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一、水刀噴頭系統

水刀噴頭是由噴嘴、噴頭體、密封件及旋轉機構等組成的集成部件，其功能遠不止于形成射流。噴頭可實現旋轉、進給、多束射流等復雜動作，是水射流設備中技術密集度最高的部件之一。噴頭的發展水平直接反映了水射流設備的成套性與應用成熟度。

1.1 固定噴頭

固定噴頭指噴頭與其連接體（硬管、軟管或機構）之間無相對運動。根據噴嘴數量，可分為單孔噴頭與多孔噴頭。

單孔噴頭

單孔噴頭結構簡單，主要由噴嘴（或噴嘴總成）與噴頭體組成。其設計目標在于縮小噴嘴尺寸，選用高硬度、高強度耐磨材料（如紅寶石、藍寶石），以提高壽命并便于加工。噴嘴常設計為凸緣結構，便于壓緊連接，密封多采用紫銅墊圈，依靠其塑性變形實現密封，但拆卸后往往不可重復使用。

噴頭體形狀多樣，部分設計為三爪刃形延伸段，兼具切削、疏通與保護噴嘴的功能，同時確保垢層與噴嘴之間保持固定靶距。單孔噴頭普遍應用于超高壓工況，但由于噴嘴尺寸受材料與加工工藝限制，其與噴頭體之間的超高壓靜密封成為技術難點。

多孔噴頭

多孔噴頭適用于大直徑管道清洗，其結構將噴嘴與噴頭體分離，便于拆換。連接方式多采用外六角或內六角螺母式。噴嘴安裝方向可調，包括軸向、徑向、斜向前后等。斜向向后噴射的反向射流可推動噴頭自進，為軟管提供前進動力。

多孔噴頭多用于數十兆帕壓力范圍，超高壓多孔噴頭則可在250MPa下工作，其噴嘴布置在軸向與徑向剖面，形成旋轉射流，打擊范圍更廣。關鍵在于人造寶石噴嘴的密封與定位，通常采用尼龍密封圈與絲堵壓入結構，確保在高壓下螺紋強度與密封可靠性。

1.2 旋轉噴頭

旋轉噴頭分為強制旋轉與自旋轉兩類。

強制旋轉噴頭

其動力來源于外部氣動、液動或電動系統。例如氣控旋轉噴頭，通過氣動馬達驅動噴桿旋轉，形成旋轉射流。其優點在于轉速可控，缺點是需要額外氣路，操作復雜。電動旋轉噴頭則通過電動機驅動，適用于垂直管道、瓶腔等清洗場景。

自旋轉噴頭

自旋轉噴頭依靠偏置噴嘴產生的反沖扭矩實現旋轉，結構簡單、操作方便。其旋轉穩定性與密封結構、限速機構密切相關。目前自旋轉噴頭已形成70MPa、140MPa、280MPa三個壓力等級，廣泛應用于清洗、除銹、破碎等場景。

二、水射流噴嘴型式

噴嘴是水射流系統中形成射流的關鍵部件，其型式多樣，按形狀可分為圓柱形、扇形、異形等；按孔數可分為單孔、多孔；按壓力可分為低壓、高壓與超高壓噴嘴。

2.1 低壓噴嘴

低壓噴嘴工作壓力一般在1MPa至幾MPa之間，射流介質不限于清水，需考慮液體溫度、黏度、密度等因素。

空氣輔助霧化噴嘴

通過壓縮空氣與液體混合噴出，形成霧化射流，適用于除塵、噴涂、氣體冷卻等場景。噴霧形狀包括扁平扇形、大角錐形等。

扇形噴嘴

產生平坦均勻的扁平射流，覆蓋范圍廣，適用于清洗、噴涂、冷卻等。結構上分為軸向扇形與導向板式扇形兩種。

空心錐形噴嘴

射流截面呈環形，具有良好的霧化特性，適用于氣體冷卻、除塵等。分為軸向進入與切向進入兩種結構。

實心錐形噴嘴

射流在圓形或矩形截面上分布均勻，適用于涂裝、冷卻等。結構上也可分為軸向與切向進入。

異形低壓噴嘴

如螺旋錐形噴嘴、多噴嘴噴頭等，結構多樣，適用于特殊清洗場景。

三、水射流旋轉密封技術

旋轉密封是旋轉噴頭與旋轉接頭的核心技術，其設計需平衡高壓密封與旋轉阻力之間的矛盾。

3.1 旋轉密封設計原則

·       旋轉力矩需克服摩擦阻力；

·       密封需保證額定排出壓力；

·       密封不因壓力與轉速升高而抱軸。

3.2 密封結構類型

套筒間隙節流密封

采用高彈性材料（如QBe2.4）制造套筒，內壁設溝槽蓄水，形成水膜潤滑，既密封又冷卻。

填料密封

適用于低速、強制旋轉場景。填料材料多樣，包括金屬填料（鋁、銅、鉛等）與非金屬填料（橡膠、石墨、PTFE等）。高壓下需配合支撐環與彈簧使用。

往復密封

用于高壓水發生設備，包括填料密封、間隙密封與組合密封。其壽命與壓力、流量下降程度相關，是設備可靠性的重要指標。

四、水射流超高壓閥

超高壓閥在超高壓泵系統中兼具控制與溢流功能，結構上注重閥芯設計與密封可靠性。

4.1 閥芯類型

·       錐桿閥芯：采用銳角錐桿、鋼球或可調錐閥芯，確保密封可靠性；

·       端部帶鉆孔閥芯：利用介質壓力使錐端膨脹，增強密封效果；

·       液壓/氣動驅動閥：通過外部動力強制啟閉，適用于高壓工況。

4.2 單向閥

用于保證高壓管路中單向流動，結構包括錐閥與球閥兩種。在突發脈動時，可自動關閉以保護壓力儀表。

4.3 手動截止閥

通過閥隙節流控制壓力，閥芯與閥桿采用球面點接觸，確保自動對中。

五、水射流調壓閥與控制閥

5.1 間隙節流調壓閥

傳統錐形閥在高壓下易磨損，壽命短。間隙節流調壓閥采用一段可調長度的間隙配合副，通過調節配合長度改變溢流量，系統壓力得以控制。其優點包括：

·       流速低，磨損小；

·       磨損后可繼續使用未磨損段，壽命延長；

·       結構簡單，加工成本低。

缺點在于無法自動恒壓，需配合鎖緊機構防止調節螺桿松動。

5.2 控制閥

控制閥包括手持噴槍與腳踏控制閥，用于控制射流啟閉。其工作原理類似，均通過閥芯動作實現高壓水的通斷。

腳踏控制閥

·       直接作用式：結構簡單，但啟閉靈敏度受液力與彈簧匹配影響；

·       間接作用式：通過小閥控制大閥，腳踏力小，控制靈敏，適用于水刀高壓大流量場景。