手持式壓力噴射除污機的設計*

□ 李智慧 □ 陳逸凌 □ 劉雅豪 □ 葉詩嫻 □ 魏雅靜

江南大學 機械工程學院 江蘇無錫 214122

1 設計背景

近年來,國外發達國家的高壓水射流設備已經基本做到了產業化和模塊化,特別是在美、日、德等國,各種高壓水射流設備及其配套零部件生產、維護已經極具規模,在諸多領域已經開始部分甚至全部代替其它清洗設備,并向更多不同領域拓展。雖然我國的高壓水射流技術起步較晚,但是隨著制造業突飛猛進的發展,我國高壓水射流設備生產技術也取得了長足進步。高壓水射流相關專業領域的研究機構及企業通過技術引進消化和自主研發,生產出基本可代替進口的高壓水射流設備。

曹國強等[1]分析了高壓水射流技術的研究現狀及應用前景,認為隨著高壓水射流技術的不斷發展,高壓水射流設備漸漸向高壓力、智能化、系列化、專業化、模塊化發展,可以對各種不同材質、不同形狀、不同特點的目標進行清洗。

程甘霖[2]建立了不同結構噴嘴的內外部流場模型,導入Gambit軟件對模型進行網格劃分,應用Fluent軟件進行數值模擬,分析噴嘴結構對水射流形狀的影響,進一步確認能實現不同清洗功能的最佳噴嘴結構。在此基礎上,利用實驗室現有設備,搭建試驗平臺,進行實際試驗,驗證數值模擬中選型的各噴嘴在實際清洗過程中的效果。

楊剛[3]從磨料水射流除銹技術出發,應用ANSYS/KS-DYNA有限元軟件建立多粒子侵蝕靶板模型,對多粒子連續沖擊靶板過程進行仿真模擬,分析研究靶板材料去除機理,為磨料水射流除銹工藝提供一定的理論基礎。通過對各種不同算例進行仿真模擬,得到不同沖擊速度、沖擊角度下粒子對目標靶板的侵蝕情況。對結果進行分析比較,研究粒子沖擊參數對沖蝕過程的影響。

顧正紅等[4]設計了一種機械結構,能夠提高氣體被噴出時的壓力,加強噴吹效果,使水流在負壓腔內被霧化而高速噴出。

在消費者對洗滌劑的選擇方面,根據中國洗滌用品工業協會的調研,消費者在購買洗滌劑時除考慮清潔功能外,最大的要求是使用中不刺激皮膚。家庭用抽油煙機內部易沾染污漬,簡單清洗不能夠清除污漬,必須使用專業的強力清洗劑進行清洗,或使用較為昂貴的蒸汽清洗。

利用磨料水射流設備,清洗除銹效率高,效果好,但噴頭噴出的高壓氣體和石榴砂、石英砂介質在沖擊清洗物件表面后飄散在空氣中,會污染工作環境。沖射后形成的粉塵也會影響使用者的健康。

2 常用除銹方法優缺點

幾種常用除銹方法的優缺點見表 1。

表1 常用除銹方法優缺點

基于以上分析,筆者設計了一種手持式壓力噴射除污機。工作原理為采用高壓水射流,噴射介質中摻入小蘇打作為固體磨料,使固液兩相介質射流通過噴嘴直接擊打清洗表面,操作人員不需要接觸射流液體,除污效果好,清洗效率高。

3 設計原理

手持式壓力噴射除污機采用高壓水射流,噴射介質所使用的磨料具有良好的沖刷磨削能力,能高效、高質地完成設備表面的除垢、除銹,以及氧化層、漆層等的清洗工作。手持式壓力噴射除污機改變了傳統水路與噴射介質固體兩路匯合的設計,采用水路包圍磨料,起到即時溶解磨料的作用。

傳統清洗法清洗后產生的廢水不易處理,廢水乳化會造成水質惡化。堿性洗液如果處理不當,外排后還會造成土壤鹽堿化。手持式壓力噴射除污機以物理清洗方法為主,不需要添加化學溶劑,不會產生廢氣及化學污染。高壓磨料水射流清洗后的廢水無乳化現象,后期清理方便簡單。

筆者對工業中的磨料水射流技術進行改進,將磨料調整為以小蘇打為主料。小蘇打造價便宜,是一種白色細小晶體,常應用于日常清潔場景,可進行機械設備除銹、廚房鍋具清洗,既具備磨料的沖擊力特性,又可溶于水,對環境幾乎沒有污染,并且使用過程中不會有粉塵產生[5-10]。

手持式壓力噴射除污機結構如圖1所示。

(1) 磨料控制部分。氣泵開啟后,壓縮空氣向磨料箱與固料導管吹氣,用于平衡磨料箱與固料導管的壓強。磨料箱中的磨料下落,被氣流經固料導管從噴嘴噴出。磨料依靠氣泵給予的強大氣流,以較大的加速度噴射至清洗物體表面,達到除污目的。

(2) 水路控制部分。微型電機得電后,帶動活塞實現往復運動,在腔內形成負壓。在負壓作用下,水流沿水路吸水口從水箱中進入水路導管,與固料導管中的小蘇打磨料混合,最終裹挾磨料從噴嘴噴出。在完成除污工作后,磨料及時溶解,避免粉塵污染,方便后期清理與打掃。

▲圖1 手持式壓力噴射除污機結構

4 結束語

筆者設計的手持式壓力噴射除污機采用高壓水射流技術,改變了傳統高壓水射流裝置水路與固體磨料兩相回路的結構,采用水路包圍磨料的形式,小蘇打磨料介質具有擊打去污的特性。除污完成后,小蘇打介質被水流溶解,不會對環境產生污染。這一手持式壓力噴射除污機尤其適用于家庭清洗除污。