玻璃清潔機器人吸附機構設計【說明書+CAD】

玻璃清潔機器人吸附機構設計【說明書+CAD】,說明書+CAD,玻璃清潔機器人吸附機構設計【說明書+CAD】,玻璃,清潔,機器人,吸附,機構,設計,說明書,仿單,cad 江西農業(yè)大學畢業(yè)設計(論文)任務書 設計（論文） 課題名稱 玻璃清潔機器人吸附機構設計 學生姓名 沈華平 院（系） 工學院 專 業(yè) 機械設計制造及自動化 指導教師 饒洪輝 職 稱 講師 學 歷 博士 畢業(yè)設計（論文）要求： 1熟練掌握AotoCAD和Pro/E繪圖。 2對機械原理，機械設計具有較深入的理解和認識。 3具有創(chuàng)新型設計思想。 4結構簡單緊湊，運行可靠。 畢業(yè)設計（論文）內容與技術參數： 內 容：1用AotoCAD軟件設計玻璃清潔機器人的驅動機構和擦洗機構。 2編寫論文說明書。 技術參數：長L=150mm， 寬B=100mm； 厚H=40mm， 壁厚h=10mm； 設計行程為s=50mm 活塞厚d=30mm， 桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm 畢業(yè)設計（論文）工作計劃： 3月中旬至4月中旬；總體規(guī)劃設計，驗證設計原理的可行性。 4月中旬；用Pro/E畫出總體的立體圖。 4月中旬到5月初；用AotoCAD繪出機械結構圖。 5月中旬；撰寫畢業(yè)設計說明書。 5月中旬；制作PPT 接受任務日期 年 月 日 要求完成日期 年 月 日 學 生 簽 名 年 月 日 指導教師簽名 年 月 日 院長（主任）簽名 年 月 日 編 號 20050365 江西農業(yè)大學 工學院 畢業(yè)設計材料 題 目 玻璃清潔機器人驅動及擦洗機構設計 專 業(yè) 機械設計制造及其自動化 學生姓名 俞建峰 材 料 目 錄 序號 附 件 名 稱 數量 備注 1 畢業(yè)設計說明書 1 2 CAD圖紙 8 3 畢業(yè)設計任務書 2 二〇〇九年五月 江西農業(yè)大學畢業(yè)論文v課題名稱：玻璃清潔機器人吸附機構設計v專業(yè)：機械設計制造及其自動化v指導教師：饒 洪 輝v姓名：沈 華 平v專業(yè)班級：機制051v 2009年5月目錄前言機器人總體方案設計吸附方案選擇吸附力分析總結前言課題的研究背景發(fā)展狀況市場需求總體結構圖總裝圖吸附方式磁吸附：吸附方式只適合在導面上吸 附，對壁面要求嚴格負壓吸附：適用面廣，不受壁面材料限制 壁面適應能力強和運動速度 快等優(yōu)點螺旋槳推壓：噪音大，體積大 選用負壓吸附負壓吸附真空泵式抽氣：噪音小，壁面光潔度幾 透氣性要求高風機式抽氣：噪音大，體積大射流器式抽氣：使用面光，壁面材料要求小；適用能力強，運動速度快吸盤結構簡圖原理圖課題的研究背景發(fā)展狀況市場需求材料選擇選擇 聚酰胺PA-66;抗拉強度5783MP;抗壓強度90120MP;抗彎強度60110MP;密度為1.141.15這種材料可用于汽車，機械等零部件.吸附力計算外形尺寸選擇長L=150mm，寬B=100mm；厚H=40mm，壁厚h=10mm；設計行程為s=50mm活塞厚d=30mm，桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm水泵選擇v設定速度u=5mm/svQ=0.005X0.08X0.03=0.72升/分vQmax=2X7.2=1.44升/分 水泵參數 型型 號號 最大最大 流量流量L/min 最高最高 揚程揚程 m 最大輸最大輸 出壓力出壓力 MP進出口進出口 內內徑徑 mm工作工作電流電流 A 工作工作 電壓電壓 VASP5526 2.6 55 0.55進水口6，出水口10=2.2 12其他機構選擇吸盤與玻璃間密封機構：鋁片和橡膠片組成；閥的選擇：o型三位四通電磁換向閥；直動型溢流閥.總結v通過畢業(yè)設計，發(fā)現了以往學習中存在的許多不足，從中自己學到了很多新的知識，但畢竟能力有限，設計中難免存在許多不足，許多地方還有待完善v 最后，感謝指導老師的耐心輔導，并非常高興能得到各評委老師的點評指正謝謝！衷心祝愿各位老師工作順利、生活愉快！玻璃清潔機器人吸附機構設計 學校代碼：10410 序 號：20050383 本 科 畢 業(yè) 設 計 題目： 玻璃清潔機器人吸附機構設計 學 院： 工 學 院 姓 名： 沈 華 平 學 號： 20050383 專 業(yè)：機械設計制造及其自動化 年 級： 機制051 指導教師： 饒 洪 輝 二OO九年 五 月 摘 要 高樓玻璃幕墻清洗機器人是特種機器人的一個分支。它是基于壁面移動機器 人技術，并針對具體的作業(yè)對象，具有明確功能的實用機器人，其工作在垂直危 險的玻璃壁面，能夠克服重力的作用，攜帶清洗設備，是面向現代高層建筑玻璃 外墻表面保潔、清洗服務的極限作業(yè)機器人。 論文首先對機器人總體方案進行介紹，提出了分層次規(guī)劃的體系結構。在此基礎上，對機器人總體結構進行了設計分析，并應用有關計算理論和計算軟件進行了主要參數設計和關鍵部件的結構設計，討論了機器人的作業(yè)路徑,運動控制規(guī)劃及吸附機構的設計，最后，應用Pro/ENG三維軟件針對所設計的機器人建立了三維實體模型。 