自動墻壁清洗機設計
自動墻壁清洗機設計,自動墻壁清洗機設計,自動,墻壁,清洗,設計
湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）評閱表
學號 2006183838 姓名 沈超 專業(yè) 機械設計及制造自動化
畢業(yè)論文（設計）題目： 自動墻壁清洗機設計
評價項目
評 價 內 容
選題
1.是否符合培養(yǎng)目標，體現學科、專業(yè)特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；
2.難度、份量是否適當；
3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。
能力
1.是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；
2.是否有綜合運用知識的能力；
3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；
4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；
5.工科是否有經濟分析能力。
論文
（設計）質量
1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統(tǒng)一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規(guī)范；
2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；
3.有無理論價值或實際應用價值，有無創(chuàng)新之處。
綜
合
評
價
評閱人：
2010年5月 日
湘潭大學興湘學院
目錄
1引言 1
1.1清洗建筑表面的意義 1
1.2目的和現實意義 1
1.3研究現狀 2
2 方案評價與選擇 3
2.1高樓外墻清潔機的結構和工作 3
2.1.1設置于頂樓的支撐突梁 3
2.1.2支撐纜繩 4
2.1.3乘載用掛籠 4
2.1.4動作馬達 4
2.1.5升降結構 5
2.1.6清洗刷 5
2.2方案評價與選擇 5
3 運動學及結構方案的確定 6
3.1運動學參數選定 6
3.2計算總傳動比和分配各級傳動比 8
3.3計算傳動裝置運動和動力參數 8
4 傳動零件的設計計算 10
4.1 第一級齒輪傳動設計計算 10
4.1.1.初步計算 10
4.1.2校核計算 10
4.2第二級齒輪傳動設計計算 14
4.2.1.初步計算 14
4.2.2校核計算 14
4.2.3確定傳動主要尺寸 16
4.3 畫簡圖 18
4.3.1 初估軸徑 18
4.3.2 初選聯軸器 19
4.3.3 初選軸承 19
5軸的校核計算 20
5.1高速軸受力分析 20
5.2中間軸校核計算 20
6高速軸軸承驗算 28
致 謝 30
參考文獻 31
30
1引言
1.1 清洗建筑表面的意義
隨著人類社會的不斷發(fā)展進步，城市規(guī)模不斷擴大，城市建筑更加規(guī)范，完美。千姿百態(tài)的各式建筑，尤其是高層建筑外墻都用各種建筑材料進行裝飾，如粘帖各色墻磚，瓷磚，馬賽克，或涂上涂料，但是，自然界的風吹雨打，日光輻射，塵埃污染，以及一些人為或偶然事故等原因，一段時間過后，建筑表面都將不同程度地變得污濁灰暗，破舊不堪，在環(huán)境差的地區(qū)，污染或損壞還相當嚴重。建筑表面就像人身上的外衣，要保持清潔，就需要經常清洗，整理。為此，世界發(fā)達國家和地區(qū)，對保持建筑表面的清潔非常重視，并以法律的形式明確規(guī)定，每年必須定期清洗，否則將受到處罰。近年來，我國各級政府部門的環(huán)境保護意識已發(fā)生了很大改變，國內一些大，中城市，特別是旅游，開放城市，旅游景點，為保持建筑表面清潔，也制定出臺了相應的法規(guī)，全國范圍的衛(wèi)生評比活動，把保持建筑表面清潔列為考核的重要指標之一，其中高層建筑的外墻，醒目，突出，自然也就成為檢查的重中之重。
有信息表明，十·五期間國家用于環(huán)境保護的投資將由九·五期間國民生產總值的1.5%翻倍增加至4%，同時還伴隨以產業(yè)政策的優(yōu)惠。所以，隨著我國改革開放的不斷深入，政府，公民的環(huán)保意識的不斷加強，建筑表面清潔問題必將引起各方面的高度重視，建筑清洗行業(yè)必然具有廣泛的發(fā)展前景，將產生巨大的經濟效益和社會效益.
建筑表面清洗主要包括外墻清洗和中央空調風管的清洗，目前外墻清洗是采用傳統(tǒng)的“蜘蛛人”清洗，這是以犧牲生命為代價的非人工作，部分城市頒布了建筑表面清洗條例； 由于非典事件，公共衛(wèi)生得到了高度的重視，特別是中央空調風管的清洗，最近有關中央空調的清洗條例很快出臺；因此對于建筑表面清洗提供一個完備的解決方案，必然打破一個傳統(tǒng)的產業(yè)格局，改變了人們的工作方式，用機器人清洗代替?zhèn)鹘y(tǒng)的人工清洗或無法清洗，是必然的發(fā)展趨勢。
1.2 目的和現實意義
洗墻機的功能主要在于清洗大樓窗戶、外墻等外部結構，然而礙于在清洗大樓時清洗后廢水的處理，清洗的效果、效率等等，目前市面上尚無自動的大樓洗墻機。
改革開放以來，隨著我國經濟的高速發(fā)展，高層式建筑如雨后春筍般的拔地而起。高樓外墻的外觀保養(yǎng)和清潔成為樓宇管理不可缺少的一部份。有需求就由市場，高樓外墻的清潔必將成為一種經濟效益高，前景廣闊的行業(yè)。在中國，這種行業(yè)正在逐漸興趣。我國高墻清潔主要采取兩種形式。
