旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置與靜態(tài)直線噴嘴裝置清洗對比分析

摘要：旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置與靜態(tài)直線噴嘴裝置是高壓水射流清洗作業(yè)過程中較為常用的兩種形式，在道路清掃、墻面清理等環(huán)衛(wèi)作業(yè)領(lǐng)域廣泛應(yīng)用。兩裝置雖然都屬于高壓水射流的范疇，但存在著較為明顯的區(qū)別。據(jù)此，通過行走速度、打擊力、作用時間等幾個方面對兩種作業(yè)形式進(jìn)行對比，確定兩種作業(yè)模式分別適用的不同工況。

關(guān)鍵詞：旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置；靜態(tài)直線噴嘴裝置；高壓水射流

中圖分類號：U463.9? 收稿日期：2023-11-17

DOI：1019999/jcnki1004-0226202401008

1 前言

隨著社會經(jīng)濟(jì)的不斷發(fā)展，人們對環(huán)境衛(wèi)生的質(zhì)量要求越來越高，只有加強(qiáng)市容環(huán)境衛(wèi)生的治理，人們才能生活在更加美好的環(huán)境中。而在美好環(huán)境創(chuàng)造中，離不開洗掃車、高壓清洗車、路面養(yǎng)護(hù)車、手持洗地盤等環(huán)衛(wèi)設(shè)施設(shè)備的參與。在這些設(shè)備作業(yè)過程中，無一例外都通過高壓噴淋設(shè)備對路面或者墻面進(jìn)行沖洗，必要時還要疊加高速轉(zhuǎn)盤掃刷，達(dá)到清潔作用，部分設(shè)備還有垃圾的吸拾作用。

但若要將粘附在路面的垃圾徹底清除，高壓水射流清洗系統(tǒng)的尤為關(guān)鍵，其主要依賴扇形噴嘴對地面進(jìn)行打擊，目前現(xiàn)有產(chǎn)品中，應(yīng)用較多的是旋轉(zhuǎn)噴射和直線噴桿兩種，多數(shù)傳統(tǒng)洗掃車采用的是傳統(tǒng)的直線噴桿，而洗地盤則大多數(shù)采用旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置模式，其底部結(jié)構(gòu)如圖1所示。兩種形式在高壓水射流范疇中都屬于較為常用的應(yīng)用，對地面都能產(chǎn)生較好的清洗效果，如圖2所示。

高壓旋轉(zhuǎn)噴射沖洗的方式，與傳統(tǒng)的直線噴桿的相比，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，制造成本高。如果直線噴桿在外部條件一致的情況下，也能實現(xiàn)相同的打擊效果，直線噴桿顯然更有競爭力。

2 旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置分析

在高壓水射流學(xué)科中，旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置屬于高壓水射流清洗中的旋擺射流，此種物料清洗方式很早就開始廣泛應(yīng)用，最早應(yīng)用在機(jī)場跑道清除殘膠等工況，且大多數(shù)采取的都是雙噴嘴對稱布置，噴嘴與地面豎直方向成一定夾角，這樣水簾對噴嘴的反作用力會在噴桿的切線方向存在分力，形成旋轉(zhuǎn)力矩，克服旋轉(zhuǎn)組件的摩擦阻力矩，提供噴桿及噴出水的轉(zhuǎn)動慣量的角加速度，當(dāng)力矩平衡時，達(dá)到最大轉(zhuǎn)速。相較于增加旋轉(zhuǎn)馬達(dá)的形式，依賴水反作用力實現(xiàn)的主動旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)更加簡單，且大多數(shù)的洗地盤采用的也是這種形式，主動式旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置的可知，角速度如下［1］：

[ω=QvRsinα-M0QR2（1-exp（-QR2Jt））]? ? ? ? ? ?（1）

式中，Q為噴嘴水流量；v為噴嘴出口水流速度；[α]為偏轉(zhuǎn)角，即水射流軸心線與雙嘴所在平面夾角；R為噴嘴旋轉(zhuǎn)半徑；[M0]為摩擦阻力矩；J為轉(zhuǎn)動慣量。

當(dāng)時間趨近于無窮大時，旋轉(zhuǎn)角速度達(dá)到穩(wěn)定的最大值，公式如下［1］：

[ω=（QvRsinα-M0）/（QR2）=vsinα/R-M0/（QR2）]? ?（2）

噴嘴出口的孔徑很小，因此噴嘴出口的速度數(shù)值較大，而一般旋轉(zhuǎn)半徑在1 m以內(nèi)，由上述公式可知，噴嘴與地面的角度對旋轉(zhuǎn)角速度影響較大（v/R計算結(jié)果數(shù)值較大），因此可以通過改變角度調(diào)整旋轉(zhuǎn)角速度。但由于旋轉(zhuǎn)體內(nèi)部的密封材質(zhì)，旋轉(zhuǎn)軸承的選型不同，因此摩擦阻力矩各不相同，旋轉(zhuǎn)角速度需要根據(jù)實際情況定量計算。

旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置對地面沖洗為旋轉(zhuǎn)運動和車輛行駛的直線運動的疊加，當(dāng)噴嘴旋轉(zhuǎn)一周，直線運動行程為兩倍噴嘴水簾寬度時，達(dá)到最大行進(jìn)速度，路面最少打擊次數(shù)為2次，但速度再次提高時將會出現(xiàn)沖洗的遺漏區(qū)域，如圖3、圖4所示，其中水簾寬度為d，并分別以2倍和2.5倍行進(jìn)速度來進(jìn)行軌跡模擬。

