玻璃清潔機(jī)器人吸附機(jī)構(gòu)設(shè)計【說明書+CAD】

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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(jī)器人總體方案規(guī)劃 4 2.1 機(jī)器人設(shè)計思想 4 2.2外形尺寸選擇 6 3 吸附機(jī)構(gòu) 6 3.1吸附方式 6 3.1.1吸附方式選擇 7 3.1.2吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 7 3.1.3機(jī)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(jī)構(gòu)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(jī)構(gòu) 12 4 總 結(jié) 14 參考文獻(xiàn) 15 致 謝 16 1前 言 在現(xiàn)代都市中，高層建筑越來越多，各種各樣的摩天大樓成為現(xiàn)代都市中一道亮麗的風(fēng)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(jié)構(gòu)，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(jìn)行清洗，以美化市容市貌。許多開放性城市都規(guī)定，每年應(yīng)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(jìn)行玻璃幕墻的清洗，雖簡便易行，但勞動強(qiáng)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?shù)能壍兰暗跛飨到y(tǒng)將擦窗機(jī)對準(zhǔn)窗戶進(jìn)行自動擦洗。這種方式初次投資成本較高(高達(dá)數(shù)百萬元)，而且要求在建筑物設(shè)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(jī)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(jīng)通過立法對包括擦窗作業(yè)在內(nèi)的人工高空攀爬進(jìn)行了限制，人們不得不尋找其它解決辦法。 高層建筑清洗機(jī)器人正是在這種背景下應(yīng)運而生。它的出現(xiàn)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(chǎn)效率，也必將極大地推動清洗業(yè)的發(fā)展，帶來相當(dāng)?shù)纳鐣б?、?jīng)濟(jì)效益。因此，國內(nèi)外多家研究機(jī)構(gòu)都在積極開展此項研究工作。 2機(jī)器人總體方案規(guī)劃 2.1 機(jī)器人設(shè)計思想 機(jī)器人是傳統(tǒng)的機(jī)構(gòu)學(xué)與近代電子技術(shù)相結(jié)合的產(chǎn)物，是計算機(jī)科學(xué)、控制論、機(jī)構(gòu)學(xué)、信息科學(xué)和傳感技術(shù)等多學(xué)科綜合性高科技產(chǎn)物，它是一種仿人操作、高速運行、重復(fù)操作和精度高的自動化設(shè)備。所以該氣動清洗機(jī)器人系統(tǒng)包括機(jī)械結(jié)構(gòu)、運動規(guī)劃、傳感器系統(tǒng)、驅(qū)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(jī)器人工作場所的特殊性，本課題在機(jī)器人結(jié)構(gòu)上的設(shè)計思想是:在保證機(jī)器人功能的前提下，力求結(jié)構(gòu)簡單、可靠性高、運行穩(wěn)定。 因為爬壁機(jī)器人在行進(jìn)過程中需要克服自身重力，所以較輕的機(jī)器人本體結(jié)構(gòu) 是一個需要著重考慮的設(shè)計因素。增加機(jī)器結(jié)構(gòu)的靈活性，導(dǎo)致的結(jié)果是機(jī)械結(jié) 構(gòu)變得復(fù)雜，需要使用到的機(jī)械元器件增多，重量必然增加，同時控制的復(fù)雜性 也增加。 高樓幕墻清洗機(jī)器人是一種爬壁機(jī)器人，因此，它必須具備兩大功能：負(fù)壁和移動功能。 在本機(jī)器人系統(tǒng)中，考慮到機(jī)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(dāng)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(jī)器人。 水射流式清洗機(jī)器人，巧妙地把供水，供能，抽氣整合為一體。利用清潔水流經(jīng)射流發(fā)射器時產(chǎn)生的負(fù)壓來控制吸盤，機(jī)器人可以抽真空吸附在玻璃上。這樣就不像現(xiàn)已有的機(jī)器人那樣，需要帶上一個大大的氣泵。再利用水流經(jīng)射流發(fā)射器產(chǎn)生的被壓來推動活塞桿，實現(xiàn)機(jī)器人的爬行驅(qū)動。 為此，我們在結(jié)構(gòu)上采用了2個帶活塞桿吸盤互相運動，來實現(xiàn)機(jī)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(xiàn)的往復(fù)運動。在再整體結(jié)構(gòu)上帶上2個拖把，隨著機(jī)器人的移動而移動來擦洗玻璃。結(jié)構(gòu)如圖1 這種結(jié)構(gòu)的該機(jī)器人，總體來說，具有如下特點： 1，模塊化設(shè)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(jié)構(gòu)簡單緊湊，重量輕，同一動力實現(xiàn)吸附和爬行運動兩種功能，減少動力來源。