旋轉噴嘴裝置與靜態直線噴嘴裝置清洗對比分析

摘要：旋轉噴嘴裝置與靜態直線噴嘴裝置是高壓水射流清洗作業過程中較為常用的兩種形式，在道路清掃、墻面清理等環衛作業領域廣泛應用。兩裝置雖然都屬于高壓水射流的范疇，但存在著較為明顯的區別。據此，通過行走速度、打擊力、作用時間等幾個方面對兩種作業形式進行對比，確定兩種作業模式分別適用的不同工況。

關鍵詞：旋轉噴嘴裝置；靜態直線噴嘴裝置；高壓水射流

中圖分類號：U463.9? 收稿日期：2023-11-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401008

1 前言

隨著社會經濟的不斷發展，人們對環境衛生的質量要求越來越高，只有加強市容環境衛生的治理，人們才能生活在更加美好的環境中。而在美好環境創造中，離不開洗掃車、高壓清洗車、路面養護車、手持洗地盤等環衛設施設備的參與。在這些設備作業過程中，無一例外都通過高壓噴淋設備對路面或者墻面進行沖洗，必要時還要疊加高速轉盤掃刷，達到清潔作用，部分設備還有垃圾的吸拾作用。

但若要將粘附在路面的垃圾徹底清除，高壓水射流清洗系統的尤為關鍵，其主要依賴扇形噴嘴對地面進行打擊，目前現有產品中，應用較多的是旋轉噴射和直線噴桿兩種，多數傳統洗掃車采用的是傳統的直線噴桿，而洗地盤則大多數采用旋轉噴嘴裝置模式，其底部結構如圖1所示。兩種形式在高壓水射流范疇中都屬于較為常用的應用，對地面都能產生較好的清洗效果，如圖2所示。

高壓旋轉噴射沖洗的方式，與傳統的直線噴桿的相比，結構復雜，制造成本高。如果直線噴桿在外部條件一致的情況下，也能實現相同的打擊效果，直線噴桿顯然更有競爭力。

2 旋轉噴嘴裝置分析

在高壓水射流學科中，旋轉噴嘴裝置屬于高壓水射流清洗中的旋擺射流，此種物料清洗方式很早就開始廣泛應用，最早應用在機場跑道清除殘膠等工況，且大多數采取的都是雙噴嘴對稱布置，噴嘴與地面豎直方向成一定夾角，這樣水簾對噴嘴的反作用力會在噴桿的切線方向存在分力，形成旋轉力矩，克服旋轉組件的摩擦阻力矩，提供噴桿及噴出水的轉動慣量的角加速度，當力矩平衡時，達到最大轉速。相較于增加旋轉馬達的形式，依賴水反作用力實現的主動旋轉結構更加簡單，且大多數的洗地盤采用的也是這種形式，主動式旋轉噴嘴裝置的可知，角速度如下［1］：

[ω=QvRsinα-M0QR2（1-exp（-QR2Jt））]? ? ? ? ? ?（1）

式中，Q為噴嘴水流量；v為噴嘴出口水流速度；[α]為偏轉角，即水射流軸心線與雙嘴所在平面夾角；R為噴嘴旋轉半徑；[M0]為摩擦阻力矩；J為轉動慣量。

當時間趨近于無窮大時，旋轉角速度達到穩定的最大值，公式如下［1］：

[ω=（QvRsinα-M0）/（QR2）=vsinα/R-M0/（QR2）]? ?（2）

噴嘴出口的孔徑很小，因此噴嘴出口的速度數值較大，而一般旋轉半徑在1 m以內，由上述公式可知，噴嘴與地面的角度對旋轉角速度影響較大（v/R計算結果數值較大），因此可以通過改變角度調整旋轉角速度。但由于旋轉體內部的密封材質，旋轉軸承的選型不同，因此摩擦阻力矩各不相同，旋轉角速度需要根據實際情況定量計算。

旋轉噴嘴裝置對地面沖洗為旋轉運動和車輛行駛的直線運動的疊加，當噴嘴旋轉一周，直線運動行程為兩倍噴嘴水簾寬度時，達到最大行進速度，路面最少打擊次數為2次，但速度再次提高時將會出現沖洗的遺漏區域，如圖3、圖4所示，其中水簾寬度為d，并分別以2倍和2.5倍行進速度來進行軌跡模擬。

