高壓水射流技術(shù)的發(fā)展與應(yīng)用

林志立 盧錢(qián)杰 易新華 程曉民

（寧波工程學(xué)院機(jī)械工程學(xué)院）

高壓水射流技術(shù)是利用增壓設(shè)備，將液體壓縮后經(jīng)噴嘴高速?lài)姵觯纬筛吣芰康奈⒓?xì)射流的清洗技術(shù)。本文介紹了各種高壓水射流及其在切割、清洗除銹等領(lǐng)域的應(yīng)用情況，展望了高壓水射流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)，對(duì)探索高壓水射流技術(shù)的機(jī)理與應(yīng)用研究具有重要的借鑒意義。

1 高壓水射流的分類(lèi)與工作原理

按水射流的技術(shù)特征可以分成：

1）純水射流

純水射流以純水為能量介質(zhì)，不加入磨粒等物質(zhì)，借助高速射流的沖擊能量進(jìn)行清洗、切割等，主要用于金屬板材、巖石、食品、橡膠、木頭、皮革、碳纖維復(fù)合材料等物質(zhì)的加工。

2）磨料射流

將固體磨粒加入純水射流中，可以有效改善水射流的切割、破碎效果。固體磨粒將純水射流的水介質(zhì)的滯止動(dòng)態(tài)沖擊轉(zhuǎn)變成磨粒的動(dòng)態(tài)沖擊，提高了高壓沖擊介質(zhì)的磨削能力和沖擊能力，相比純水射流，磨料射流的切割效果獲得極大的改善。

3）空化射流

空化射流利用“汽蝕”原理，水射流從噴嘴噴射出時(shí)含有空氣的空泡，調(diào)整好噴嘴與加工表面的距離，使空泡在這個(gè)距離中持續(xù)存在，空泡浮著加工材料的表面，在射流沖擊壓力作業(yè)下破滅，汽蝕加工材料的表面，從而實(shí)現(xiàn)清洗、破碎加工材料表面的作用。空化射流的清洗效果優(yōu)于普通的純水射流，用于航空航天器、核反應(yīng)堆等清洗。

4）脈沖射流

脈沖射流是一種非連續(xù)射流，利用專(zhuān)用設(shè)備，將動(dòng)力源的能量傳遞給水，獲得能量的水經(jīng)過(guò)噴嘴射出，形似炮彈一樣的小水團(tuán)，打擊在靶體上，切割、破碎目標(biāo)材料。實(shí)際上，脈沖射流利用水錘原理，提高射流的打擊能力，促使材料的裂紋快速擴(kuò)散，其沖擊力遠(yuǎn)大于連續(xù)純水射流的遲滯力，從而提高了脈沖射流的加工能力。

高壓水射流切割

高壓水射流切割產(chǎn)品

高壓水射流清洗

水射流激光復(fù)合加工

2 高壓水射流的發(fā)展與應(yīng)用

1）水射流清洗

水射流清洗可以用于人工或化學(xué)難易去除的油污、水垢、銹層、涂層、混凝土等清洗，相比傳統(tǒng)的人工、機(jī)械或化學(xué)清洗，具備清潔效率較高、污染較少、經(jīng)濟(jì)性較好、不易損傷本體、便于自動(dòng)控制等優(yōu)勢(shì)，不僅可用于清洗結(jié)構(gòu)形狀復(fù)雜的部件，而且可以在空間環(huán)境復(fù)雜、惡劣的地方開(kāi)展清洗作業(yè)。

臺(tái)州學(xué)院的高圓圓等人利用水射流清潔刀具表層附著物，找到壓力60MPa、射流噴口直徑1.4mm、作業(yè)時(shí)間60s的工作條件下，清潔表層附著物的效果較好，認(rèn)為水射流技術(shù)可用于刀具表層附著物的清洗。中石油的孫德鋒等人將高壓水射流用于在地源水井的腐蝕物質(zhì)層的清洗作業(yè)，實(shí)現(xiàn)水井的清洗修復(fù)，取得良好的清潔效果。兗礦集團(tuán)的陸亞鵬等人將高壓水射流用于煤礦機(jī)械金屬件防銹處理設(shè)備，經(jīng)該設(shè)備處理后的金屬件，加上防腐處理，防銹能力增加了3倍，延長(zhǎng)了金屬件的使用壽命。如今，高壓水射流清洗設(shè)備在城市清潔美化方面獲得了廣泛應(yīng)用，可以用于城市水泥路面表層污漬的清洗作業(yè)，清潔美化城市道路。

2）水射流切割

水射流切割不會(huì)破壞零部件的機(jī)械力學(xué)性能與材料的晶間組織，屬于冷切削加工，特別適合于碳纖維復(fù)合材料、金剛石等不適合機(jī)械加工的材料。