便于協(xié)調(diào)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(shè)計成長方體，為減輕整體重量，盡量把它設(shè)計簡單，輕巧，受力面積相對厚度盡量大，使負(fù)壓大，重量輕，保證機(jī)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(shè)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(jié)構(gòu)相配合，重量輕。 3 吸附機(jī)構(gòu) 3.1吸附方式 3.1.1吸附方式選擇 爬壁機(jī)器人最主要的一個特點是機(jī)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(jī)器人吸附方式主要包裹磁吸附，負(fù)壓吸附，螺旋槳推壓等，今年來又出來現(xiàn)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(dǎo)磁面上吸附；低真空度負(fù)壓吸附采用風(fēng)機(jī)旋轉(zhuǎn)將負(fù)壓腔內(nèi)的空氣抽出產(chǎn)生負(fù)壓來吸附，具有一定的壁面適應(yīng)能力，但存在噪音大，體積大的缺點；高真空度負(fù)壓吸附方式則由真空泵在真空吸盤內(nèi)產(chǎn)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(zhuǎn)產(chǎn)生的推力將機(jī)器人貼附在壁面上，但也存在噪音大的缺點。由于負(fù)壓吸附具有適用面廣，不受壁面材料限制，而且低負(fù)壓真空吸附的爬壁機(jī)器人具有壁面適應(yīng)能力強(qiáng)和運動速度快等優(yōu)點，因此目前負(fù)壓吸附在爬壁機(jī)器人中得到廣泛的應(yīng)用。 真空泵式要帶一個大大的氣泵，且設(shè)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(jīng)提到，它的工作形式主要是用水泵把水抽到吸盤里后，經(jīng)射流器力射流泵提供的動力，再把水經(jīng)噴頭往外噴，把里面的空氣帶走，噴完后，吸盤內(nèi)外形成負(fù)壓，把吸盤吸住。 水主要是往兩側(cè)噴，避免水噴在中間的路徑上影響機(jī)器人的吸附和運動，而且，機(jī)器人的拖把也固定在兩側(cè)，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(jié)構(gòu)簡圖 由于吸盤也是機(jī)器人運動時類是于液壓缸機(jī)構(gòu)，其結(jié)構(gòu)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(chǎn)生吸附，實現(xiàn)機(jī)器人的吸附功能。 圖2 吸盤結(jié)構(gòu)簡圖 3.1.3機(jī)器人控制原理圖 機(jī)器人的吸附與運動機(jī)構(gòu)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(jīng)射流發(fā)射器噴出，帶走里面的空氣，形成負(fù)壓，使得吸盤A吸附在玻璃上。 2：此時，4YA通電，3腔進(jìn)水，滿后，1YA通電，使2腔進(jìn)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(guān)。 3：此時，1YA，4YA斷電，3腔再次水滿，3腔水經(jīng)水射流發(fā)射器噴水，產(chǎn)生負(fù)壓，吸住吸盤B. 4：此時，2YA通電，1腔進(jìn)滿水后，3YA通電，使4腔進(jìn)水，推動活塞桿b前進(jìn)，使其推動吸盤A前進(jìn)，活塞桿至中間位置后壓下行程開關(guān)，2YA，3YA斷電，此時1再次充滿水，再射流，如此循環(huán)下去，實現(xiàn)機(jī)器人的爬行運動。 圖3 機(jī)器人控制原理圖 3.2吸附力分析 3.2.1 材料選擇 要實現(xiàn)機(jī)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(jī)器人不掉下了，就必須要求材料輕。而要保證來自水的驅(qū)動而不變形或破裂，就要求這種材料滿足機(jī)器人所必須的強(qiáng)度和硬度。因此，選擇一種工程塑料來作為機(jī)器人的整體材料。 今選擇聚酰胺PA（又稱尼龍或綿綸），根據(jù)機(jī)械工程材料表9-2， 選擇 PA-66,它的抗拉強(qiáng)度為57~83MP，抗壓強(qiáng)度為90~120MP，抗彎強(qiáng)度為60~110MP，密度為1.14~1.15。這種材料可用于汽車，機(jī)械等零部件。 3.2.2吸附力計算 要保證機(jī)器人不沿壁下滑，則 FminG（G=G+G) 要保證機(jī)器人不會掉下，就必須在最小的吸附力作用下時，機(jī)器人還不會掉下，因此： 當(dāng) Amin=0.05×0.08=0.004m Fmin=Pc×0.004 假設(shè)Pc=P0時，即腔里完全真空。 Fmin=Pc×0.004=P0×0.004=400N =0.2，F(xiàn)min=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(jī)器人結(jié)構(gòu)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(chǎn)生的總重力也遠(yuǎn)小于摩擦力。 該機(jī)器人，不僅要求在結(jié)構(gòu)上采用盡量簡單的結(jié)構(gòu)來減輕機(jī)器人的本體量，同時機(jī)器人還有一個重要的基本功能就是運動。因此怎樣保證機(jī)器人的運動過程中的動態(tài)負(fù)載能力和平衡，這對于機(jī)器人本體的安全運行非常的重要。機(jī)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(jī)器人在壁面移動時力的平衡。結(jié)合這一簡單結(jié)構(gòu)的特點，機(jī)器人在運動時，其力的示意圖如圖4所示: 其中F代表機(jī)器人在壁面行走時由一個吸盤提供的最小吸力，G代表機(jī)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(jī)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(chǎn)生的力矩，為系統(tǒng)重力力矩。 