水切割機的水射流壓力和流量覆蓋范圍很廣,形式也多種多樣,因此它的應用也就非常廣泛,甚至滲透到風馬牛不相及的各個領域。我們就以壓力這條主線來簡要地談一下水射流的應用。
低壓水射流所用的主機大都是離心泵,它的流新相對很大,除了常見的消防、噴泉、噴罐等用途外,這里著重介紹一下新的用途。
噴泉看似很傳統,但它的推陳出新形成了對低壓水射流難以解開的謎。瑞士日內瓦湖的噴泉以其噴射高度達160多米成為世界最高噴泉。它的水上水柱質量達7t。射流質自噴出至最高點再落下一個行程需16s。其主機由兩臺1320kW的大型離心泵并聯組成·流量達5OOL/s。該噴泉的壯麗景觀已經成為日內瓦市的象征,難怪美國欲與瑞士合作將其移植。日內瓦人幽默地回答:如果世界各地都有這樣的噴泉,那么日內瓦就不叫日內瓦了。盡管如此,沙特阿拉伯的吉達市海濱、澳大利亞堪培拉的格里芬湖、美國圣路易斯市都出現了類似的高射程噴泉,我國已有了這類奇觀。如何增加噴射高度巳成為噴泉的技術奧秘了。水幕電影是噴泉的一種新形式,即通過特殊的噴頭形成高達50m左右的均勻薄平的巨型水幕,在該水幕上放映激光電影,達到白天無影無蹤,夜間神奇入畫的效果。這是加拿大首先開發應用的新技術,用作廣告媒體和旅游景觀也是別出心裁的。
水射流用于消防也很傳統,水霧滅火則是一種新的方法,它以水霧取代大流量水柱,即采用lOMPa高壓泵通過噴射系統產生小于0.1mm直徑的水霧水柱,細小水珠蒸發起到迅速制冷作用。在蒸發過程中水珠體積擴大1600倍,以隔絕燃燒物體處的氧氣,達到滅火目的。水霧滅火特別適用于帶電區域的火災,而這類火災則很難使用連續水射流。同時,高壓小流量的水霧滅火較常用的水龍頭滅火節水近90%。
大流量水射流的沖擊泥土作用有這樣一個實例:在1973年埃以戰爭期間,以方為保證24h內橫穿運河修建數座橋梁,在巴列夫防線的部分區域堆起巨沙屏障,試圖阻滯埃及坦克部隊48h。要搗毀這座沙墻,使坦克能穿行過去,按正面豁口寬6. 8m計算,要求排除約55m的黃沙。在東堤通過坦克部隊需打出約60處這樣的豁口,若使用推土機則需要10-12h,然而埃方采用了高壓水射流僅用不到5h就打開了豁口,破壞了巴列夫防線,為其軍隊贏得成功。所示為水射流應用參數性能框圖。
高壓水射流應用于船舶除銹和工業清洗已很普遍,將在以后章節專題討論。在水射流中,適用范圍最廣的就是高壓水射流,其壓力范圍在10-100MPa,壓力上限現已擴展到250MPa。這個壓力區間的特點是隨著機組功率的增加,由單機轉變為成套裝備,由簡單作業(如清洗)
轉變為復雜作業(如開采煤礦等),因此本書的主要內容也就是闡述高壓水射流技術。
高壓水射流的另一應用就是破碎,可用其在材料上開槽,近十年發展到機械輔助剝除大量材料。目前,幾乎在所有情況下,設備的研究已經集中在設計好的噴嘴,以及可靠的旋轉噴頭和旋轉接頭(它們可大大提高水射流束在物件表面上的移動速度)。破碎功能應用于機場跑道除膠、橋梁維修、煤層開采,輔助掘進、公路破壞、大壩澆注沖毛等等。
超高壓水射流有2種主要形式:即壓力范圍在200-400MPa,借助連續介質流的形式,此間流量多在2-6L/min;而當壓力達700MPa甚至更高時,其裝置則為單擊水炮形式。超高壓水炮裝置由聚集的大量高壓壓縮氣體(氮氣或空氣)提供驅動壓力,在水炮擊發前,或借助點火引爆,或借助推進物沖擊炮筒,使其能量突然爆發。由于射流炮筒的超高壓水切割設備與工藝是近10年來各國水射流行業的發展熱點,從歷次國際水射流會議論文來看,水切割技術由風毛麟角發展為主導內容,隨著水切割設備與工藝的商品化,水切割應用已滲透到許多工業領域。200-300MPa的連續運行射流切割系統,比其他許多切割工具更加令人滿意。其特點是對材料無選擇性、切縫窄(0 3mm)、質量好、不破壞材料內部組織、能進行二維與三維異形切割。
水射流在70MPa壓力下的流速約為300m/s,當壓力達到超高壓時,流速可望達到1000m/s。這樣就可實現很高的切割速度。水切割一旦實現很高的壓力、很小的流量作業就意味著工作臺位上的作用力很小,這就使得切割噴嘴很容易安裝在機器人手臂上,實現計算機控制下三維復雜形狀的高精度切割。
水切割對材料的無選擇性極為重要,也就是說它既能切割剛性的金屬板材,又能切割柔性的布匹紙張。人們還曾用油作工具切割軟糖。然而,純水射流的切割應用受到了壓力的局限,一味地升高壓力又意味著設備可靠性難以保證,且不容易實現,從而也就有了磨料水射流的20年發展史。用200MPa以上的射流壓力引射磨科,在短靶距時可很好地用于切割,這就為明顯降低水切割機射流壓力,使其技術可靠地進入商品化創造了條件。