后勤工程學(xué)院的陳曉晨等人考慮到油庫(kù)的應(yīng)急搶修作業(yè)效率與安全性，開(kāi)發(fā)了磨料水射流切割設(shè)備，通過(guò)X60管道的切割實(shí)驗(yàn)，表明該設(shè)備可以有效開(kāi)展管道設(shè)備的搶修作業(yè)。合肥通用機(jī)械研究院的王永強(qiáng)等人認(rèn)為高壓水射流技術(shù)與數(shù)控技術(shù)相結(jié)合，開(kāi)發(fā)高端水射流裝備，可以用于航空器中復(fù)合材料的精密切割。解放軍理工大學(xué)的孫義柯等人開(kāi)發(fā)了在反恐中使用的前混合磨料高壓水射流設(shè)備，可以實(shí)現(xiàn)防盜門(mén)、混凝土等結(jié)構(gòu)的切割。天津理工大學(xué)的曹雷霆設(shè)計(jì)一種醫(yī)用水刀的機(jī)械結(jié)構(gòu)，該醫(yī)用水刀在組織選擇上高度靈活、手術(shù)中出血量少等優(yōu)勢(shì)，適用于創(chuàng)面的切割清洗。此外，高壓水射流在采礦業(yè)、隧道巖石等都有廣泛的應(yīng)用。

3）水射流破巖粉碎

磨粒加入水射流中，磨粒通過(guò)水射流載體對(duì)磨粒加速，噴射到靶體表面，高能量的磨粒粉碎靶體，適用于破巖、鉆井等。

石油大學(xué)的倪紅堅(jiān)等人借助非線性動(dòng)力學(xué)與巖石損傷模型研究了水射流打孔過(guò)程，結(jié)果證實(shí)高壓水射流具有較強(qiáng)的破巖能力，破巖效果優(yōu)于聚能打孔。中國(guó)礦業(yè)大學(xué)的宮偉力等人比較水射流粉碎與傳統(tǒng)球磨機(jī)粉碎工藝，結(jié)論證實(shí)高壓水射流粉碎技術(shù)能耗是傳統(tǒng)工藝的1/6，煤粉顆粒無(wú)粘結(jié)、表面質(zhì)量好，易于分選。

高壓水射流破巖效果

4）其他應(yīng)用

高壓水射流利用其帶有高能量的連續(xù)高速射流，噴射到金屬表面，促使表面產(chǎn)生塑性變形，提高金屬表面的疲勞強(qiáng)度，起到噴丸強(qiáng)化作用。考慮到處理彈藥的清潔、分離解體的作業(yè)效率與安全性，經(jīng)常采用水射流清洗彈藥表面的油污、切割廢舊彈藥等。

3 高壓水射流技術(shù)的發(fā)展趨勢(shì)

高壓水射流技術(shù)是一項(xiàng)清潔、高效的加工技術(shù)，在機(jī)械、航空航天、建筑、采礦、石油等眾多領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用前景。綜合國(guó)內(nèi)外高壓水射流技術(shù)的相關(guān)文獻(xiàn)，相比西方發(fā)達(dá)國(guó)家，我國(guó)仍然有著不小的差距，其發(fā)展趨勢(shì)為：

1）高壓水射流裝備的關(guān)鍵零部件的開(kāi)發(fā)與應(yīng)用。高壓泵與電機(jī)的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)與開(kāi)發(fā)以及小型化，將大大提高關(guān)鍵零部件的技術(shù)水平與應(yīng)用前景，促進(jìn)高壓水射流裝備的更新?lián)Q代。

2）研究空化射流中空泡的產(chǎn)生、發(fā)展與潰滅過(guò)程。空泡產(chǎn)生的高壓是純水射流的8～124倍，如果能較好地用于鉆井、破巖、油層處理等，將提高生產(chǎn)效率。

3）研究超高壓射流和微射流技術(shù)，為未來(lái)新材料的加工、鉆井工程等儲(chǔ)備技術(shù)。

4）研究高壓水射流裝備的智能化、自動(dòng)化，實(shí)現(xiàn)水射流裝備與數(shù)控技術(shù)、視覺(jué)技術(shù)等相結(jié)合。

伴隨著傳統(tǒng)制造業(yè)的轉(zhuǎn)型升級(jí)，人民對(duì)美好生活的需求，高壓水射流技術(shù)由于其綠色環(huán)保、高效的特點(diǎn)，能產(chǎn)生顯著的社會(huì)與經(jīng)濟(jì)效益，具有廣闊的應(yīng)用前景。