圖4 由式1知，為了使機(jī)器人能在玻璃壁面可靠吸附、安全作業(yè)，就應(yīng)該增加吸盤的吸力，同時增加其力臂Ll。另外，在減輕機(jī)器人本體重量的同時，應(yīng)該減小其作用力臂L2。這也是我們進(jìn)行總體方案設(shè)計時所遵循的一個重要原則。 而本設(shè)計的機(jī)器人由于吸附力F大于重力G很多，且L1>L2,機(jī)器人有很好的抗顛覆能力，保證機(jī)器人不會因為翻轉(zhuǎn)而掉下。 3.3其他機(jī)構(gòu)的選擇 3.3.1射流器選擇 由于機(jī)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(chǎn)生負(fù)壓，使機(jī)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(jīng)這兩出水口，使射流出的水往兩邊流，用于擦洗玻璃。 其結(jié)構(gòu)簡圖如圖5示： 圖5 射流器結(jié)構(gòu)圖 3.3.2水泵和水管的選擇 設(shè)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(jìn)水時流量Q=2X7.2=1.44升/分 今選用水泵參數(shù)如下表所示： 型號 最大流量 最高 揚程 進(jìn)出口 內(nèi)徑 工作 電流A 工作 電壓V 最大輸出壓力 ASP5526 2.6L/min 55米 進(jìn)6出10 <=2.2 12 0.55MP 由于元件有6mm和8mm的通徑或者內(nèi)徑。選用內(nèi)徑為6mm外徑為8mm的硅膠水管及其內(nèi)徑為8mm外徑為10mm的硅膠水管。 3.3.3密封機(jī)構(gòu) 由于玻璃平面有一定程度的凸凹不平，機(jī)器人在移動過程中就必須實現(xiàn)吸盤的可靠性密封，這就要求密閉機(jī)構(gòu)要有一定的防泄漏能力，為此，設(shè)計一種密閉結(jié)構(gòu)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(jī)構(gòu)，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(diào)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(fù)運動密封。 4 總 結(jié) 目前高樓玻璃幕墻清洗機(jī)器人在我國應(yīng)用還基本上沒有展開，而國外已經(jīng)開始投入具體實際應(yīng)用。我國在這方面的研究大多只是應(yīng)用在試驗室階段，并沒有具體作為產(chǎn)品推廣。如我們平時所看到的新聞也只是介紹有一款機(jī)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(nèi)目前絕大多數(shù)高層建筑仍采用吊籃+人工完成清洗工作，。因此，國內(nèi)清洗機(jī)器人有十分廣闊的應(yīng)用前景，盡快研制出一種能真正投入實際應(yīng)用的清洗機(jī)器人就顯得十分必要。 本文針對國內(nèi)高樓玻璃幕墻的清洗現(xiàn)狀，結(jié)合高樓玻璃幕墻清洗作業(yè)的具體 工作環(huán)境，開發(fā)設(shè)計出了一種專用于高樓玻璃幕墻清洗的水射流式清洗機(jī)器人，該清洗機(jī)器人具有結(jié)構(gòu)新穎、安全可靠、重量輕、效率高的特點。 本文主要進(jìn)行了以下幾個方面的工作并得出了結(jié)論: 1，設(shè)計出了一個完整的水射流式清洗機(jī)器人系統(tǒng)。整個系統(tǒng)包括結(jié)構(gòu)設(shè)計、驅(qū)動系統(tǒng)設(shè)計、真空吸附系統(tǒng)設(shè)計等幾個部分，并對系統(tǒng)的一個步距的運動進(jìn)行了分析，全面了解了這種機(jī)器人的結(jié)構(gòu)和功能。 2，與傳統(tǒng)的機(jī)器人體積大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，需要配備一個大大的氣泵相比，本機(jī)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(jìn)行了參數(shù)設(shè)計及選型，并詳細(xì)介紹了其主要性能參數(shù)。 4，對機(jī)器人作業(yè)中的具體行走路徑進(jìn)行了規(guī)劃，并對整個機(jī)器人的吸附和運動的液壓控制原理進(jìn)行了分析和研究，來保證機(jī)器人的正常工作。 參考文獻(xiàn) [1]王園宇，武利生，李元宗.壁面清洗機(jī)器人發(fā)展趨勢淺析.引進(jìn)與咨詢.2002.4 [2]陳沛富.玻璃幕墻清洗機(jī)器人設(shè)計研究.重慶大學(xué)碩士學(xué)位論文.2006.5 [3]宗光華.高層建筑擦窗機(jī)器人.機(jī)器人技術(shù)與應(yīng)用.1998:20 [4]楊其嘉.機(jī)器人清潔工現(xiàn)狀及未來.環(huán)境導(dǎo)報.1994.3 [5]吳仲治，李開生，王巍，宗光華.靈巧擦窗機(jī)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(jī)器人在高層建筑清洗中的應(yīng)用.建筑技術(shù).2001.9 [7]蔡立群.窗玻璃清洗機(jī)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(jī)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(xué)基礎(chǔ)教程.高等教育出版社.2004.10 [10]于永泗，齊民.機(jī)械工程材料（第七版）.大連理工大學(xué)出版社.2007.2 [11]陳奎生.液壓與氣壓傳動.武漢理工大學(xué)出版社.2005.3 [12]楊明忠，朱家誠.機(jī)械設(shè)計.武漢理工大學(xué)出版社2006.12 致 謝 本學(xué)位論文是在我的導(dǎo)師饒洪輝老師的親切關(guān)懷和悉心指導(dǎo)下完成的。