1.3研究現狀
綜觀目前市面上可見的洗墻機，清洗方式主要還是以人工清洗為主，所以都是以掛籠垂降，再以人工方式清洗墻面；然而垂掛以及掛籠的升降方式便較具變化。傳統(tǒng)的是人手清潔，用繩把人系住和定位，逐層清潔。這種方式人在半空吊來吊去的（好象攀崖運動員下山時那樣），勞動強度高，效率低，因為主體是人，所以帶有一定的危險性。
現代的機器人清潔，現代科技的發(fā)展，機器人代替人手工作是必然的趨勢，在國外和我國的一些清潔公司已經采用了機器人來進行高樓外墻的清潔工作，但是這些機器人構造復雜，操作復雜，功能繁多（有些功能是很少用到或在某些場合不會用到），造成成本高（如果是一些由人工智能的機器人就更加不用說了）和資源浪費的現象。針對這個問題，我們設計了一個操作簡單，經濟實用的高樓外墻清潔機器。
2方案評價與選擇
2.1高樓外墻清潔機的結構和工作
現代高樓外墻自動清洗機的結構主要分為下面幾種:
2.1.1設置于頂樓的支撐突梁
以下為一些常見的支撐突梁：
（1）固定式如圖2.1所示：
（A）F型突梁 (B) L型突梁
圖2.1 固定式突梁
(2)活動式：
設有活動滑軌,如圖2.2為一種滑軌：
圖2.2 滑軌
滑軌式的作動情形如圖2.3所示：
圖2.3 滑軌式的作動情形
滑軌有多種形式如圖2.4所示：
A.水平式滑軌 B.自走平臺 C.垂直式滑軌
圖2.4 多種形式的滑軌
直接將大型起降車設置于頂樓，方便隨時清洗，亦有助施工維修，但成本高昂且占空間。
2.1.2支撐纜繩
纜繩能承受高度張力，目前專用纜繩就可達到需求。
2.1.3乘載用掛籠
小型掛籠如圖2.5所示：
圖2.5 小型掛籠
中型掛籠如圖2.6所示：
圖2.6 中型掛籠
2.1.4 動作馬達
對于馬達，一般來說有以下要求：
A.高扭力、低轉速。
B.斷電自動煞車。
C.機械煞車裝置。
D.靜定功能。
2.1.5升降結構
對于升降的結構，目前計劃主要依現有一般市面上可見的機構加以改良，作為自動洗墻機的作動裝置，裝在樓頂的步進電動機帶動卷桶控制鋼絲繩的收放，使的刷子部分的執(zhí)行機構能在高墻上縱向移動。在這里,選擇卷揚機類似的機構,加以改進。
2.1.6清洗刷
考慮到刷子受到的摩擦力很小 ，刷子的轉動動力由小電機提供，如圖所示
刷子部分采用紅外線測距。當墻上的玻璃窗等與墻的豎直距離不等時，刷子不能很好的清洗玻璃等凹或凸出來的部分。所以從機器采用紅外線測距， 使刷子能更好的工作，即使有突出的墻沿，也可以通過機器自己調節(jié)(線圈產生的磁場和彈簧力來調節(jié))
刷子由一個獨立的電動機帶動。
為了使機器在刷子往返運動中，不會使機構左右搖擺，所以采用一些輔助機構來減少左右搖擺，如圖所示，采用末端加有一個輪，此輪與墻接觸。當機器向下運動時，輪與墻之間是滾動摩擦，使機器向下運動時，可以使機器與墻之間保持一定的距離，從而不會撞到墻或者玻璃，當墻左右搖晃時，這時，輪與墻之間產生滑動摩擦，對機器左右搖擺有一定的抑制作用。
還有一些輔助機構使得清潔機在墻上工作更加平穩(wěn)。
2.2方案評價與選擇
根據任務書的要求，結構簡單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工作效率高，故選用，水平式滑軌，支撐纜繩，小型掛籠，升降機構采用類似卷揚機機構，工作部，利用工作電動，經減速器減速，帶動清洗刷轉動，實現清洗功能。
3運動學及結構方案的確定
根據任務書要求，一小時可以清洗墻面600-800平方米，考慮到結構簡單，直接單向進給，故只考慮升降，而且要達到600-800平方米，所以要選用大型號的清洗刷。其結構如圖3.1所示：
圖3.1 清洗刷結構圖
3.1運動學參數選定
初選卷揚機，根據GB/T 1995-2002，選用雙卷快速快溜放卷揚機，額定速度為20m/min-25min，額定載荷為25KN。
根據初選的卷揚機，則定清洗刷直徑應500mm。
清洗刷與墻面的摩擦力
查機械設計手冊得工程塑料的動摩擦因數在之間，因為，清洗刷基本上靠自動壓在墻面上，又要考慮到清洗干凈，故選用動摩擦因數較大的工程塑料，選定其動摩擦因數為，估算清洗裝置，故
工作機所需輸入功率：
各部件的傳動效率：
工作機的效率：
傳動裝置中各部分的效率,查機械手冊得
8級精度的一般齒輪傳動效率：
彈性聯軸器傳動效率：
齒式聯軸器傳動效率：
球軸承傳動效率：
滾子軸承：
電動機至工作機之間傳動裝置的總效率：
所需電動機功率
由
,得
查表13-2,得圓柱齒輪傳動單級傳動比常值為3～5,故電動機轉速的可選范圍:
對Y系列電動機通常多選用同步轉速為1000r/min或1500r/min的電動機,故選用同步轉速為1500r/min。
選用Y100L2-4,額定功率3KW,滿載轉速1430r/min,電動機極數為4，軸伸尺寸。其具體參數如下：
型號: Y100L2-4
額定功率/kW: 3.0
鐵心長度/mm: 135
氣隙長度/mm: 0.3
定子外徑/mm: 155
定子內徑/mm: 98
定子線規(guī)nc-dc: 1-1.18
每槽線數: 31
并聯支路數: 1
繞組型式: 單層交叉
節(jié)距: 1～9/2～10/18～11
槽數Z1/Z2: 36/32
轉動慣量/(kg·m^2): 0.0067
質量/kg: 38
3.2 計算總傳動比和分配各級傳動比
傳動裝置的總傳動比要求為
式中： —電動機滿載轉速,r/min.
