高压水射流的发展历史

高压喷射灌浆20世纪70年代初，日本将高压水射流技术应用于软弱地层的灌浆处理，成为一种新的地基处理方法——高压喷射灌浆法（高喷）。

它是利用钻机造孔，然后将带有特制合金喷嘴的灌浆管下到地层预定位置，以高压把浆液或水、气高速喷射到周围地层，对地层介质产生冲切、搅拌和挤压等作用，同时被浆液置换、充填和混合，待浆液凝固后，就在地层中形成一定形状的凝结体。

通过各孔凝结的连接，形成板式或墙式的结构，不仅可以提高基础的承载力，而且成为一种有效的防渗体。

由于高压喷射灌浆具有对地层条件适用性广、浆液可控性好、施工简单等优点，近年来在国内外都得到了广泛的应用，在大颗粒地层、动水、淤泥地层和堆石堤（坝）等场合，应用高压喷射灌浆技术具有显著的技术经济效益。

一、高压喷射灌浆机理从理论和工程实践分析，高喷的作用和机理主要有以下几个方面。

1.冲切掺搅作用高喷技术主要是借助于高压射流，通过冲击、切割和强烈扰动，使浆液在射流作用范围内扩散，充填周围地层，并与土石颗粒掺混搅和，硬化后形成凝结体，从而改变了原地层结构和组分，借以达到防渗或提高承载力的目的。

高喷凝结体是多种因素综合作用的结果，其中原地层结构和施工条件对其性能起关键作用。

高压射流对地层结构的影响范围，取决于比能E值的大小，其表达式为式中E——每米施喷柱耗用的能量，MJ/m；P——喷射灌浆压力，0.1MPa；Q——射流浆量，L/min；v——提升速度，cm/min。

比能E值大，旋喷柱的直径大，对同一地层、同一设计的柱径而言，一般有一最优比能值，通常选用40～70，最终应通过现场高喷试验确定。

2.升扬、置换作用高喷施工时，水、气或浆、气由喷嘴中喷出，压缩空气除能对水或浆液构成外包气层，使水或浆液射流能透入地层较远距离，并维持较大压力破碎地层结构外，在能量释放过程中，类似“孔内空气扬水”原理，还可产生升扬作用，将经射流冲击切削后的土石碎屑和地层中细颗粒由孔壁及喷射杆的环状间隙中升扬带出孔外，空余部位由浆液替代，同时也起到了置换的作用。

一、基础介绍高压水射流技术是近几十年来发展起来的一门新技术，其应用日趋广泛。

从原理上讲，它与我国煤矿中使用已久的水力采煤技术基本相同，都是把具有一定压力的水通过直径较小的喷嘴形成射流，将这股水射流作为工具进行切割、破碎和清洗物料。

所不同的只是高压水射流的水压更高、喷嘴直径更细而已。

水力采煤中使用的水压通常为5~15MPa，水枪出口直径为15~30mm；而高压水射的水压一般为30MPa以上，有的高达数百兆帕，喷嘴直径则在2mm以下，最小的可达0.1mm。

