高压水射流清洗系统的设计及其试验研究

摘要

高压水射流技术是近些年发展起来的一项高新技术。随着我国工业技术的发展，高压水射流技术以其环保的特点占领了工业大部分的市场，主要用在清洗、切割和破碎等场合。高压水射流清洗技术是以水为介质，通过电动机或柴油机组驱动大流量高压泵，将水加压之后通过单个或多个宝石喷嘴喷射而出，喷嘴由油压或者气压驱动旋转，形成多束、多角度、强度各异的高压旋转水射流，对需要清洁的表面、设备内结垢和附着物以及堵塞物进行高压清洗工作。
　　随着工业的发展和科技的进步，清洗技术有了飞速的发展，全新的清洗和技术不断出现。尤其是各种各样的物理清洗方法发展迅速并被广泛的应用起来。物理方法较之化学的清洗方法具有环保的特点，已经成为世界清洗技术主要的发展方向，其中高压水射流清洗技术发展最为迅速而且应用广泛，已成为清洗行业一种主要的清洗技术。国外的高压水射流清洗技术已经相当成熟，占据工业清洗的主导地位。随着技术的发展和完善，系统的清洗压力不断提高，清洗效率和清洗质量也得到了迅速的发展。而目前国内的高压水射流清洗技术与国外有一定的差距，主要零部件高压泵绝大多数还依赖进口，价格高昂，增加了高压水射流清洗机的制造成本。同时高压水射流具有环保、节能、无腐蚀的优点，因此高压水射流清洗技术的研究意义重大。
　　本文对高压水射流清洗系统做了研究，首先研究高压水射流清洗系统的高压水生成系统的结构及其工作原理，并对系统零部件的选型、底座的设计以及零部件在底座上的布局进行设计。其次，对于清洗机构的执行器平面清洗器进行设计。再次，本文对高压清洗机的底座进行有限元分析并通过拓扑优化和尺寸优化对其结构进行优化设计，使其减重37％;最后，本文对设计样机进行性能验证试验，并创新性提出通过Fluent仿真研究清洗作业时的靶距以及入射角度对清洗效率的影响，通过道路标志线清洗试验研究压力对清洗效率的影响，为清洗参数的选用以及执行器设计时的参数选择提供重要依据。

目录

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摘要

第1章 绪论

1．1 课题研究的背景及意义

1．2 高压水射流清洗的特点及应用

1．3 国内外研究现状及发展趋势

1．3．1 国外研究现状

1．3．2 国内研究现状

1．4 课题的研究内容

1．5 本章小结

第2章 高压水射流清洗理论基础

2．1 高压水射流分类

2．1．1 连续射流

2．1．2 脉冲射流

2．1．3 空化射流

2．2 清洗系统介质(水)的物理性质

2．2．1 密度

2．2．2 压缩性

2．2．3 粘性

2．3 流体力学基本方程

2．4 射流结构

2．4．1 射流初始段

2．4．2 射流基本段

2．4．3 射流消散段

2．5 射流基本参数

2．5．1 射流压力、流量、流速

2．5．2 射流功率

2．5．3 射流反冲力

2．5．4 射流打击力

2．6 射流破坏的基本物理模型

2．7 清洗效果影响参数

2．8 本章小结

第3章 高压水生成系统的设计

3．1 高压水生成系统组成及工作原理

3．1．1 系统的组成及主要部件功能

3．1．2 系统的工作原理

3．2 高压水生成系统主要参数确定

3．3 主要零部件的选型及设计方法

3．3．1 高压泵的选型

3．3．2 驱动部件选型

3．3．3 其他零部件的选型及确定方法

3．3．4 系统总体布置以及底座设计

3．4 底座的有限元分析

3．4．1 底座有限元模型建立

3．4．2 底座静态分析

3．4．3 底座自由模态分析

3．4．4 底座约束模态分析

3．5 底座的优化设计

3．5．1 底座的拓扑优化

3．5．2 底座的尺寸优化

3．6 本章小结

第4章 执行器的设计

4．1 执行器的类型

4．1．1 手持啧枪

4．1．2 管道清洗机构

4．1．3 平面清洗机构

4．1．4 机械自动化清洗机构

4．2 平面清洗器结构设计

4．2．1 行走方式的确定

4．2．2 旋转射流盘结构设计

4．2．3 旋转射流盘驱动方式设计

4．2．4 真空抽吸腔的设计

4．3 平面清洗器参数确定

4．4 本章小结

第5章 高压水射流清洗试验研究

5．1 试验目的及试验设备

5．1．1 试验目的

5．1．2 试验设备

5．2 样机性能验证试验

5．2．1 流量验证试验

5．2．2 压力验证试验

5．3 清洗效果试验研究

5．3．1 铝合金板表面除垢

5．3．2 细钢管表面除垢

5．4 清洗效率试验研究

5．4．1 仿真软件Fluent简介

5．4．2 靶距试验研究

5．4．3 入射角试验研究

5．4．4 压力试验研究

5．5 本章小结

第6章 总结与展望

6．1 总结

6．2 展望

参考文献

致谢