一般推薦展開式二級圓柱齒輪減速器高速級傳動比,取。
3.3 計算傳動裝置運動和動力參數
該傳動裝置從電動機到工作機有三軸,依次為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸,則:
3.3.1 各軸轉速
式中: —為電動機滿載轉速,r/min；
、、—分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸轉速,r/min;Ⅰ為高速軸,Ⅲ為低速軸.
3.3.2 各軸功率
式中: Pd —為電動機輸出功率,KW;
PⅠ、PⅡ、PⅢ —分別為Ⅰ、Ⅱ、Ⅲ軸輸入功率,KW；
3.3.3 各軸轉矩
4 傳動零件的設計計算
4.1 第一級齒輪傳動設計計算
因傳動無嚴格限制,生產批量小,故小齒輪用40Cr,調質處理,硬度241HB～286HB,平均取為260HB;大齒輪用45鋼,調質處理,硬度為229HB～286HB,平均取為240HB.齒輪采用非對稱支承結構安裝。計算步驟如下:
齒面接觸強度計算
4.1.1 初步計算
轉矩T1 ,
齒寬系數 ,由表12.13,取
Ad值,由表12.16,估計,取
接觸疲勞極限,由圖12.17c,得
初步計算的許用接觸應力:
傳動比i,
初步計算小齒輪直徑d1 ,,取
初步齒寬b ,
4.1.2 校核計算
圓周速度,
精度等級 由表12.6，選用8級
齒數Z1、模數和螺旋角:
，取Z2=105
,由表12.3,取
(和估計值接近)
使用系數KA 由表12.9,,
動載系數Kv,由圖12.9,
齒間載荷分配系數
由此得
齒向載荷分布系數,由表12.11,
載荷系數,
彈性系數,由表12.12,
節(jié)點區(qū)域系數,由圖12.16,
重合度系數 ,由式12.31,因故
螺旋角系數,
接觸最小安全系數,由表12.14,得(一般可靠)
總工作時間,
應力循環(huán)次數:
接觸壽命系數,由圖12.18, ,
許用接觸應力:
驗算
計算結果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調整。
4.1.3 確定傳動主要尺寸
中心距
實際分度圓直徑,
齒寬,
齒根彎曲疲勞強度驗算
齒形系數:
由圖12.21, ,
應力修正系數 ,由圖12.22,,
重合度系數 ,
螺旋角系數,
(當.)
,故
齒間載荷分配系數 ,
前已求得,故
齒向載荷分配系數 ,由圖12.14, ,
載荷系數,
彎曲疲勞極限,由圖12.23c,,
彎曲最小安全系數,由表12.14,
應力循環(huán)次數,
彎曲壽命系數,由圖12.24, ,
尺寸系數,由圖12.25,
許用彎曲應力
驗算
傳動無嚴重過載,故不做靜強度校核。
4.2 第二級齒輪傳動設計計算
因傳動無嚴格限制,生產批量小,故小齒輪用40Cr,調質處理,硬度取為280HB;大齒輪用45鋼,調質處理,硬度取為260HB。齒輪采用非對稱支承結構.計算步驟如下:
齒面接觸強度計算
4.2.1 初步計算
轉矩T2 ,
齒寬系數 ,由表12.13,取
Ad值,由表12.16,估計,取
接觸疲勞極限,由圖12.17c,得
初步計算的許用接觸應力:
傳動比,
初步計算小齒輪直徑 ,
初步齒寬b ,
4.2.2 校核計算
圓周速度,
精度等級 選用8級
齒數、模數和螺旋角:
,由表12.3,取
(和估計值接近)
使用系數KA ,表12.9,,
動載系數,由圖12.9,
齒間載荷分配系數
由此得
齒向載荷分布系數,由表12.11,
載荷系數,
彈性系數,由表12.12,
節(jié)點區(qū)域系數,由圖12.16,
重合度系數 ,由式12.31,因,故
螺旋角系數,
接觸最小安全系數,由表12.14,得(一般可靠)
總工作時間,
應力循環(huán)次數:
接觸壽命系數,由圖12.18, ,
許用接觸應力
驗算
計算結果表明,接觸疲勞強度較為合適,齒輪尺寸無須調整.
4.2.3 確定傳動主要尺寸
中心距
實際分度圓直徑
齒寬 ,取
齒根彎曲疲勞強度驗算
齒形系數:
由圖12.21, ,
應力修正系數 ,由圖12.22,,
重合度系數，
螺旋角系數,
(當.)