在行進(jìn)速度達(dá)到2.5 d時，出現(xiàn)了軌跡圖中黑色的區(qū)域，即為遺漏區(qū)域。因此2單圈兩倍水簾寬度的行走速度是作業(yè)的最大速度。

在行進(jìn)速度上，直線噴桿沒有太多限制，理論上可達(dá)到很大數(shù)值。

3 打擊力

在連續(xù)射流中，噴嘴出口內(nèi)外兩點根據(jù)伯努利方程，再根據(jù)連續(xù)方程、動量定理，作用力與反作用力的關(guān)系不難得出噴嘴對地面打擊力的計算公式如下：

[Ff=0.745qtP]? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?（3）

由上述公式可知，兩種噴嘴外部條件一致，即壓力和流量相等時，總的打擊力是一定的。

直線噴桿與旋轉(zhuǎn)噴桿如果采用相同孔徑的噴嘴，單個噴嘴打擊力一定，但覆蓋面積差別較大，同樣覆蓋620 mm寬度的深度保潔范圍，若以旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置以2個噴嘴，單個噴嘴50 mm水簾寬度計算，直線噴桿噴嘴同樣2個，單個覆蓋寬度到達(dá)310 mm，旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置單位長度打擊力是直線噴桿噴嘴的6倍之多。

在噴嘴行業(yè)中，打擊力的表示方式有多種，但最通用的表示方式是單位面積打擊力。單個噴嘴打擊的距離不同時，水簾的發(fā)散程度也是不同的；單個噴嘴距離相同時，不同角度噴嘴單位面積打擊力占總打擊力的比例不同。根據(jù)某噴嘴的樣本中的描述如表1、表2所示。

在同一高度不同角度總的沖擊力是一定的，由于發(fā)散程度不同單位面積的打擊力占總打擊力的比值如表1、表2所示，按上述條件計算，兩種噴嘴在單位面積打擊力上呈現(xiàn)12倍關(guān)系。

在《高壓水射流技術(shù)》中對高壓水射流的門限壓力做出如下定義：

水射流的壓力反映了水射流的速度，它是影響水射流切割能力的最重要的參數(shù)，大量的試驗表明，水射流沖擊物料時，存在著一個使物料產(chǎn)生破壞的最小噴射壓力。當(dāng)水射流壓力小于這個壓力時，物料只能產(chǎn)生塑性變形而幾乎不被破壞。當(dāng)噴射壓力超過這個壓力時，物料將產(chǎn)生躍進(jìn)式破壞。我們把這個使物料產(chǎn)生明顯破壞的水射流壓力稱做門限壓力。物料的門限壓力與物料的特性有關(guān)。但在目前的高壓水射流學(xué)科中，高壓水射流清洗的門限壓力與粘附在物料表面垃圾的粘性有關(guān)，因此很難給出明確的數(shù)值，只能依賴于使用者的根據(jù)不同路況試驗確定［2］。

4 作用時間

孔徑的噴嘴相同，且噴射距離相同時，水簾厚度是基本相同的，這一點從表1、表2可以看出。

噴嘴對地面某點（線）的打擊時間等于水簾厚度/行走速度，以旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置能實現(xiàn)的最大行走速度計算，相同的行走速度下靜態(tài)直線噴嘴裝置總的打擊時間是旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置的16倍之多。

5 結(jié)語

a.旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置可以有更高的打擊力，單位面積打擊力是同等外部條件下靜態(tài)直線噴嘴裝置的十幾倍。

b.相同外界條件下，靜態(tài)直線噴嘴裝置的打擊時間是旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置的十幾倍。

c.想要有理想的清洗效果，打擊力必須達(dá)到破壞附著物的門限壓力。

目前對于高壓水射流清洗的速度沒有文獻(xiàn)給出明確的規(guī)定，需要試驗驗證，但其趨勢可以參考圖5所示的高壓水射流打擊深度和橫移速度之間的關(guān)系［2］，隨著橫移速度的增加，打擊深度趨于恒定，而我們使用橫移速度相對于高壓水射流打擊橫移速度都大得多，處于恒定狀態(tài)。從目前的收集到的資料看，對于打擊效果來說，相對于打擊時間，打擊力影響更大，因此使用旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置更適合深層次清洗使用。

但水射流切割和清洗存在區(qū)別，直線噴桿噴嘴打擊的方式在行進(jìn)速度和打擊均勻性上的優(yōu)勢客觀存在，且其結(jié)構(gòu)簡單，維護(hù)方便，更適合一般清洗工況。

綜上所述，靜態(tài)直線噴嘴裝置從經(jīng)濟(jì)性、效率等方面來說更適合城市道路常規(guī)日常保養(yǎng)車型使用，例如洗掃車、高壓清洗車等。旋轉(zhuǎn)噴嘴裝置作為深度保潔車的清洗裝置，更適合機(jī)場、粘度較大污染物多、災(zāi)后重污染等特殊道路使用，符合特種用途車輛的特性。

參考文獻(xiàn)：

[1]李雷霞，滕紹民，寧恩成，等高壓水射流旋轉(zhuǎn)噴頭的參數(shù)分析及其應(yīng)用[J]清洗世界，2009，5（5）：21

[2]崔謨慎，孫家駿高壓水射流技術(shù)[M]北京：煤炭工業(yè)出版社，1993.

作者簡介：

宋月輝，男，1981年生，工程師，研究方向為煤礦機(jī)械及環(huán)衛(wèi)車輛產(chǎn)品的設(shè)計研發(fā)及管理。