她嚴(yán)肅的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)?shù)闹螌W(xué)精神，精益求精的工作作風(fēng)，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(xì)心的指導(dǎo)和不懈的支持。在設(shè)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(rèn)真思考，而且不斷和同學(xué)討論一起解決，同時我的導(dǎo)師饒老師給我提出了很多寶貴的意見，為論文進(jìn)一步的完善提供了許多幫助。 雖然設(shè)計的過程是漫長而且辛酸的，但在導(dǎo)師的幫助下，我克服了許多困難，學(xué)到了很多東西，包括課堂當(dāng)中沒有涉及到得內(nèi)容。這次設(shè)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(dǎo)師給我的大力支持和精心指導(dǎo)。 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(shè)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(shù)的研究現(xiàn)狀 摘要 近年來水射流清洗技術(shù)已在眾多領(lǐng)域得到廣泛的應(yīng)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(shù)的工作原理、特點及其應(yīng)用現(xiàn)狀，并展望其發(fā)展前景和趨勢。 關(guān)鍵詞 水射流清洗技術(shù) 應(yīng)用現(xiàn)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(shù)，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(shù)是水射流清洗技術(shù)的最新發(fā)展。由于世界各國對環(huán)境保護(hù)日益重視，高壓水射流清洗技術(shù)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(yīng)用日益廣泛。 1.高壓水射流清洗技術(shù)的工作原理和特點 高壓水射流清洗技術(shù)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(qiáng)大沖擊力、沖蝕力和剝離能力，快速地將涂層、結(jié)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(zhuǎn)噴頭，清洗速度快，設(shè)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(fù)雜。水射流清洗技術(shù)是射流技術(shù)和清洗設(shè)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(zhì)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(shù)中實際應(yīng)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(jù)其周圍介質(zhì)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(shù)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(dāng)水射流的工作壓力達(dá)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(dāng)?shù)靥岣吖ぷ鲏毫?，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(jī)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(yīng)用現(xiàn)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(shù)，物理清洗技術(shù)是世界清洗技術(shù)發(fā)展的方向，而化學(xué)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(zhuǎn)向物理清洗方法。與傳統(tǒng)的手工、機(jī)械方法清洗、化學(xué)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(jī)體。 2． 清洗過后的零部件不需要進(jìn)行潔凈處理。 3． 能夠清洗形狀和結(jié)構(gòu)復(fù)雜的零件，能在空間狹窄、復(fù)雜環(huán)境、惡 劣有害的場合進(jìn)行清洗。 4． 清洗效率高、質(zhì)量好，設(shè)備結(jié)構(gòu)簡單，操作方便，安全可靠。 5． 易于實現(xiàn)機(jī)械化、自動化、便于數(shù)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(shè)備，不會造成任何機(jī)械損傷，還可除去用化學(xué)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(xué)藥劑。因此高壓水射流清洗技術(shù)范圍非常廣泛，幾乎遍及國民經(jīng)濟(jì)的各個領(lǐng)域，被清洗物的形狀、大小和性質(zhì)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(yīng)用，可用于清洗容器，也可用于清洗各種設(shè)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(shù)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(wǎng)及管式干燒器等；容器，包括反應(yīng)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(jī)場跑道、鉆桿、鉆具、機(jī)車、軋機(jī)和鋼鐵構(gòu)件及陽極板等；其它設(shè)備包括過濾機(jī)板框、柵格板、水泥地板、排風(fēng)機(jī)、送風(fēng)管及大型零部件等，被清洗的物料包括各種類型的結(jié)垢、結(jié)晶、板結(jié)、附著物、反應(yīng)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(shù)還要更深入、更廣泛的領(lǐng)域擴(kuò)展、延伸。