根據處理對象和水刀自旋轉噴頭結構尺寸的不同,將其分為3類。筆者結合實物圖片加以簡單闡述。
第一類:表面預處理用自旋轉噴頭。
高壓水射流表面預處理的典型應用包括:大型鋼質設備表面的除漆、除銹;設備外表面的垢物清除;道面除膠、除標志線、除油污;混凝土破碎等。用于表面預處理的自旋轉噴頭主要是噴槍用小直徑自旋轉噴頭和大直徑旋轉噴頭。
槍用自旋轉噴頭由多束斜向射流形成水力扭矩,由旋轉噴頭形成槍用旋轉射流。與強制旋轉噴槍相比,它輕便,無需動力,而且壓力與流量范圍廣,轉速多在1000 - 2000r/min,重量為1.3kg左右,最高工作壓力280MPa。主要用于換熱器殼層清洗,不連續表面的除漆、除銹作業。
大直徑旋轉噴頭是以高壓旋轉接頭為基礎設計制造而成。這類噴頭可以自旋轉,也可以液壓或氣動控制強制旋轉,旋轉直徑可以根據射流功率和具體用途確定,一般為300 - 1000mm。將其安裝在小推車上,并安裝罩殼,便成為平面清洗器。平面清洗器的熱門應用是爬壁除銹和機場跑道除膠。
第二類:管道內壁低壓自旋轉清洗噴頭。這類噴頭的共同特點是使用工作壓力較低,一般為20 - 50MPa,最大流量為450 L/min,轉速多在200 - 500r/min。適用清洗的管道直徑為6”-36”。清洗大直徑管道內壁附著力不強的垢物是選擇該類旋轉噴頭的標準,最典型的應用是下水道疏通。
第三類:管道內壁高壓自旋轉清洗噴頭。
該類噴頭是高壓水射流清洗管道中最常用的,應用領域包括石油、化工、冶金、電力等多個行業。該類噴頭的工作壓力多在70 -140MPa,也有少量280MPa的應用。清洗的管道直徑多在3”-15”。管道的附著物本身堅硬,附著力強,要想清除該類結垢,不但要有足夠的壓力和流量,而且射流不能霧化。該類旋轉噴頭的轉速多分為快速、慢速兩擋。慢速擋轉速為10 -100r/min,快速擋的轉速為50為為數不多的旋轉體與噴頭體做成一體的旋轉噴頭,軸向尺寸僅為90mm,對于清洗有拐彎的管道非常適用。
使用加長噴桿的自旋轉噴頭,最高工作壓力280MPa,轉速可以控制在15~60r/min,適用于清洗4”-15”的管道。由于使用了加長噴桿,為了防止噴桿與管道內壁的刮卡,一般要與中心定位支架配套使用。旋轉噴頭與中心定位支架總體較重,在清洗水平管道時,通常采用鋼絲繩牽引的方法使旋轉噴頭進給。
對于自旋轉噴頭轉速上限和下限、對限速機構的定量設計都還缺乏理論依據,一般都是根據某一類的具體應用通過設計——試驗——改進設計——制造產品的方式,制造出適合該類應用的自旋轉噴頭,如何通過設計試驗的積累得出完善的設計理論,使限速機構的設計與轉速數值能夠有機對應是設計者的追求目標。
平面清洗作業的實例有工廠地面、公路翻修與清洗交通標志、機場跑道除膠、汽車噴漆流水線柵板除漆、運動場跑道除膠、橋梁維修剝層等等。它們的共同特點是都用平面清洗器作業,所不同的只是工況參數、清洗器結構不同。
一自轉的平面清洗器,其特點是主軸垂直于地面。如果將主軸與地面平行,則可設計出多種多樣的大直徑二維自轉噴頭用以清洗大直徑管道內壁。
平面清洗器基本上可以分為噴頭、旋轉接頭與支架三個部分。噴頭位于最下端,由噴管、噴嘴等主件組成。如果作業要求的是大面積均勻剝層(如機場除膠等),就把執行機構設計成微孔多噴嘴呈列狀布置,射流形式均勻、細密呈寬帶狀;如果作業要求的是局部重點剝層(如維修橋梁的剝層等),就把執行機構設計成四噴管各鑲一只圓柱形噴嘴,