，故
齒間載荷分配系數,
前已求得,故
齒向載荷分配系數,由圖12.14,,
載荷系數,
彎曲疲勞極限,由圖12.23c, ,
彎曲最小安全系數,由表12.14,
應力循環(huán)次數,,
彎曲壽命系數,由圖12.24, ,
尺寸系數,由圖12.25,
許用彎曲應力
驗算
傳動無嚴重過載,故不做靜強度校核。
表1 傳動零件設計計算小結
名稱
材料
硬度
齒數
齒寬
mn
β
分度圓直徑
齒輪Ⅰ
40Cr
260HB
22
55mm
2
12°6′5′′
45.000mm
齒輪Ⅱ
45
240HB
105
45mm
2
12°6′5′′
215.190 mm
齒輪Ⅲ
40Cr
280HB
28
82 mm
2.5
13°32′10′′
72.000mm
齒輪Ⅳ
45
260HB
96
72mm
2.5
13°32′10′′
254.952 mm
4.3 畫簡圖
142
58
71
70.5
57.5
71
128
圖4.1 簡圖
4.3.1 初估軸徑
在畫裝配草圖前需初估軸徑,從而提高設計效率,減少重復設計的工作量,并盡可能的降低生產成本。三根軸都選用40Cr材料。
由<<機械設計>>式16.2,得各軸的最小直徑分別為:
式中: C為軸強度計算系數,40Cr所對應的系數為102
考慮到實際情況,可將這三軸的最小軸徑定為25mm,50mm和35mm。
4.3.2 初選聯軸器
聯軸器除聯接兩軸并傳遞轉矩外,有些還具有補償兩軸因制造和安裝誤差而造成的軸線偏移的功能,以及具有緩沖、吸振、安全保護等功能。電動機軸和減速器高速軸聯接用的聯軸器,由于軸的轉速較高,為減小啟動載荷,緩和沖擊,應選用具有較小轉動慣量和具有彈性的聯軸器,該設計選用彈性柱銷聯軸器。減速器低速軸與工作機聯接用的聯軸器,由于軸的轉速較低,不必要求具有較小的轉動慣量,但傳遞轉矩較大,又因減速器與工作機不在同一底座上,要求具有較大的軸線偏移補償,因此選用鼓形齒式聯軸器。根據上述分析并考慮到實際情況,聯軸器選擇如下: 電動機軸和減速器高速軸聯接用的聯軸器選用LT4聯軸器 。
4.3.3 初選軸承
軸承是支承軸頸的部件。由于該傳動裝置采用兩對斜齒輪傳動，經比較選擇，采用兩對角接觸球軸承和深溝球軸承。從高速軸到低速軸，選用的軸承分別為7307C、30210、30210，均為成組使用，面對面安裝。
5軸的校核計算
5.1高速軸受力分析
高速軸受力情況如下：
圖5.1 高速軸受力情況
水平受力分析:
對點取矩,則有
對點取矩,則有
垂直面受力分析:
對點取矩,則有:
對點取矩,則有:
5.2 中間軸校核計算
中間軸結構和受力分析圖如下:
中間軸材料選用40Cr調質, 。軸的彎曲應力校核步驟如下:
計算齒輪受力
齒輪Ⅱ所受的力():
圓周力
徑向力
軸向力
轉矩
齒輪Ⅲ所受的力:( )
圓周力
徑向力
軸向力
計算支承反力
水平面反力
垂直面反力
水平面受力圖,如f圖所示
垂直面受力圖,如h圖所示
畫軸彎矩圖
水平面彎矩圖,如g圖所示，圖
垂直面彎矩圖,如i圖所示，圖
合成彎矩圖,如j圖所示，合成彎矩
畫軸轉矩圖
軸受轉矩
轉矩圖, 當量轉矩圖，如圖k所示
許用應力
用插入法由表16.3,查得
應力校正系數
畫當量彎矩圖
當量彎矩:
在齒輪Ⅲ中間處
在齒輪Ⅱ(軸頭)中間處
當量彎矩圖,見圖l
校核軸徑
齒根圓直徑
軸徑
經檢驗軸所用尺寸合格。
中間軸安全系數校核計算如下：
以齒輪Ⅲ端面處危險截面為例進行安全系數校核。
對稱循環(huán)疲勞極限
脈動循環(huán)疲勞極限
等效系數
截面3-3上的應力
水平面彎矩
垂直面彎矩
合成彎矩
彎曲應力幅
彎曲平均應力
扭轉切應力
扭轉切應力幅和平均切應力
應力集中系數
有效應力集中系數
因在此截面處，有軸徑變化，過渡圓角半徑r=1mm，由和，從附錄表1中查出。
表面狀態(tài)系數 由附錄5查出
尺寸系數 由附錄6查出
安全系數
彎曲安全系數 設為無限壽命，，由式16.5得
扭轉安全系數
復合安全系數
經檢驗軸所用尺寸合格。
軸承驗算
6高速軸軸承驗算
查手冊 7307c軸承主要性能參數如下：
壽命計算
左邊軸承徑向力
右邊軸承徑向力
軸向力 ，方向向左
附加軸向力 查表18.4，可得
，
因，故左邊軸承被壓緊
軸承軸向力
X,Y值 ，故
，故
沖擊載荷系數 考慮中等沖擊查表18..8得
當量動載荷
軸承壽命 因，只計算軸承1的壽命
故高速級軸承滿足壽命要求。
靜載荷計算
X0、Y0 查表18.12，得，
當量靜載荷
安全系數S0 正常使用角接觸球軸承，查表18.14，得
計算額定靜載荷
(因)
許用轉速驗算
載荷系數
載荷分布系數
許用轉速N
均大于工作轉速1430r/min。
經檢驗該軸承合格。
致 謝
本論文是在楊世平老師的悉心指導和熱情關懷下完成的。在整個設計過程中，不僅在學業(yè)上得到了老師細致、耐心的教導和講解，使自己鞏固、完善了所學知識，并且治學嚴謹、塌實沉穩(wěn)的學風給人以深厚影響，在我的學習、待物中產生了積極作用，也使得本次設計能夠順利完成。
再此衷心感謝在這過程中幫助及指導過我的老師和同學，讓我開闊了眼界，增加了學識。
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湘潭大學興湘學院
畢業(yè)論文（設計）鑒定意見
學號： 2006183838 姓名： 沈超 專業(yè)： 機械設計及制造自動化
畢業(yè)論文（設計說明書） 29 頁 圖 表 4 張
論文（設計）題目： 自動墻壁清洗機設計
內容提要：根據任務書的要求，結構簡單，操作方便，投資小，成本低，安全可靠，工
作效率高，故選用，支撐纜繩，小型掛籠，升降機構采用類似卷揚機機構，工作部，
利用工作電動，，帶動清洗刷轉動，實現清洗功能。
卷揚機機構通過支撐纜繩和滑輪控制清洗機上下運動，水平式滑軌通過支撐纜繩和
滑輪控制清洗機左右運動，清洗機有單獨電機，通過經減速器減速和保護電機，帶
動清洗刷運行，從而實現清洗功能
指導教師評語
指導教師：
年 月 日
答辯簡要情況及評語
答辯小組組長：
年 月 日
答辯委員會意見
答辯委員會主任：
年 月 日
附錄1
專題：水射流清洗技術的研究現狀
摘要 近年來水射流清洗技術已在眾多領域得到廣泛的應用，并且取得了顯著的成效。本文主要介紹了水射流清洗技術的工作原理、特點及其應用現狀，并展望其發(fā)展前景和趨勢。
關鍵詞 水射流清洗技術 應用現狀 發(fā)展趨勢
Abstract In resent years, water jet cleaning technology has obtained extensive application in many fields, and results of its application are notable. This paper mainly introduces operating principle feature and current situation of application of water jet cleaning technology, then, describes its development foreground and trend.