關鍵詞:玻璃幕墻清洗，機器人，運動分析 ABSTRACT Glass-wall cleaning robot is one of robot for limited operation,which can walk on Vertical glass-wall with washing devices.It is a robot with specific applied functions,Based on wall-climbing robot techniques.for specific objects.And it works on vertical Glass-wall,where is dangerous for human beings.It is a robot could conquer the gravity effect and carry cleaning equipments,facing to glass-wall surface beautifying service of modern high-rise buildings. Firstly, the whole frame of the glass wall cleaning robot is introduced, and theLevel-based planning is discussed also. Based on this, the designing and analyzing Of the structure of the robot are described in details,the main parameters designing and structure designing of the key parts are also processed by using some of correlative calculating theories and soft .Then,mission-oriented and local motion planning are discussed.At last,three-dimensional model of the robot are established by Means of Pro/ENGINEER,soft. Key words:Glass-wallcleaning robotvacuum adsorption system 目錄 摘 要 2 ABSTRACT 2 1前 言 3 2機器人總體方案規(guī)劃 4 2.1 機器人設計思想 4 2.2外形尺寸選擇 6 3 吸附機構 6 3.1吸附方式 6 3.1.1吸附方式選擇 7 3.1.2吸盤結構簡圖 7 3.1.3機器人控制原理圖 8 3.2吸附力分析 9 3.2.1 材料選擇 9 3.2.2吸附力計算 10 3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計算 10 3.3其他機構的選擇 11 3.3.1射流器選擇 11 3.3.2水泵和水管的選擇 12 3.3.3密封機構 12 4 總 結 14 參考文獻 15 致 謝 16 1前 言 在現代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現代都市中一道亮麗的風景。在建筑業(yè)，由于玻璃的采光性好，保溫防潮性能好，彩色玻璃實用美觀，高層建筑的外壁越來越多地采用玻璃幕墻結構，但是為了保證建筑外觀的整潔美麗，時間一長，就需要對壁面進行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應對高樓清洗若干次。 目前高層建筑玻璃幕墻的清洗方法主要有兩種，一種是靠升降平臺或吊籃承載清潔工進行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強度大，工作效率又低，屬于高空極限作業(yè)對人身安全及玻璃壁面都有很大的威脅性。另一種是用安裝在樓頂的軌道及吊索系統(tǒng)將擦窗機對準窗戶進行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達數百萬元)，而且要求在建筑物設計之初就要考慮擦窗系統(tǒng)，因而限制了其使用，因此急需一種能代替人而又有一定靈活性和適用性的自動機器來完成這項工作，而且玻璃幕墻一般面積較大，大多處于幾十米甚至上百米的高處，且周圍無可攀援的支架，這就使得玻璃幕墻的清洗成為一項繁重、危險、耗資的工作。如果用人去清洗，不僅花費高，而且安全難以保證。特別是目前一些國家和地區(qū)已經通過立法對包括擦窗作業(yè)在內的人工高空攀爬進行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。 高層建筑清洗機器人正是在這種背景下應運而生。它的出現將極大降低高層建筑的清洗成本，改善工人的勞動環(huán)境，提高生產效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當的社會效益、經濟效益。