在行進速度達到2.5 d時，出現了軌跡圖中黑色的區域，即為遺漏區域。因此2單圈兩倍水簾寬度的行走速度是作業的最大速度。

在行進速度上，直線噴桿沒有太多限制，理論上可達到很大數值。

3 打擊力

在連續射流中，噴嘴出口內外兩點根據伯努利方程，再根據連續方程、動量定理，作用力與反作用力的關系不難得出噴嘴對地面打擊力的計算公式如下：

[Ff=0.745qtP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

由上述公式可知，兩種噴嘴外部條件一致，即壓力和流量相等時，總的打擊力是一定的。

直線噴桿與旋轉噴桿如果采用相同孔徑的噴嘴，單個噴嘴打擊力一定，但覆蓋面積差別較大，同樣覆蓋620 mm寬度的深度保潔范圍，若以旋轉噴嘴裝置以2個噴嘴，單個噴嘴50 mm水簾寬度計算，直線噴桿噴嘴同樣2個，單個覆蓋寬度到達310 mm，旋轉噴嘴裝置單位長度打擊力是直線噴桿噴嘴的6倍之多。

在噴嘴行業中，打擊力的表示方式有多種，但最通用的表示方式是單位面積打擊力。單個噴嘴打擊的距離不同時，水簾的發散程度也是不同的；單個噴嘴距離相同時，不同角度噴嘴單位面積打擊力占總打擊力的比例不同。根據某噴嘴的樣本中的描述如表1、表2所示。

在同一高度不同角度總的沖擊力是一定的，由于發散程度不同單位面積的打擊力占總打擊力的比值如表1、表2所示，按上述條件計算，兩種噴嘴在單位面積打擊力上呈現12倍關系。

在《高壓水射流技術》中對高壓水射流的門限壓力做出如下定義：

水射流的壓力反映了水射流的速度，它是影響水射流切割能力的最重要的參數，大量的試驗表明，水射流沖擊物料時，存在著一個使物料產生破壞的最小噴射壓力。當水射流壓力小于這個壓力時，物料只能產生塑性變形而幾乎不被破壞。當噴射壓力超過這個壓力時，物料將產生躍進式破壞。我們把這個使物料產生明顯破壞的水射流壓力稱做門限壓力。物料的門限壓力與物料的特性有關。但在目前的高壓水射流學科中，高壓水射流清洗的門限壓力與粘附在物料表面垃圾的粘性有關，因此很難給出明確的數值，只能依賴于使用者的根據不同路況試驗確定［2］。

4 作用時間

孔徑的噴嘴相同，且噴射距離相同時，水簾厚度是基本相同的，這一點從表1、表2可以看出。

噴嘴對地面某點（線）的打擊時間等于水簾厚度/行走速度，以旋轉噴嘴裝置能實現的最大行走速度計算，相同的行走速度下靜態直線噴嘴裝置總的打擊時間是旋轉噴嘴裝置的16倍之多。

5 結語

a.旋轉噴嘴裝置可以有更高的打擊力，單位面積打擊力是同等外部條件下靜態直線噴嘴裝置的十幾倍。

b.相同外界條件下，靜態直線噴嘴裝置的打擊時間是旋轉噴嘴裝置的十幾倍。

c.想要有理想的清洗效果，打擊力必須達到破壞附著物的門限壓力。

目前對于高壓水射流清洗的速度沒有文獻給出明確的規定，需要試驗驗證，但其趨勢可以參考圖5所示的高壓水射流打擊深度和橫移速度之間的關系［2］，隨著橫移速度的增加，打擊深度趨于恒定，而我們使用橫移速度相對于高壓水射流打擊橫移速度都大得多，處于恒定狀態。從目前的收集到的資料看，對于打擊效果來說，相對于打擊時間，打擊力影響更大，因此使用旋轉噴嘴裝置更適合深層次清洗使用。

但水射流切割和清洗存在區別，直線噴桿噴嘴打擊的方式在行進速度和打擊均勻性上的優勢客觀存在，且其結構簡單，維護方便，更適合一般清洗工況。

綜上所述，靜態直線噴嘴裝置從經濟性、效率等方面來說更適合城市道路常規日常保養車型使用，例如洗掃車、高壓清洗車等。旋轉噴嘴裝置作為深度保潔車的清洗裝置，更適合機場、粘度較大污染物多、災后重污染等特殊道路使用，符合特種用途車輛的特性。

參考文獻：

[1]李雷霞，滕紹民，寧恩成，等高壓水射流旋轉噴頭的參數分析及其應用[J]清洗世界，2009，5（5）：21

[2]崔謨慎，孫家駿高壓水射流技術[M]北京：煤炭工業出版社，1993.

作者簡介：

宋月輝，男，1981年生，工程師，研究方向為煤礦機械及環衛車輛產品的設計研發及管理。