Key words water jet cleaning technology current situation of application
development trend
水射流清洗是一項不斷發(fā)展的清洗技術，傳統(tǒng)的水射流清洗是延用至今的低壓大流量水射流沖洗，那時水射流清洗作業(yè)又稱為“水力剝層”。而高壓水射流清洗技術是水射流清洗技術的最新發(fā)展。由于世界各國對環(huán)境保護日益重視，高壓水射流清洗技術以其廣泛的通用性和對環(huán)境無害性在清洗行業(yè)異軍突起，備受清洗行業(yè)的表睞，應用日益廣泛。
1.高壓水射流清洗技術的工作原理和特點
高壓水射流清洗技術的工作原理是利用高壓水泵將普通水的壓力提高至40－250MPa，單槍流量約為20-39L/min，從噴嘴射出，形成超高壓水射流或磨料水射流，利用水射流的強大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，快速地將涂層、結垢，鐵銹和油漆去除干凈。在清洗時，可采用純水射流清洗和磨料水射流清洗兩種方式。采用純水清洗時，水射流的壓力很高，可采用旋轉噴頭，清洗速度快，設備簡單。采用磨料水射流清洗時，水射流的壓力相對較小，磨料為便宜的石莫砂，操作相對復雜。水射流清洗技術是射流技術和清洗設備組合在一起而形成的。磨料水射流是磨料與高速流動的水或者與高壓水互相混合而形成的液固兩相介質射流。磨料射流也稱為高效射流（也包括脈沖射流，空化射流等），分為后混合磨料射流，前混合磨料射流和外混合磨料射流。外混合磨料射流主要用于清洗。在清洗技術中實際應用的水射流大致可以分為三種類型：連續(xù)射流、脈沖射流和空化射流。連續(xù)射流又根據其周圍介質分為：淹沒射流和非淹沒射流，高壓水射流清洗使用非淹沒連續(xù)射流。水射流清洗的工作參數主要是射流的工作壓力和流量，其中，尤以壓力對水射流的影響顯著，只有當水射流的工作壓力達到一定值時，才能對材料造成破壞。提高水射流的沖蝕和切割效果的有力措施是適當地提高工作壓力，而要提高水射流的崩裂、剝離及沖運效果，則要在保證足夠壓力的情況下，增加射流的水流量。高壓水射流清洗裝置稱為高壓水射流清洗機主要由高壓柱塞泵、動力部分、噴嘴、高壓軟管及工作附件等組成。
2. 高壓水射流清洗的應用現狀
高壓水射流清洗是物理清洗方法中的一項重要的新技術，物理清洗技術是世界清洗技術發(fā)展的方向，而化學清洗只能適用于有限的清洗對象。通過多年的研究與實踐，越來越多的用戶開始尋找和轉向物理清洗方法。與傳統(tǒng)的手工、機械方法清洗、化學方式清洗相比，高壓水射流清洗具有如下優(yōu)點：
1． 選擇合適的壓力等級，高壓水射流清洗不會損傷被清洗機體。
2． 清洗過后的零部件不需要進行潔凈處理。
3． 能夠清洗形狀和結構復雜的零件，能在空間狹窄、復雜環(huán)境、惡 劣有害的場合進行清洗。
4． 清洗效率高、質量好，設備結構簡單，操作方便，安全可靠。
5． 易于實現機械化、自動化、便于數字控制。
6． 高壓水射流清洗是用普通自來水于高速度下的沖刷清洗，所以它不污染，環(huán)境，不腐蝕設備，不會造成任何機械損傷，還可除去用化學清洗難溶或不能溶的特殊垢。
由于高壓水射流清洗是利用水射流的打擊力將附著物清除掉，在水中不需加入任何化學藥劑。因此高壓水射流清洗技術范圍非常廣泛，幾乎遍及國民經濟的各個領域，被清洗物的形狀、大小和性質差異很大，清洗要求也各不相同。具體來說，在石油化工、電力、冶金等工業(yè)部門中得到廣泛的應用，可用于清洗容器，也可用于清洗各種設備、管道、煤氣管線及換熱器，還可用于清洗船舶上積附的海洋生物和鐵銹、鋼鐵鑄件上的清砂等。
水射流技術的清洗對象主要有：換熱器，包括列管式換熱器、管程換熱器、螺旋板式換熱器、蒸發(fā)器等；管道，包括各種輸送物料管、廢水、廢渣排放管、管網及管式干燒器等；容器，包括反應塔、缸、罐釜、沸騰槽、混合器、冷卻塔、槽車仍儲罐等，專業(yè)器材包括船舶、機場跑道、鉆桿、鉆具、機車、軋機和鋼鐵構件及陽極板等；其它設備包括過濾機板框、柵格板、水泥地板、排風機、送風管及大型零部件等，被清洗的物料包括各種類型的結垢、結晶、板結、附著物、反應成沉淀物料及涂料、油漆、油污等。近年來，高壓水射流清洗技術還要更深入、更廣泛的領域擴展、延伸。高壓水射流清洗火箭發(fā)動機，清洗飛機跑道、清洗50萬伏超高壓線路，清洗火炮筒壁等主面也都取得了一定進展。此處，高壓水射流技術非常適合核電站及核化條件清洗。對核電站的清洗，是保證核電站安全正常運行必不可少的重要工作。水射流清洗核電站技術優(yōu)于化學、機械等清洗方法，是目前最理想的清洗方法。在野戰(zhàn)條件下式軍事演習后對遭受核生化污染的人員、武器、技術裝備也可采用高壓水射流清洗。
3. 高壓水射流清洗技術的發(fā)展前景
采用先進的高壓水射流清洗技術，取代傳統(tǒng)落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗質量和清洗效率、降低成本、改善工作環(huán)境，避免污染。特別是近10年來，由于高壓往復式柱塞泵以及與配套的高壓軟管。高壓閥和旋轉接頭等輔助裝置的提高，性能的改善；國內外一些高壓水射流清洗技術的研究成果已逐步形成商品，應用的領域和范圍還在迅速擴大。