因此，國內外多家研究機構都在積極開展此項研究工作。 2機器人總體方案規(guī)劃 2.1 機器人設計思想 機器人是傳統(tǒng)的機構學與近代電子技術相結合的產物，是計算機科學、控制論、機構學、信息科學和傳感技術等多學科綜合性高科技產物，它是一種仿人操作、高速運行、重復操作和精度高的自動化設備。所以該氣動清洗機器人系統(tǒng)包括機械結構、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅動系統(tǒng)、控制系統(tǒng)等幾部分。 由于我們所開發(fā)的清洗機器人工作場所的特殊性，本課題在機器人結構上的設計思想是:在保證機器人功能的前提下，力求結構簡單、可靠性高、運行穩(wěn)定。 因為爬壁機器人在行進過程中需要克服自身重力，所以較輕的機器人本體結構 是一個需要著重考慮的設計因素。增加機器結構的靈活性，導致的結果是機械結 構變得復雜，需要使用到的機械元器件增多，重量必然增加，同時控制的復雜性 也增加。 高樓幕墻清洗機器人是一種爬壁機器人，因此，它必須具備兩大功能：負壁和移動功能。 在本機器人系統(tǒng)中，考慮到機器人要有清洗功能，我們就到了水作為清潔劑來清洗，在提供水的過程中，我們又把它當做動力源，可以說只要有水就能讓它工作。因此我們主要考慮到了用水射流式清洗機器人。 水射流式清洗機器人，巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經射流發(fā)射器時產生的負壓來控制吸盤，機器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現已有的機器人那樣，需要帶上一個大大的氣泵。再利用水流經射流發(fā)射器產生的被壓來推動活塞桿，實現機器人的爬行驅動。 為此，我們在結構上采用了2個帶活塞桿吸盤互相運動，來實現機器人的一直往前爬行運動，而避免只有一個活塞吸盤能實現的往復運動。在再整體結構上帶上2個拖把，隨著機器人的移動而移動來擦洗玻璃。結構如圖1 這種結構的該機器人，總體來說，具有如下特點： 1，模塊化設計，整個外形由同一種高分子有計劃和工程材料組成，便于連接和控制。 2，結構簡單緊湊，重量輕，同一動力實現吸附和爬行運動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調控制。 圖1 外形圖 2.2外形尺寸選擇 因吸盤帶有活塞桿，我們把吸盤設計成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設計簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負壓大，重量輕，保證機器人牢牢吸附在玻璃上。則所選尺寸如下： 長L=150mm， 寬B=100mm； 厚H=40mm， 壁厚h=10mm； 設計行程為s=50mm 其它尺寸選擇：活塞厚d=30mm， 桿截面取矩形，長l=30mm，寬b=15mm 兩個拖把直接連接在吸盤的外壁上，體積與整體結構相配合，重量輕。 3 吸附機構 3.1吸附方式 3.1.1吸附方式選擇 爬壁機器人最主要的一個特點是機器人可以克服重力作用，在一點傾斜度，垂直或倒立的壁面上具有靜止及移動的能力。目前爬壁機器人吸附方式主要包裹磁吸附，負壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現了膠吸附，仿壁虎足的干吸附，仿蝸牛的濕吸附，類攀巖抓持吸附，該類吸附方式只適合在導磁面上吸附；低真空度負壓吸附采用風機旋轉將負壓腔內的空氣抽出產生負壓來吸附，具有一定的壁面適應能力，但存在噪音大，體積大的缺點；高真空度負壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內產生一定得真空度，其具有噪音小，易于小型化集成的優(yōu)點，但對壁面的光潔度及透氣性有較高的要求；螺旋槳推壓靠合理布置螺旋槳的角度，利用螺旋槳旋轉產生的推力將機器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點。由于負壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負壓真空吸附的爬壁機器人具有壁面適應能力強和運動速度快等優(yōu)點，因此目前負壓吸附在爬壁機器人中得到廣泛的應用。 真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設計要求需要清潔水擦玻璃，固采用水射流式抽氣吸附。這種方案前面已經提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經射流器力射流泵提供的動力，再把水經噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內外形成負壓，把吸盤吸住。 水主要是往兩側噴，避免水噴在中間的路徑上影響機器人的吸附和運動，而且，機器人的拖把也固定在兩側，噴完水后，水正好配合運動過程中的擦洗功能。 