高壓水射流清洗火箭發(fā)動機(jī)，清洗飛機(jī)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(jìn)展。此處，高壓水射流技術(shù)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(shù)優(yōu)于化學(xué)、機(jī)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(xí)后對遭受核生化污染的人員、武器、技術(shù)裝備也可采用高壓水射流清洗。 3. 高壓水射流清洗技術(shù)的發(fā)展前景 采用先進(jìn)的高壓水射流清洗技術(shù)，取代傳統(tǒng)落后的清洗方法，可大幅度地提高清洗質(zhì)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(fù)式柱塞泵以及與配套的高壓軟管。高壓閥和旋轉(zhuǎn)接頭等輔助裝置的提高，性能的改善；國內(nèi)外一些高壓水射流清洗技術(shù)的研究成果已逐步形成商品，應(yīng)用的領(lǐng)域和范圍還在迅速擴(kuò)大。 從整體上來說，水射流清洗產(chǎn)業(yè)的回化進(jìn)程將加快，即向?qū)I(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(wù)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(shù)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(shù)設(shè)備自身實現(xiàn)可靠運行的前提下，提高智能化水平。高壓水射流、機(jī)器人與遠(yuǎn)程控制系統(tǒng)的結(jié)合，將是高壓水射流清洗技術(shù)發(fā)展的必然趨勢。 參考文獻(xiàn)： 【1】 曹昊翔，張正學(xué).水射流清洗技術(shù)應(yīng)用現(xiàn)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(qiáng)，趙隕.高壓水射流清洗技術(shù).管道技術(shù)與設(shè)備， 2001.2 【3】 辛承梁.高壓水射流的清洗功能.化學(xué)清洗，1992. 附錄2 水射流的數(shù)值模擬 摘要 計算流體力學(xué)的方法已經(jīng)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(jìn)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(jìn)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汀．?dāng)空氣相集中于混合頻管的中心區(qū)域時，磨粒進(jìn)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(jìn)口角度和不同的磨料進(jìn)口位置進(jìn)行仿真模擬實驗。模擬的結(jié)果清楚地表明，磨料進(jìn)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(xiàn)最優(yōu)的磨料進(jìn)口角度取決于磨料在混合室中的位置。當(dāng)磨料進(jìn)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(dāng)磨料進(jìn)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?jǐn)?shù)與可得到的試驗數(shù)據(jù)進(jìn)行比較。模擬的結(jié)果顯示出與試驗數(shù)據(jù)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(shù)。找到水和磨料的速度的實驗結(jié)果已經(jīng)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(shù)研究者已經(jīng)進(jìn)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(jù)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(nèi)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(guān)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(xì)的進(jìn)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(yuǎn)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(xué)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(rèn)為是不可壓縮流，而空氣被認(rèn)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(jìn)口角度及在混合室中的磨料進(jìn)口位置。 2.數(shù)學(xué)模型 依據(jù)雷諾數(shù)，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(dāng)小的速度流動。