從整體上來說，水射流清洗產業(yè)的回化進程將加快，即向專業(yè)化、社會化、系列化和高級化方向發(fā)展，全能化和全程化服務水平不斷提高【1】。在工業(yè)清洗行業(yè)中，高壓水射流清洗技術將占絕對優(yōu)勢，是我國工業(yè)清洗的必由之路【3】。在高壓水射流技術設備自身實現可靠運行的前提下，提高智能化水平。高壓水射流、機器人與遠程控制系統(tǒng)的結合，將是高壓水射流清洗技術發(fā)展的必然趨勢。
參考文獻：
【1】 曹昊翔，張正學.水射流清洗技術應用現狀及其前景.長沙礦山研究建院50周年院慶論文集，2006.10
【2】 孫建勛，陳毅強，趙隕.高壓水射流清洗技術.管道技術與設備，
2001.2
【3】 辛承梁.高壓水射流的清洗功能.化學清洗，1992.
附錄2
水射流的數值模擬
摘要
計算流體力學的方法已經發(fā)展到找出在磨料－空氣－水噴射形成期間在管嘴處相遇的微粒和空氣的速度的分布情況。這項研究已進行了采用一種多相方法。磨粒被視為一個固體顆粒連續(xù)相。被用于抽取磨粒進入噴射裝置的空氣被視為一連續(xù)相，水被視為主要的連續(xù)相?；痉匠屉x散為采用有限體積方法。基本方程的解法是采用相間滑移算法。基本方程近似使用湍流模型。當空氣相集中于混合頻管的中心區(qū)域時，磨粒進入噴嘴和集中管，在這兩個地方微粒沿著無孔壁面分布、沿著管壁飄動。在集中管處，空氣相和水相的分布形式表明了一個可能的振動。采用不同的磨料進口角度和不同的磨料進口位置進行仿真模擬實驗。模擬的結果清楚地表明，磨料進口角度和位置對集中管出口處速度分布的影響。從模擬中發(fā)現最優(yōu)的磨料進口角度取決于磨料在混合室中的位置。當磨料進口位置靠近錐形部分，即混和空氣的較低部分時，較低的角度是有益的；當磨料進口位置靠近開孔口（節(jié)流口）的，即混合空氣的較高部分時，較高的角度是優(yōu)秀的。在出口處的空氣、水和磨料的速度和體積分數與可得到的試驗數據進行比較。模擬的結果顯示出與試驗數據很好的一致性。
1.引言
速度分布在磨料水射流精密切割中是非常重要的參數。找到水和磨料的速度的實驗結果已經采用不同的方法獲得。但是在實際情況下，磨料水射流包含三相的流動（水、空氣和固體）。大多數研究者已經進行了磨料和水的實驗，由于在集中管的出口處的空氣速度是難以測量的。
Scharner et al 在1998年根據磨料的流動頻率計算出空氣的流動頻率。從他們的研究論文可以清楚地知道，混合室的幾何形狀對空氣流動頻率有很大的影響。Abduka和 Crofton在1998年指出，在混合室內部的真空壓力隨著水壓力的增加而增加，而且也取決于孔口部位的直徑。Neusen et al 在1994年指出關于容積積位的磨料水射流是由大約4%至6%的水，0.2%至0.5%的磨料和93%至95%的空氣所組成。Tazibt et al在1996年指出磨粒吸收的空氣占磨料水射流多于百分之九十的體積，于是在磨料水射流中，空氣有很大的影響。有些作者已試圖模擬磨料水射流，但是他們僅考慮到兩相（水和固體）。JainYe在1996年也試圖模擬磨料水射流，他考慮到粒子運動和粒子運動的拉格朗日方程的軌線。他指出漸細的進口角度對在噴嘴出口的粒子聚集和運動的能量分布有著深遠的影響。J Ye和R Kovacevic在1999年也還模擬了水射流的兩相，在這兩個模擬中，他們采用了直接注射的磨粒水射流（磨粒射流）。在本篇文章中，鑒于傳統(tǒng)噴嘴三相射流的情況，我們已試著模擬磨料水射流。
用計算流體力學方法來分析磨料水射流對找出在磨料水射流形成期間存在的不同相的速度分布是十分有用的工具。軟件CFX-4被用于這些模擬。水和固體被認為是不可壓縮流，而空氣被認為是可壓縮流。
本文論述磨料水射流所模擬的存在于傳統(tǒng)噴射系統(tǒng)的三相和不同磨料進口角度及在混合室中的磨料進口位置。
2.數學模型
依據雷諾數，顯然磨料水射流是湍流。水通常是以高速通過節(jié)流口的，然而空氣和磨料是以相當小的速度流動。從高速水到低速的磨粒有一個能量轉移，從而影響了工件。因此，磨料射流的沖擊性能是沖擊微粒的總質量和他們在碰撞中的速度的一個參數。所有磨粒的平均速度是一個數量，這就必須決定提高截割頭設計。為了找出在噴嘴出口的速度分布采用模擬技術，水、空氣和固體系統(tǒng)需要被視為多相流。對穩(wěn)定狀態(tài)、湍流和關于熱傳遞也進行了模擬。在多相中水被視為主要相。模擬技術隨著湍流模型（湍流的動能和能量損耗）采用CFX-4軟件而得到改善。
2.1模擬方程
三相由希臘記號、和標記，它們分別代表水、空氣和固體，表示相的數目。每一相的體積分數被標記為。當模擬仿真采用柱面坐標系進行時，變量由三個分量，像，所有的三相用歐拉方法。
由連續(xù)性方程：
-------------------------------------------------- （1）
由動量方程：
