓工況配合高壓工況的作業目標,極大地降低了機組功率,這一試驗室孜孜追求的目標近年已經商品化應用。 加拿大VLN公司的技術方案是:由超聲發生器(220V、15A、1500W)為核心的成套技術實現強制脈沖射流。首先配電器接通220V電源,由其分配適量電壓和電流至控制系統和超聲發生器(USG),USG將220V電源轉變成超聲電壓信號(最高3500V、0.43A),由電纜穿過空冷金屬軟管連接到轉換器,這一方案保證了系統得到電擊信號與高壓水射流、氣流的疊加就形成了超高壓脈沖射流,再將其經過旋轉接頭轉變成旋轉射流。如果高壓軟管沒有水流,控制系統自動關閉USG;類似,如果氣流被切斷,壓力降信號立即關閉USG。人控扳機開關(電壓為24V)。2.4 水力破碎成套設備高壓水射流技術破碎混凝土,這一技術優點是不產生應力擴散,可以逐層破壞任意深度,常用于路橋破壞、隧道維修和大壩維護。 圖3為水力破碎機,其成套設備由高壓泵站、水車和破碎機三部分組成。技術參數:壓力100MPa,機組功率400~600HP,作業寬度1.5m。 與泵機組匹配的破碎機自動行走、控制,其原理是使用多束旋轉水射流沿導軌橫向往復運動,猶如行織,逐行破碎作業。水力破碎機與液壓機器人結合可實現水平面、垂直面、地面及頂面的作業。3 旋轉射流技術——密封與減速 眾所周知,高壓水射流依靠其打擊力作業,而打擊力的法向因素使射流的效率得不到充分利用。如何在基本保持法向打擊力的同時,增加一種切向剝層力,這兩種力的合成將極大地提高作業效率,甚至有些清洗場合如管道內壁剝層又基本依賴于切向剝層力(見圖4)。 幾乎所有的水射流機組上都應用旋轉射流,這也是我國與發達國家明顯的差距。尤其是美國StoneAge公司是旋轉射流工具的專業制造商,其產品裝備著美國各大水射流制造商,StoneAge公司已成為旋轉射流的代名詞。 旋轉射流的形式繁多,但只有兩種類型:一是噴頭與旋轉體自成一體,軸向尺寸小,適應于尤是有彎頭的管道清洗;二是噴頭與旋轉體分為兩體,噴頭依作業要求可以隨意設計,旋轉體也因不同匹配設計成系列產品,這樣就產生了許多新品種的組合。這就把研究旋轉射流的技術關鍵歸結到了研究旋轉接頭。3.1 旋轉射流有以下幾種基本形式[2、3]?。┕艿狼逑从眯D噴頭(A) 這是一種可控旋轉的2-D噴頭,用于4"~12"管道清洗,噴頭采用粘性流體控制轉速。5束射流的軸向拉力達到100Lbs,2束135°,2束100°和1束15°圓柱射流,噴頭轉速分為快速模式(75~220rpm)和慢速模式(20~80rpm),減速效果取決于液體粘度。 圖5噴頭與旋轉體為一體的管道旋轉噴頭ⅱ)管道清洗用旋轉噴頭(B)自旋轉2-D旋轉噴頭,將噴頭與旋轉體分為兩體,最大工作壓力為100~280MPa,適用于6"~12"管道清洗;同樣采用粘性流體減速,射流量偶數平衡形成水力扭矩,這類噴頭的最大參數為280MPa,75 L/min;其快速模式為90~250rpm;慢速模式為20~60rpm,這類噴頭的最大流量為760L/ min(70MPa)。圖6噴頭與旋轉體分為兩體的管道清洗噴頭ⅲ)下水道清洗用旋轉噴頭(C) 下水道的特點是垢層易剝離,但尺寸很大,對于此類大直徑(6"~36")管道,多采用高壓(20~55MPa)、大流量(100~450 minL),泵速控制在150~300rpm,該類噴頭全部為自式,即射流方向為偶束后噴,僅一束射流前噴(15°)為了清堵。噴頭自重為2~5Kg,而射流拉力5~10倍甚至更高。