從高速水到低速的磨粒有一個能量轉(zhuǎn)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(zhì)量和他們在碰撞中的速度的一個參數(shù)。所有磨粒的平均速度是一個數(shù)量，這就必須決定提高截割頭設(shè)計。為了找出在噴嘴出口的速度分布采用模擬技術(shù)，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(guān)于熱傳遞也進(jìn)行了模擬。在多相中水被視為主要相。模擬技術(shù)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(biāo)記，它們分別代表水、空氣和固體，表示相的數(shù)目。每一相的體積分?jǐn)?shù)被標(biāo)記為。當(dāng)模擬仿真采用柱面坐標(biāo)系進(jìn)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(shù)方程和每相的分量方程如下： ---------------------------------------------------------------------（6） ----------------------------------------------------------------------（7） 考慮到體積分?jǐn)?shù)總和是1： 普遍對流損耗方程是： --------------（8） 術(shù)語描述在和之間范圍的相間轉(zhuǎn)換。 。于是，所有的相間的轉(zhuǎn)換術(shù)語的總和是0。 體積分?jǐn)?shù)方程： ------------------------------------------------（9） 其中 體積分?jǐn)?shù)的湍流擴(kuò)散采用Eddy擴(kuò)散假說來模擬。假設(shè)在一個湍流相中參數(shù)為k和的運輸方程將以同樣的形式作為相對標(biāo)量的對流損耗方程。 --------（10） --------（11） 源術(shù)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(yīng)力，并且G是由于內(nèi)部力而產(chǎn)生的。 常數(shù)被設(shè)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(shù) 柱坐標(biāo)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(rèn)為是在大氣條件。由那個原因額外的阻塞被創(chuàng)建，被當(dāng)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(shù)見表1。磨料進(jìn)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(jié)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(shù)據(jù)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(shù)幾個位置測量空氣和固體的速度，展現(xiàn)在圖3到圖5的結(jié)果表明，發(fā)展起來的數(shù)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(xiàn)也被用來驗證模擬結(jié)果，這些實驗發(fā)現(xiàn)提供在出口處三相體積分?jǐn)?shù)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?jǐn)?shù)。X光掃描器產(chǎn)生一束非常細(xì)的為0.125mm的X射線，它通過射流并且受包含在射流內(nèi)的物質(zhì)的相互作用而減弱。X－射線束的強(qiáng)度通過使用一個閃爍探測器而被測得。吸光系數(shù)接著被用來估計空氣、水和磨料的局部平均物質(zhì)體積分?jǐn)?shù)。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?jǐn)?shù)。源于模擬的體積分?jǐn)?shù)與這些實驗結(jié)果進(jìn)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?jǐn)?shù)。在集中管出口處水的模擬體積分?jǐn)?shù)在靠近壁處是更高的。這可能導(dǎo)致射流裝置可能的閃爍現(xiàn)象。比較的體積分?jǐn)?shù)結(jié)果顯示于圖6.7.8中。 4.磨料進(jìn)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(jìn)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(xiàn)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(zhuǎn)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(yīng)該是最大速度。三個不同的磨料進(jìn)口位置被使用為獲得最佳的進(jìn)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(jìn)口位置也被考慮。對于不同的磨料進(jìn)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(xiàn)象。 顯然，從表2中，如果進(jìn)口角度在20.56°和55.56°之間，在距錐形部分為2.25mm的磨料進(jìn)口位置，磨料將會擊中斜面。如果進(jìn)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(jìn)口角度的水速。