------------------------（2）
這里，
----------------------------------------------------------------------（3）
和
-----------------------------------------------------------------------（4）
及能量方程（不可壓縮流）
-----------------------------（5）
其中是焓（熱函），，于是，狀態(tài)代數方程和每相的分量方程如下：
---------------------------------------------------------------------（6）
----------------------------------------------------------------------（7）
考慮到體積分數總和是1：
普遍對流損耗方程是：
--------------（8）
術語描述在和之間范圍的相間轉換。
。于是，所有的相間的轉換術語的總和是0。
體積分數方程：
------------------------------------------------（9）
其中
體積分數的湍流擴散采用Eddy擴散假說來模擬。假設在一個湍流相中參數為k和的運輸方程將以同樣的形式作為相對標量的對流損耗方程。
--------（10）
--------（11）
源術語被視為同它們的單相相似一樣，于是
--------------------------------------------------------------（12）
-----------------------------------（13）
其中P是剪切應力，并且G是由于內部力而產生的。
常數被設置為。
由于空氣被視為可壓縮流，其密度將隨著壓力的變化而變化，理想氣體定律：
-----------------------------------------------------------------------（14）
其中
用代碼存儲和解決的壓力P實際上是不同于熱力壓力p和固定參考壓力 .
2.2幾何和參數
柱坐標系是用來創(chuàng)建常規(guī)霧沬噴射的幾何。示意圖顯示在圖1中，對于三相流（水，空氣和固體）來說，環(huán)境被認為是在大氣條件。由那個原因額外的阻塞被創(chuàng)建，被當作大氣壓和100％空氣的壓力邊界。然而，水壓被視為276MPa，幾何尺寸和參數見表1。磨料進口角度和它的位置見圖2。
3．模擬仿真驗證
盡管模擬發(fā)展為三相，為了充分驗證理論結果，測量三相的速度是十分困難的。然而，在集中管出口處的速度分布已被Zoltani和Bicen在1990年所出版的一相流的實驗數據所證實。完全湍流，直徑25.4mm的兩相圓射流，20m/s的出口速度，包含1.5％的載荷密度的直徑為80μm的小珠在他們的測試中被檢驗。他們利用激光多普勒在出口少數幾個位置測量空氣和固體的速度，展現在圖3到圖5的結果表明，發(fā)展起來的數值模擬與實驗研究處于良好的量的一致性。
一些其它的實驗發(fā)現也被用來驗證模擬結果，這些實驗發(fā)現提供在出口處三相體積分數的測量法及提供對水、空氣和固體的分析。例如，Neusen et al在1991年使用X光掃描密度計來測量在出口處空氣、水和固體的體積分數。X光掃描器產生一束非常細的為0.125mm的X射線，它通過射流并且受包含在射流內的物質的相互作用而減弱。X－射線束的強度通過使用一個閃爍探測器而被測得。吸光系數接著被用來估計空氣、水和磨料的局部平均物質體積分數。他們使用范圍從207到345MPa的壓力，和從0.34到0.57kg/min的磨料流動率來測量4mm投射距離的體積分數。源于模擬的體積分數與這些實驗結果進行比較。在集中管出口處即0mm投射距離處；從模擬中獲取體積分數。在集中管出口處水的模擬體積分數在靠近壁處是更高的。這可能導致射流裝置可能的閃爍現象。比較的體積分數結果顯示于圖6.7.8中。
4.磨料進口角度和它的位置的影響
模擬被發(fā)展為在混合室中不同的磨料進口角度和它的位置。集中管出口處的速度分布在本節(jié)中被介紹。出口處的射流速度被發(fā)現取決于在混合室中的混合過程及磨粒加速過程中所花費的時間，也有從水到磨粒的動量轉移。對于傳統(tǒng)的噴射系統(tǒng)，模擬條件在表1中被給出。
對于精密切割，靠近中心軸線的射流速度是重要的，而且靠近射流中心位置的速度應該是最大速度。三個不同的磨料進口位置被使用為獲得最佳的進口位置（圖2）。磨料的中心距離距裝置的錐形部分是2.25mm。距混合室的較低部分分別為5.25mm和6.75mm的另外兩個磨料進口位置也被考慮。對于不同的磨料進口角度，空氣和固體將從在混合室、錐形部分和集中管中的不同位置彈回。表2說明了這些現象。