因此，高压水射流可以在很小的区域内集中极大的能量，例如1000MPa 的高压水射流的能量束密度可以与激光束相匹敌[1]。

图0-1为高压水射流切割系统示意图。

由低压泵站2产生的低压水在增压器3增压后，经高压胶管传送到喷嘴4形成高压水射流。

数控箱6操作喷嘴移动，从而完成各种切割作业。

切割后的废液经回收处理后排放。

由此可见，高压水射流系统一般由压力源，喷嘴及其控制装置以及连接它们的高压管路和其他附属装置所组成。

1.1高压水射流技术的发展概况自古以来，人们总把水比作柔弱，把岩石比作坚硬。

然而，水滴石穿却正是柔弱的水穿透坚硬岩石的现象。

在大雨中飞行的飞机被雨滴侵蚀的所谓“雨蚀”现象也是柔能克刚的实例。

然而，过去人们都是以消极的态度来研究如何防止高速水流的侵蚀，没有或很少采取积极的态度来研究如何利用高速水流为人类做功而已。

19世纪中叶，在北美洲第一次使用了高压水射流开采非固结的矿床。

在20世纪50年代，苏联和中国的水力采煤就是利用水射流的冲击和输送作用。

随着水力采煤技术的推广，人们开始对高压水射流技术产生了浓厚的兴趣，同时也认识到，提高水的压力适当减小喷嘴直径可以显著地提高水射流的落煤效果。

于是人们便开始研制较高压力的压力源（高压泵和增压器）及高压脉冲射流（俗称水炮）。

进入20世纪60年代大批高压柱塞泵和增压器的问世，大大推动了高压水射流的研究工作。

当时，部分学者片面认为好像高压水射流的压力越高越好。

水射流研究的现状与发展“水滴石穿”的实质是微小的冲量对时间的积分。

高压水射流加工技术正是利用相同的原理，把动量加大，缩短时间，达到断石、断铁、切割的目的。

人们在很早的时间就开始利用很高压力的水进行材料的加工和切割。

1870年前后，美国在加利福尼亚的金矿中用增压后的水流开采矿石，俄国人也曾用水采煤。

在上世纪60年代，密苏里大学林业系的诺曼·弗朗兹教授发明了高压水射流的切割实验装置。

该装置的核心是一个单缸增压器，压力可以达到344.7MPa(s000opsi)，用这样的高压水可以来切割木材。

这一装置引起包括著名的依格所尔公司在内的许多压力设备制造商和研究单位的兴趣。

1971年第一台商用水切割试验机在杰克逊的阿尔顿纸品公司投入应用，用于切割层压纸管，其厚度达到12.7mln(0.sin)，并且可以在纸管上切出各种形状。

高压水切割技术的真正的商品化应用是上世纪80年代初洛克韦尔飞机公司用水切割机来切割BI轰炸机的钦合金零件，可以节约成本50%。

目前许多国外的公司用高压水切割各种材料，甚至用于军舰制造。

高压水除用于切割之外，还可用于除锈、清洗，以及建筑与道路施工等方面，涉及到造船、航空、汽车、机械制造、轻工、城建等许多行业。

1987年洛克希德航空系统公司开发了四轴水切割机器人，用于石墨增强树脂、钦合金板材以及薄壁大口径管材的切割。

依格所尔公司的水切割系统与ASES的机器人组合成汽车工业机器人，在瑞典得到应用，切割汽车车头的衬里、门板和地毯。

在军工上，美国人应用高压水切割军舰用异型橡胶零件，以及潜艇外贴降噪橡胶层。

高压水射流技术在国内的应用开始于上世纪80年代，并随着国际上水射流理论的成熟和成功的商业化，国内对这项技术的认识也不断地加深，很多的专家学者〔52]，对此开展了大量的研究和探讨，把国内的高压水射流切割技术不断推进。

新型射流的应用和研究得到很快的发展，在落煤、破岩、船舶除锈、喷射钻井、机场除胶和除漆等得到极为迅速的推广。

简述水射流加工技术发展与应用摘要：本文旨在介绍水射流加工技术的形成、发展史。

明确水射流加工工艺的主要流程，了解其发展趋势。

关键词：冷加工高压水射流切割磨料一、水射流加工技术发展史人们认识水射流应该说还是从水的冲刷作用开始的。

大雨能把田地冲出一道水沟，能剥落山岩，甚至能造成泥石流。

河道出口久而久之便冲积成了三角洲。

水对大自然的鬼斧神工表现在3个方面：使材料破裂、流动、去除。

水射流的应用起源于采矿业。

早期利用水射流冲洗矿石中的泥土，蓄水运送并筛选矿石和直接周水射流冲刷煤层。

由冲刷到破碎实际上是水射流的一个质变，前者是低压大流量，后者则是高压小流量。

本世纪30年代已开始用水射流采煤。

开始是用lOMPa以下的水射流冲采中硬以下煤层，至70年代已发展到用20～30MPa水射流慢速切割煤体，再后来就是高压至lOOMPa、超高压大于200MPa的水射流辅助采煤机、掘进机用于破碎落煤和破岩。

只有提高水射流工作压力才能使其广泛应用于大工业部门，这已成为人们的共识。

20世纪70年代，高压水清洗和超高压水切割在同步发展。

80年代，高压清洗已日趋完善，普及应用。

超高压水射流切割工艺一直是水射流行业研究、追踪的热点。

尤其在80年代末、90年代初期这类所谓“水刀”设备已经批量化、商品化，而且以机械于控制切割头为代表的产品已迅速达到了全自动、智能化的高水平。

水射流技术在向高压方向发展的同时，70年代末期国际水射流领域出现了一个引人注目的新动向，即从单一提高水射流压力，的观点开始转向研究如何提高和发挥水射流的潜力这方面来了。

这就有了脉冲射流（水炮）、高温射流、磨料射流和摆振射流。

这些射流与同等压力下的普通连续射流相比，显然大大提高了作业效率。

80年代以来，磨料射流、空化射流、气水射流和旋转射流的进一步发展，将高压水射流技术推向一个新的阶段。

水射流领域已经形成了一个以压力、功率为纵坐标、以射流形式为横坐标的技术与产品的甲而型谱。