對于30°進(jìn)口角度，水速被發(fā)現(xiàn)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(jìn)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(jìn)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(jìn)口角度等，在最大射流速度，最佳磨料進(jìn)口角度可能會改變。 在這里還應(yīng)該提到，對于30°磨料進(jìn)口角度，沿半徑方向的不同相的速度是不準(zhǔn)確的模式。這暗示著在混合室內(nèi)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(jìn)口角度的射流的平均速度。顯然，對于30°磨料進(jìn)口角度（29°磨料進(jìn)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(jìn)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(zhǔn)備找出不同磨料進(jìn)口角度對進(jìn)口位置的影響。就圖12中所說明的結(jié)果而論，模擬技術(shù)被發(fā)展為不同的磨料進(jìn)口角度（30°，45°和60°）和不同的進(jìn)口位置。 新的磨料進(jìn)口位置距錐形部分為6.75mm，模擬是采用為30°，45°和60°磨料進(jìn)口角度進(jìn)行的。一個附加的模擬被實施采用45°磨料進(jìn)口角度，進(jìn)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(yīng)該是最大。圖14至16展示了在沿著半徑方向為30°磨料進(jìn)口角度和兩個不同的進(jìn)口位置的出口平面處的速度分布。盡管為以前的進(jìn)口位置，卻獲得了一個更好的結(jié)果。但是如果45°進(jìn)口角度，對5.25mm的進(jìn)口位置來說，更好的結(jié)果會被獲得。這些結(jié)果展示在圖17，18和19中。但是如果是60°的磨料進(jìn)口角度（圖20，21和22），當(dāng)使用6.75mm的磨料進(jìn)口位置，更好的結(jié)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(jìn)口位置，一個更高的角度是最佳磨料進(jìn)口角度。對于磨料進(jìn)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(jié)論 如果磨料進(jìn)口位置接近錐形部分即混合室的底部，當(dāng)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(jìn)口角度。 如果進(jìn)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(jìn)口角度將是最佳的。一個磨料進(jìn)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(xiàn)象減至最低限度，因此精密射流切割能夠?qū)崿F(xiàn)。 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(xiàn)（略） 8．學(xué)術(shù)用語 B 內(nèi)部力 c相間術(shù)語 C常數(shù) D集中管直徑 F內(nèi)部相非阻力 G基于內(nèi)部力的產(chǎn)品 h熱力學(xué)焓 H總焓或狀態(tài)焓 k動能 相的總數(shù) p熱力學(xué)壓力 P壓力/剪切應(yīng)力 參考壓力 r半徑 R普遍氣體常數(shù) S源術(shù)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(biāo) 錐形進(jìn)口部分計算角度 磨料進(jìn)口角度 物理性質(zhì) 密度 湍流普蘭特爾數(shù) 湍流動能損耗 導(dǎo)熱系數(shù) 分子黏度 湍流黏度 渦流渦流擴(kuò)散系數(shù) 下標(biāo)（腳碼、索引） a空氣 P磨粒 w水 T湍流 、、相 符號 d阻力 h熱轉(zhuǎn)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(jìn)口角度 集中管直徑， 1.27mm 集中管長度 75mm 磨料進(jìn)口直徑 3mm 水的密度 空氣密度 磨料密度 磨料直徑 進(jìn)口條件 水壓 氣壓 磨料質(zhì)量流動率 空氣流動率 磨料進(jìn)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(wǎng)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?jǐn)?shù) 圖7，磨料的體積分?jǐn)?shù) 圖8，空氣的體積分?jǐn)?shù) 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(jìn)口角度的射流平均速度 圖13，不同磨料進(jìn)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(jìn)口角度的水的速度 圖15，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖16，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖17，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖18，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖19，三個不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 圖20，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的水的速度 圖21，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的空氣速度 圖22，兩不同位置處磨料進(jìn)口角度的固體速度 附錄3