3.1.2吸盤結構簡圖 由于吸盤也是機器人運動時類是于液壓缸機構，其結構圖如圖2所示： 它是長方形吸盤，工作時最多只有一半用來射流噴水產生吸附，實現機器人的吸附功能。 圖2 吸盤結構簡圖 3.1.3機器人控制原理圖 機器人的吸附與運動機構都要水的參與，工作過程如下： 1：2YA通電，工作腔1沖水，滿后，2YA斷電，與此同時，1腔里的水經射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。 2：此時，4YA通電，3腔進水，滿后，1YA通電，使2腔進水，推動活塞桿a向前移動，拉動吸盤B往前移動，活塞至中間位置后，壓下行程開關。 3：此時，1YA，4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經水射流發(fā)射器噴水，產生負壓，吸住吸盤B. 4：此時，2YA通電，1腔進滿水后，3YA通電，使4腔進水，推動活塞桿b前進，使其推動吸盤A前進，活塞桿至中間位置后壓下行程開關，2YA，3YA斷電，此時1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實現機器人的爬行運動。 圖3 機器人控制原理圖 3.2吸附力分析 3.2.1 材料選擇 要實現機器人的吸附和運動，在吸附力面積有限，而又有水的自身重力的情況下，保證機器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機器人所必須的強度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機器人的整體材料。 今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或綿綸），根據機械工程材料表9-2， 選擇 PA-66,它的抗拉強度為57~83MP，抗壓強度為90~120MP，抗彎強度為60~110MP，密度為1.14~1.15。這種材料可用于汽車，機械等零部件。 3.2.2吸附力計算 要保證機器人不沿壁下滑，則 FminG（G=G+G) 要保證機器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時，機器人還不會掉下，因此： 當 Amin=0.05×0.08=0.004m Fmin=Pc×0.004 假設Pc=P0時，即腔里完全真空。 Fmin=Pc×0.004=P0×0.004=400N =0.2，Fmin=400×0.2=80N 此時，G=gv=3×1.0×10×0.05×0.08×0.03=0.36N 3.2.3系統(tǒng)抗傾覆計算 機器人結構材料的密度小，整體體積不是很大，所以重量小，加上水后所產生的總重力也遠小于摩擦力。 該機器人，不僅要求在結構上采用盡量簡單的結構來減輕機器人的本體量，同時機器人還有一個重要的基本功能就是運動。因此怎樣保證機器人的運動過程中的動態(tài)負載能力和平衡，這對于機器人本體的安全運行非常的重要。機器人在壁面上移動時,都是通過兩個類是活塞缸的洗盤提供的吸力來維持機器人在壁面移動時力的平衡。結合這一簡單結構的特點，機器人在運動時，其力的示意圖如圖4所示: 其中F代表機器人在壁面行走時由一個吸盤提供的最小吸力，G代表機器人的本體重力，N代表位于壁面下端的一個吸盤在移動過程中墻壁對它的支持力。由圖4知，系統(tǒng)最容易以A點為中心發(fā)生傾覆，因此，以A點為中心，建立系統(tǒng)的力矩方程，使機器人能穩(wěn)定可靠的在壁面上行走和工作，就必須滿足式3的要求: （1） 式中: 為真空吸盤產生的力矩，為系統(tǒng)重力力矩。 圖4 由式1知，為了使機器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應該增加吸盤的吸力，同時增加其力臂Ll。另外，在減輕機器人本體重量的同時，應該減小其作用力臂L2。這也是我們進行總體方案設計時所遵循的一個重要原則。 而本設計的機器人由于吸附力F大于重力G很多，且L1>L2,機器人有很好的抗顛覆能力，保證機器人不會因為翻轉而掉下。 3.3其他機構的選擇 3.3.1射流器選擇 由于機器人采用水射流式吸附方式，故必須選用射流器噴水，把吸盤里的空氣帶走，產生負壓，使機器人緊靠在玻璃上。由于1秒的時間里要把吸盤里的水噴完。它的主要部分是由帶噴頭的射流泵組成，外形有兩出水口，經這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。 其結構簡圖如圖5示： 圖5 射流器結構圖 3.3.2水泵和水管的選擇 設定推動活塞桿的速度是u=5mm/s 它所需流量Q=0.005X0.08X0.03=0.000012m/s=0.72升/分 兩管同時進水時流量Q=2X7.2=1.44升/分 今選用水泵參數如下表所示： 型號 最大流量 最高 揚程 進出口 內徑 工作 電流A 工作 電壓V 最大輸出壓力 ASP5526 2.6L/min 55米 進6出10 <=2.2 12 0.55MP 由于元件有6mm和8mm的通徑或者內徑。選用內徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。 