顯然，從表2中，如果進口角度在20.56°和55.56°之間，在距錐形部分為2.25mm的磨料進口位置，磨料將會擊中斜面。如果進口角度少于20.56°，那么它將擊中混合室。圖9表明了在集中管出口為不同磨料進口角度的水速。對于30°進口角度，水速被發(fā)現比沿半徑的其它水速要高。同樣，圖10和11顯示了不同的磨料進口角度的空氣和固體的速度。從圖9至圖11，顯然，對于30°磨料進口角度，由噴嘴的這種幾何輪廓射流速度才變成最大。但是如果幾何尺寸被改變，像混合室長度和直徑，錐形進口角度等，在最大射流速度，最佳磨料進口角度可能會改變。
在這里還應該提到，對于30°磨料進口角度，沿半徑方向的不同相的速度是不準確的模式。這暗示著在混合室內混合過程是不足夠得到在射流中心位置處的最大速度。圖12顯示了不同磨料進口角度的射流的平均速度。顯然，對于30°磨料進口角度（29°磨料進口角度也被使用為獲得一個精確的模式），射流的平均速度是最大的。圖13顯示了靠近中心軸線處水、空氣和固體的速度，并且能看出對于30°磨料進口角度，不同相的各自速度是最大的，而且遵循一個幾乎相似的模式。若是75°，三相的速度是相似的但不是最大。
下一步準備找出不同磨料進口角度對進口位置的影響。就圖12中所說明的結果而論，模擬技術被發(fā)展為不同的磨料進口角度（30°，45°和60°）和不同的進口位置。
新的磨料進口位置距錐形部分為6.75mm，模擬是采用為30°，45°和60°磨料進口角度進行的。一個附加的模擬被實施采用45°磨料進口角度，進口位置為5.25mm。對于精密切削，靠近射流中心區(qū)域射流速度應該是最大。圖14至16展示了在沿著半徑方向為30°磨料進口角度和兩個不同的進口位置的出口平面處的速度分布。盡管為以前的進口位置，卻獲得了一個更好的結果。但是如果45°進口角度，對5.25mm的進口位置來說，更好的結果會被獲得。這些結果展示在圖17，18和19中。但是如果是60°的磨料進口角度（圖20，21和22），當使用6.75mm的磨料進口位置，更好的結果會被找到。于是，顯然，對于靠近孔口或者混合室的較高面的進口位置，一個更高的角度是最佳磨料進口角度。對于磨料進口角度的較高位置，速度分布圖顯示了最大速度是在射流中心線的附近。
5.結論
如果磨料進口位置接近錐形部分即混合室的底部，當考慮到射流的最大速度時，一個較低的角度將是最佳的磨料進口角度。
如果進口位置朝著孔口方向改變（即混合室的較高位置），一個較高的磨料進口角度將是最佳的。一個磨料進口角度的較高位置即靠近孔口速度分布圖，表明射流的最大速度是在中心軸線附近。這也在混合室中，混合過程是最佳的，于是射流的閃爍現象減至最低限度，因此精密射流切割能夠實現。
6．致謝
編者們要感謝澳大利亞研究咨詢委員會支持本項工作（作品）。
7．參考文獻（略）
8．學術用語
B 內部力 c相間術語 C常數 D集中管直徑 F內部相非阻力 G基于內部力的產品 h熱力學焓 H總焓或狀態(tài)焓 k動能
相的總數 p熱力學壓力 P壓力/剪切應力 參考壓力
r半徑 R普遍氣體常數 S源術語 t時間 T溫度 U速度 射流速度 W分子量 x出口距離 柱面坐標
錐形進口部分計算角度 磨料進口角度 物理性質 密度 湍流普蘭特爾數 湍流動能損耗 導熱系數 分子黏度 湍流黏度 渦流渦流擴散系數
下標（腳碼、索引）
a空氣 P磨粒 w水 T湍流 、、相
符號
d阻力 h熱轉移 T張量
9.表格
表格1. 模擬條件
噴嘴尺寸
孔口直徑 0.33mm
混合室直徑 6mm
混合室長度， 12mm
錐形進口角度
集中管直徑， 1.27mm
集中管長度 75mm
磨料進口直徑 3mm
水的密度
空氣密度
磨料密度
磨料直徑
進口條件
水壓
氣壓
磨料質量流動率
空氣流動率
磨料進口角度
表格2
距錐形管距離(mm)
角度范圍（空氣和磨料將擊中斜面）
角度范圍（空氣和磨料將通過集中管）
2.25
5.25
6.75
10.圖
圖1，磨料水射流噴嘴示意圖 圖2，混合室中的網格和板型
圖3，空氣速率 圖4，固體粒子速率
圖5，水的速率 圖6，水的體積分數
圖7，磨料的體積分數 圖8，空氣的體積分數
圖9，集中管出口處沿半徑方向的水速
圖10，集中管出口處沿半徑方向的空氣速度
圖11，集中管出口處沿半徑方向的固體速度
圖12，不同磨料進口角度的射流平均速度
圖13，不同磨料進口角度的射流中心線附近的相的速度
圖14，兩不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖15，兩不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖16，兩不同位置處磨料進口角度的固體速度
圖17，三個不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖18，三個不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖19，三個不同位置處磨料進口角度的固體速度
圖20，兩不同位置處磨料進口角度的水的速度
圖21，兩不同位置處磨料進口角度的空氣速度
圖22，兩不同位置處磨料進口角度的固體速度
附錄3
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