其射流可保證足夠的點打擊力,加之旋轉運動就形成了成片剝除厚層的能力。噴管與旋轉軸的連接要保證可靠和防松。旋轉體是平面清洗器的技術關鍵所在,它的旋轉密封多采用組合密封,且有泄漏導出。除了旋轉體的兩端軸承外,在底部還安裝有推力軸承,以承受重力旋轉。高壓水自中部進入,軸端輸出至噴管、噴嘴,整個旋轉體固定在罩板上;支撐架除了起到移動作用外,還可通過螺桿調節整個清洗器距地面的垂直距離(即靶距)。為了調節控制噴頭的轉速,平面清洗器大都采用強制旋轉,即采用液壓馬達或氣動馬達作動力,通過對液壓或氣壓壓力的調節給出作業的最佳轉速。這樣,動力與旋轉體的輸入軸直聯,運行非常可靠。
為了提高清洗效率,在增大主機功率的同時,將兩個清洗器并聯安裝,同步控制,使得清洗幅度可提高到1. 5m。這種平面清洗器往往采取車載作業。
平面清洗器的工作壓力一般在70 - 100MPa之間,噴嘴形成的作業直徑都在500-700mmo另外,采用這種形式,將噴頭改造成無噴管成對噴嘴,形成軸向主射流,則可用來進行破碎公路路面等工程作業。
大型容器指大尺寸的釜、罐、槽、艙等,它們的內壁清洗往往借助于三維旋轉噴頭及其進給機構(叉合稱容器內壁清洗裝置)。三維旋轉噴頭的適應工況參數范圍很廣,加之結構特殊,又有專用的進給裝置,已成為高壓水射流獨立的周邊設備之一。
三維旋轉噴頭亦即同步繞著兩個相互垂直軸旋轉的噴頭,其轉速可在5 -100r/min之間調節,通常最佳工作轉速為20~40r/min。三維旋轉噴頭的基本構成為三維旋轉、旋轉密封、減速調速3個部分。
形成三維旋轉的傳動機構一般都采用一對相互垂直的錐齒輪,這已成了共性特點。一種三維旋轉噴頭。三維旋轉噴頭的旋轉動力也是來源于噴嘴偏置形成的水力扭矩。這里,噴嘴除了形成水射流外,還有兩個作用:一是通過主動小齒輪相對大齒輪轉動,繼而帶動轉動件和與之連接的外殼繞固定軸(高壓水進入通道)旋轉,從而形成一對噴嘴繞主動錐齒輪和被動錐齒輪、外殼繞固定軸的同步三維旋轉;二是由被動錐齒輪通過輪系帶動葉輪反向旋轉,同時水射流的一股分量通過一固定噴嘴對葉輪噴射形成阻力矩。葉輪的旋轉反饋到錐齒輪則形成減速作用,減速保證了三維旋轉噴頭的最佳工況,使得射流不霧化,達到高難度清洗目的。
從該噴頭結構分析,輪系的設置使結構比較復雜,而且減速調節不方便、減速作用不可知,但這一典型結構清晰揭示了三維旋轉噴頭的三大要素。
另一種三維旋轉噴頭。實現噴嘴自身的自轉和噴頭體的公轉的基本結構。該噴頭在技術上有以下幾個特點:采用與主軸同軸轉動的減速機構,實現轉動無級減速,確保射流不霧化,達到強力清洗剝層的目的,噴頭轉速的調節依賴減速機構壓力的調節;采用套筒間隙密封,選擇高彈性耐磨材料實現高壓下的旋轉密封,同時保證兩個旋轉軸的運行可靠性,避免高壓密封抱軸現象;錐齒輪減速比很講究,i=Z2/Z1必須是非整數,亦即22與Z1必須互為素數,i的整數部分要滿足運動軌跡密度的要求,i的小數部分則由一對互為素數的齒數Z1和Z。確定,這樣才能保證旋轉射流軌跡不重復,否則就會出現漏洗面積;噴嘴的設計要與泵相匹配,其偏心要考慮整體結構給出,偏心太大初始轉速太快,偏心太小則初始轉矩過低而使噴頭不能啟動,這些都是不合適的。