3.3.3密封機構 由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機器人在移動過程中就必須實現吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機構要有一定的防泄漏能力，為此，設計一種密閉結構安裝在矩形吸盤的四周，它由鋁片和橡膠片組成。如圖6 圖6 密封裝置簡圖 不但吸盤與玻璃壁之間要有密封機構，活塞與吸盤之間也要有密封，選用型密封圈，因為它具有良好的密封性能，耐高壓，壽命長，通過調節(jié)壓緊力，可獲得最佳的密封效果。主要用與活塞桿的往復運動密封。 4 總 結 目前高樓玻璃幕墻清洗機器人在我國應用還基本上沒有展開，而國外已經開始投入具體實際應用。我國在這方面的研究大多只是應用在試驗室階段，并沒有具體作為產品推廣。如我們平時所看到的新聞也只是介紹有一款機器人可以用來擦玻璃，但它還是處于試驗運行階段，并沒廣泛推廣，而國內目前絕大多數高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，。因此，國內清洗機器人有十分廣闊的應用前景，盡快研制出一種能真正投入實際應用的清洗機器人就顯得十分必要。 本文針對國內高樓玻璃幕墻的清洗現狀，結合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體 工作環(huán)境，開發(fā)設計出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機器人，該清洗機器人具有結構新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點。 本文主要進行了以下幾個方面的工作并得出了結論: 1，設計出了一個完整的水射流式清洗機器人系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括結構設計、驅動系統(tǒng)設計、真空吸附系統(tǒng)設計等幾個部分，并對系統(tǒng)的一個步距的運動進行了分析，全面了解了這種機器人的結構和功能。 2，與傳統(tǒng)的機器人體積大，結構復雜，需要配備一個大大的氣泵相比，本機器人充分運用水的功能，既作為清潔劑，又是動力源。 3，對系統(tǒng)中的主要元器件進行了參數設計及選型，并詳細介紹了其主要性能參數。 4，對機器人作業(yè)中的具體行走路徑進行了規(guī)劃，并對整個機器人的吸附和運動的液壓控制原理進行了分析和研究，來保證機器人的正常工作。 參考文獻 [1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機器人發(fā)展趨勢淺析.引進與咨詢.2002.4 [2]陳沛富.玻璃幕墻清洗機器人設計研究.重慶大學碩士學位論文.2006.5 [3]宗光華.高層建筑擦窗機器人.機器人技術與應用.1998:20 [4]楊其嘉.機器人清潔工現狀及未來.環(huán)境導報.1994.3 [5]吳仲治，李開生，王巍，宗光華.靈巧擦窗機器人速度跟蹤控制系統(tǒng).制造業(yè)自動化.Vol23.No.4;2001:2卜30 [6〕張兆君，周廷武，宗光華.擦窗機器人在高層建筑清洗中的應用.建筑技術.2001.9 [7]蔡立群.窗玻璃清洗機器人.住宅科技.1994.11 [8]邵浩，趙言正，王炎，劉淑霞，劉淑良.用于玻璃幕墻清洗作業(yè)的爬壁機器人系統(tǒng).制造業(yè)自動化.2000.2 [9]譚建榮，張樹有，陸國棟，施岳定.圖學基礎教程.高等教育出版社.2004.10 [10]于永泗，齊民.機械工程材料（第七版）.大連理工大學出版社.2007.2 [11]陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學出版社.2005.3 [12]楊明忠，朱家誠.機械設計.武漢理工大學出版社2006.12 致 謝 本學位論文是在我的導師饒洪輝老師的親切關懷和悉心指導下完成的。她嚴肅的科學態(tài)度，嚴謹的治學精神，精益求精的工作作風，深深地感染和激勵著我。從課題的選擇到論文的最終完成，饒老師都始終給予我細心的指導和不懈的支持。在設計過程中，我翻閱了很多專業(yè)方面的資料，并充分利用校圖書館的資源。半年以來，我遇到了很多專業(yè)方面的問題，我認真思考，而且不斷和同學討論一起解決，同時我的導師饒老師給我提出了很多寶貴的意見，為論文進一步的完善提供了許多幫助。 雖然設計的過程是漫長而且辛酸的，但在導師的幫助下，我克服了許多困難，學到了很多東西，包括課堂當中沒有涉及到得內容。這次設計使我樹立了面對困難，并勇于解決問題的信心。十分感謝導師給我的大力支持和精心指導。 最后，我向所有參加答辯的老師致意，感謝你們在百忙之中抽出時間來參加我的畢業(yè)設計答辯，對此我表示真摯的謝意！ 16 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?；痉匠痰慕夥ㄊ遣捎孟嚅g滑移算法?；痉匠探剖褂猛牧髂Ｐ?。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