圖7下水道清洗用旋轉噴頭ⅳ)強制旋轉噴槍 強制旋轉噴槍是外表面處理常用工具,采用氣動馬達驅動旋轉接頭轉動帶動噴桿、噴頭形成旋轉射流,這種噴槍還可作成手提式專用于管束清洗,由于氣動壓力可調,這種強制型旋轉射流其轉速可控制在400~600rpm,工作壓力100~140MPa,流量75~190 minL。ⅴ)大直徑旋轉噴頭 為了清洗罐槽和表面預處理,往往以旋轉接頭為基礎制造出大直徑旋轉噴頭,這類旋轉噴頭可以液壓(氣動)控制,也可以自旋轉,有了系列的旋轉接頭,將會產生各種旋轉射流應用。近年熱門的平面清洗器(最大直徑1m,并列兩個用作機場跑道除膠車)就是采用這種旋轉噴頭。ⅵ)自旋轉噴槍 同小直徑旋轉噴頭一樣,自旋轉噴頭即由多束斜向射流形成水力扭矩;因旋轉噴頭的作用而形成槍用旋轉射流,與強制旋轉噴槍相比,它輕便、無需旋轉動力,而且壓力與流量范圍廣,轉速多在250rpm。ⅶ)三維旋轉噴頭 三維旋轉噴頭具有射流軌跡依次覆蓋全部內表面的特點,是清洗釜罐、槽艙的專用工具(見圖11)。傘齒輪實現了同時繞兩軸的三維旋轉,主旋轉體依然是兩維旋轉接頭,這里要強調的是:當運行工況——壓力/流量被改變,噴桿角度的調節可與之適應,射流產生的扭矩適應旋轉接頭的運行范圍是很重要的。通過噴桿角度的調節,使噴頭轉速控制在20~30rpm。StoneAge公司的三維旋轉噴頭憑此專利,其轉速不超過60rpm——這就是技術水平的標志。3.2 旋轉噴(接)頭的密封 旋轉密封是旋轉射流的關鍵,即要實現高壓下低速旋轉,又要無卡阻是對旋轉密封的基本要求。傳統的旋轉密封基本采用軸向套筒間隙密封,隨著壓力的升高,對要求“難以測量”的間隙已很難加工的合適,而且旋轉密封也沒有往復密封那樣的復合壓力彈性變形條件。因此,一味地加長軸向套筒尺寸很難保證超高壓旋轉密封。不是阻力太大難以轉動,就是轉起飛快射流霧化,而且密封段尺寸還過長。 圖12所示為典型的旋轉接頭結構,由圖可見,旋轉接頭的主體沒有了密封段,而將密封件集中在端面,改為尺寸很小的兩只套筒的“端面密封”。由軸向間隙密封改為尺寸很小的端面密封,這是一個極為大膽的設計,更重要的是這一成功,使超高壓密封件成為系列旋轉接頭的通用件、標準件,適用于各種直徑的旋轉體,同時又作為易損件容易拆換。3.3 旋轉噴(接)頭的減速 旋轉密封改為端面密封的另一個意外優點就在于有更大的空間用于噴(接)頭的減速。 減速一直是旋轉噴頭的一大難題,強制旋轉噴頭因動力的調節可以改變噴頭轉速;但大多旋轉噴頭為自轉結構,因為自轉最簡便,又最能利用水射流反沖力。圖12所示StoneAge公司旋轉接頭的減速方式常用加注粘性流體,亦即利用噴頭體內空間,將轉動體做成異形,與注滿的粘性流體相互摩擦產生減速阻尼,這種方式一是要選用不同粘性的流體用于不同結構的旋轉體;二是結構設計上要造成流體的阻尼作用,由于端面密封阻尼很小,如果沒有減速機構,水力扭矩一旦超過門限值,旋轉噴頭轉動后將越來越快旋轉,乃至產生嘯聲。這樣,端面密封很容易損壞,因此,粘性流體減速就成為最為方便有效的方法。試驗表明:StoneAge公司旋轉噴頭最低轉速可控制在10rpm甚至更小。對于軸向尺寸較長的旋轉體,利用彈簧的初始力(尤如鐘表的發條)形成減速阻尼也是一種有效方法。 對旋轉噴頭的密封與減速的定量分析研究尚有待深入,將作專題研究。4 結論 本文研究泵機組、成套技術和旋轉噴頭的國際先進技術,可以看到:大功率、超高壓、智能化、成套化和旋轉射流都是當今水射流技術的發展趨勢,也是我國同行技術發展的方向。 博馳噴霧設備有限公司與您攜手共進,共創輝煌!
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