三維旋轉噴頭的射流軌跡形成了一個球狀的包絡面。然而,要將這樣一個噴頭送至大型容器的每一個局部并且與之保持最佳靶距,就需要進給機構。
三維旋轉噴頭的噴嘴與噴頭體相連接的噴管,有的做成彎曲狀,有的加長延伸,還有的對置兩個主動錐齒輪,即兩邊各置一對噴管、噴嘴。這些變形的目的都是為了增加射流的水力扭矩,同時擴大噴頭的旋轉半徑以簡化進給機構。
齒輪輪系,用以調整兩個噴嘴的相對位置(噴嘴軸心線間的距離變化),亦即調整由射流形成的旋轉扭矩,從而也在一定范圍調節了轉速。該三維旋轉噴頭適用功率范圍為37-370kW。
旋轉接頭又叫旋轉體,它起著連接轉體件(噴頭)與固定件(噴管)的作用。旋轉接頭用途很廣,形式多樣,是水射流設備常涉及的主要部件。頭可以隨意連接不同型式的噴頭,以迅速得到不同形式的射流。也就是說,靈活連接與應用是旋轉接頭單獨作為一個產品的主要作用。旋轉接頭既能緊密連接相對轉動件,又能使相對轉動件延長距離或改變方向。
為強制型旋轉接頭。高壓水自徑向進入,接頭體不轉,而另有動力輸出軸與該接頭軸伸端鍵連接,強制中心軸旋轉,從而帶動噴頭、噴桿或軟管轉動。很顯然,這種接頭進、出水呈垂直布置,不僅改變了出流方向,而且延長了執行元件的距離。強制旋轉一般將轉速控制在500-600r/min,適應壓力為150-200MPa。壓力越高,轉速越高,旋轉密封的難度也就越大。當同樣性質的旋轉接頭用在纏繞膠管的絞盤上,高壓水自絞盤軸端進入軟管,由于絞盤轉速很低,因此旋轉密封僅采用O形圈附以擋圈即可解決。旋轉密封從材料和結構都
需精心設計。同軸自轉型旋轉接頭,高壓水同軸進出。這種接頭多用于二維自轉噴頭。不難理解,該接頭與多孔噴嘴相連接就是多種形式的旋轉噴頭。它的旋轉動力來自多孔噴嘴,其工作壓力為70MPa,轉速約400r/min。限速主要靠注入黏性油,由轉子攪動黏油形成反力矩。注油的另一主要目的是潤滑。在轉子兩端各置一段旋轉密封,并且通過一個向心球軸承和一個平面推力球軸承配合承受旋轉運動和射流的反沖力。
是一種自轉型旋轉接頭,它的不同點在于一端采用高壓旋轉密封,這是一個很大膽的設計,當然也需要精細的工藝保證。三個球軸承并列安裝,保證了旋轉的平穩。在與密封相對的另一端周向設有注油孔。注意有一個注油孔設在了兩個密封圈中間,這是為了延長密封圈的壽命。該噴頭的轉速適應在400 - 600r/min,當然減速來源為外力。也正因為采用端面旋轉密封承受著射流反沖力,所以最大限度地減小了周向旋轉摩擦。旋轉扭矩要求僅為圖8—23的1/7左右,亦即實際旋轉密封摩擦耗功小多了。該噴頭工作壓力范圍為70-140MPa。
旋轉接頭的設計關鍵,一是處理相對轉動的結構關系,二是高壓旋轉密封。由于旋轉噴頭的旋轉動力和限速阻力大都來源于外力,這就使其設計更為簡單,但是小直徑的旋轉接頭還是比較難以處理好這些矛盾的。從上述3個實例可見,旋轉接頭的轉速要求都較低,因此必須與相應的噴頭和限速機構或強制轉動機構適配,否則它是難以保證高壓旋轉密封的。再者,旋轉潤滑也很重要,必須予以重視。
高壓水射流某種程度上又叫做高速水射流,其速度接近1000m/s也是很正常的。利用高速水射流形成真空引射的特點,仿照水射流真空泵的原理進行設計,真空噴頭便成了高壓水射流設備的一個附加功能件,它以很低的成本在吸上和輸送用途中可與水刀射流真空泵相媲美。