美国高压水射流技术现状 薛胜雄 陈正文 盛业涛 王永强 朱华清 （合肥通用机械研究院 合肥 230031）
摘要：从高压到超高压，从小功率到大功率，从单机到成套，从机电控制到智能化——这已成为高压清洗机国际水平的标志，而且，这一标志的突出特点就在于多学科密切融合服务于一个工程目标。本文通过对美国近两年国际性水射流技术会议和展会的产品剖析，揭示当今国际水射流技术产品的水平特征，以促进国内同行开拓技术视野，开发新技术产品。本文分三个部分：1.超高压大功率泵机组；2.成套技术的工程应用；3.旋转射流技术——密封与减速。 关键词：国际 高压清洗机 产品特征
0 前言 每两年一届的美国水射流技术会议和每年一届的国际泵与清洗设备制造商展览会展示了以美国为代表的国际水射流新技术、新装备，每年的固定展览商都一定会奉献出具有崭新特色的产品。本文集中总结了2005年8月和2006年2月两次会议的产品技术成果，剖析了这类产品的国际水平标志。
1 超高压大功率泵机组[1,2] 主机泵是实现高能量水射流的源头，显然，不同参数的泵机组产生不同能量的水射流，也就能实现不同功能的工程应用。 我们知道，对高压泵来说：
60ve
pqP=
式中：eP——泵的有效功率，kW； P——泵的排出压力，MPa；
vq——泵的实际流量，minL。
可见，要想利用水射流进行高难度的工程应用，必须提高机组功率，即提高压力P，保证水射流作业的能力；提高流量，保证水射流作业的效率。然而，机组功率的提高，势必造成泵的造价的大幅度提高，对泵的运行可靠性要求也随之提高。另外，还将引起泵机组以外周边设备必须专门设计与制造，因为水射流的打击力大大提高有利于作业，但随之增加的水射流反冲力则不能够人工作业，必须有专用的执行机构。
表1 国外常用大功率泵机组参数 80 100 120 150 200 250 280 200 √ √ √ √ √ √ √
300 √ √ √ √ √ √ √
400 √ √ √ √ √ √ √
500 √ √ √ √ √ √
600 √ √ √ √ √
720 √ √ √ √
900 √ √ √
我国的泵机组功率大多在110kW以下，而发达国家却大多在160kW以上，尤以200～300kW泵机组组成为大路货，其原因在于工程作业（清洗、除锈、破碎等）需要高效率地解决高难度问题，同时，由于泵的结构，大功率机组制约着泵的压力，两者的提高就意味着技术含金量的提高。表1列出了国外常用大功率泵机组参数，由此可见我国泵业的差距。 大功率超高压泵机组大都为柴油机驱动，撬装式或拖车式，以方便机组运行。这类机组有以下技术特点：机组智能化控制水平高：将驱动机、高压泵、水箱、真空系统、气源、前置泵等所有运行参数都显示在仪表箱上，并采用触摸屏，动态控制机组运行情况。实现开机、升压、卸载、停车、紧急制动等一系列自动化控制；泵进口的介质精滤和有压吸入，这一点是大功率超高压泵机组的运行可靠性所要求的；泵的高压往复动密封基本都采用套筒间隙与填料间置的组合密封，超高压要求柱塞的长径比大于普通泵型。如果仅采用间隙密封，这
一比值将更大；高硬度、高强度材料在液力端的普遍应用，如柱塞大都采用WC喷涂加工，缸体为高强度不锈钢；为了加工和装拆的方便，分离式泵缸头已成为趋势；进出口阀组多采用整体组合式，即吸入阀芯与排出阀芯刚性连接，强制开闭阀芯的阀线结合面尽可能地宽，模糊了线密封与面密封的界限；安全阀多采用爆破膜式，非但安全可靠，而且膜片成为标准件；调压阀为先导式，但结构趋于简单，确保很小的扭矩就能平稳地无级调压；泵缸体与机身的连接多采用长双头螺杆即容易拆装，又避免缸体尺寸过大；泵速大多在400rpm左右，很
少超过500rpm。 近年来大功率泵的一个新技术应用是美国GD公司采用多级变速机取代减速机，以4～5档变速实现一定压力范围内的等功率变工况。正常的往复泵流量是不随压力而变化的，即往复泵又叫做常量泵，这一流量稳定的优势使其作为高压流体源。但使用无级调压改变工况时，显然，流量总是额定压力下的相对小流量，这就出现了功率损失的问题。等功率变工况既是通过齿轮系在一台机组上给出不同的泵速，实现超高压小流量趋于高压大流量的固定档速变化。由此，各档速压力与流量的乘积总是当量的，这种变速泵非常适合大工业不同类型与难度的在线清洗工程与试验研究，变速机视变速使用频率可以手动也可以气动。
2 成套技术的工程应用[1,2] 在超高压大功率泵机组基础上，针对不同的工程应用目标开发成套技术，极大地提高了泵的应用领域和技术附加值。 2.1 管束管程清洗 泵与控制阀、喷头（旋转喷头和喷杆）连接，可以清洗管道、管束，工况参数越大，清洗难度越大，效率就越高。然而，清洗管束管程摆脱人工用喷杆作业的最新技术是以气动强制驱动喷头进给和回收，实现自动化作业。 图1所示为StoneAge公司多喷头（二至四喷头）进给清洗器，其原理是气动马达驱动一对齿轮强制旋转、进给超高压硬管，转换开关则为回收该设备人工手持在线作业非常方便，专用于拆下的换热器清洗。
ⅰ）选用足够长的导轨和延伸管与喷头进给长度相匹配； ⅱ）气动旋转齿轮箱保障喷杆的进给与旋转动作； ⅲ）支架保证喷头的轴向进给和横向进给定位； ⅳ）气动控制箱控制作业全过程； ⅴ）利用几个喷头同时作业，需要与泵的工矿参数匹配。 显然，这一装置的关键在于气动和机械机构。 2.2 超高压爬壁除锈成套设备[2] 图2所示为超高压爬壁除绣成套设备，其目标是：超高压水射流除锈、爬壁机器人作业、真空系统吸附和排渣、用水除锈不返锈，质量达到“白金”（Sa2.5）程度。 构成：250MPa、250HP、超高压泵机组、爬壁机器人及其控制、真空泵机组。 爬壁机器人作为执行机构，由两台电机驱动行走，同步则直行，异步则转弯。 超高压水经超高压旋转密封至四只喷杆喷嘴、形成除锈的旋转射流。 真空泵机组通过机器人真空腔使机器人附壁作业，同时自真空腔抽吸废水和铁屑，保证作业即除即干并在相当时间内不出现返锈。 2.3 脉冲射流的应用实例[2]
脉冲射流由于将常规的连续射流改变成打击力阵发的断续射流，因而极大地提高了作业效率，以高压工况达到超高压工况的作业目标，极大地降低了机组功率，这一试验室孜孜追求的目标近年已经商品化应用。 加拿大VLN公司的技术方案是：由超声发生器（220V、15A、1500W）为核心的成套技术实现强制脉冲射流。首先配电器接通220V电源，由其分配适量电压和电流至控制系统和超声发生器（USG），USG将220V电源转变成超声电压信号（最高3500V、0.43A），由电缆穿过空冷金属软管连接到转换器，这一方案保证了系
统得到电击信号与高压水射流、气流的叠加就形成了超高压脉冲射流，再将其经过旋转接头转变成旋转射流。 如果高压软管没有水流，控制系统自动关闭USG；类似，如果气流被切断，压力降信号立即关闭USG。人控扳机开关（电压为24V）。
2.4 水力破碎成套设备[2]
高压水射流技术破碎混凝土，这一技术优点是不产生应力扩散，可以逐层破坏任意深度，常用于路桥破坏、隧道维修和大坝维护。
图3为水力破碎机，其成套设备由高压泵站、水车和破碎机三部分组成。 技术参数：压力100MPa，机组功率400～600HP，作业宽度1.5m。
与泵机组匹配的破碎机自动行走、控制，其原理是使用多束旋转水射流沿导轨横向往复运动，犹如行织，逐行破碎作业。水力破碎机与液压机器人结合可实现水平面、垂直面、地面及顶面的作业。
3 旋转射流技术——密封与减速[1、2]
众所周知，高压水射流依靠其打击力作业，而打击力的法向因素使射流的效率得不到充分利用。如何在基本保持法向打击力的同时，增加一种切向剥层力，这两种力的合成将极大地提高作业效率，甚至有些清洗场合如管道内壁剥层又基本依赖于切向剥层力（见图4）。 几乎所有的水射流机组上都应用旋转射流，这也是我国与发达国家明显的差距。尤其是美国StoneAge公司是旋转射流工具的专业制造商，其产品装备着美国各大水射流制造商，StoneAge公司已成为旋转射流的代名词。 旋转射流的形式繁多，但只有两种类型：一是喷头与旋转体自成一体，轴向尺寸小，适应于尤是有弯头的管道清洗；二是喷头与旋转体分为两体，喷头依作业要求可以随意设计，旋转体也因不同匹配设计成系列产品，这样就产生了许多新品种的组合。这就把研究旋转射流的技术关键归结到了研究旋转接头。 3.1 旋转射流有以下几种基本形式[2、3] ⅰ）管道清洗用旋转喷头（A） 这是一种可控旋转的2-D喷头，用于4＂～12＂管道清洗，喷头采用粘性流体控制转速。5束射流的轴向拉
力达到100Lbs，2束135°，2束100°和1束15°圆柱射流，喷头转速分为快速模式（75～220rpm）和慢速模
式（20～80rpm），减速效果取决于液体粘度。 图5喷头与旋转体为一体的管道旋转喷头 ⅱ）管道清洗用旋转喷头（B）
自旋转2-D旋转喷头，将喷头与旋转体分为两体，最大工作压力为100～280MPa，适用于6＂～12＂管道
清洗；同样采用粘性流体减速，射流量偶数平衡形成水力扭矩，这类喷头的最大参数为280MPa，75minL；其快速模式为90～250rpm；慢速模式为20～60rpm，这类喷头的最大流量为760minL（70MPa）。 图6喷头与旋转体分为两体的管道清洗喷头 ⅲ）下水道清洗用旋转喷头（C）
下水道的特点是垢层易剥离，但尺寸很大，对于此类大直径（6＂～36＂）管道，多采用高压（20～55MPa）、大流量（100～450minL），泵速控制在150～300rpm，该类喷头全部为自进式，即射流方向为偶束后喷，仅一束射流前喷（15°）为了清堵。喷头自重为2～5Kg，而射流拉力5～10倍甚至更高。
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