超高壓水射流噴嘴機構的設計及試驗

楊志賢，相明明

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013）

超高壓水射流噴嘴機構的設計及試驗

楊志賢，相明明

（江蘇大學機械工程學院，江蘇鎮江212013）

針對城市路面標志線難以清除的問題，設計了一種可用于超高壓水射流清洗系統的噴嘴機構，該機構特征在于錯落分布的12個噴嘴的圓形清洗軌跡由內至外均勻分布，可一次性有效地清洗標志線的各個部位，提高整個清洗過程的效果和效率.為考察噴嘴靶距、系統壓力和清洗速度對噴嘴機構清洗效果的影響，以不同厚度標志線為對象進行清洗試驗.針對2種不同厚度的標志線，總結了易獲得最佳清洗效果的參數組合.結果表明：易獲得最佳清洗效果的噴嘴靶距為27 mm，清洗速度為3～4 m·min-1，系統壓力為100～120 MPa.

噴嘴機構；路面標志線；高壓水射流；噴嘴靶距；清洗試驗

近40年來，隨著工業技術的不斷進步，高壓水射流技術已在礦山、冶金、汽車及航空等領域得到廣泛應用［1］.高壓水射流技術是自20世紀70年代末引入中國并得到長足發展的一門新興技術，其原理是借助高壓作用將水介質從直徑較小的噴嘴出口壓出以形成水射流動能［2］.高壓噴嘴作為高壓水射流系統中的一個核心部件，它的結構及性能直接影響著高壓水射流系統的作用效果，如噴嘴出口的長徑比，噴嘴靶距及噴嘴的收縮角等［3］.

目前針對高壓水射流技術的理論研究已有報導，Y.Ozcelik等［4］研究了如何利用高壓水射流技術改變石頭表面粗糙度，從而提升石頭表面的防滑效果.朱學彪等［5］利用Fluent對高壓水射流除磷噴嘴流場的數值分析表明：噴嘴的出口速度與系統壓力成正比，與噴嘴靶距成反比.康津等［6］采用Fluent軟件提供的Laminad層流模型對相同出口結構、不同入口結構的扇形噴嘴內部流場進行了數值模擬，其結果表明：入口結構變化越劇烈，流場的壓力梯度和速度變化越大.雖然高壓水射流技術已在各領域得到廣泛應用，但是對高壓水射流的研究多集中在數值模擬方面，研究結論偏重定性分析［7］.近年來，國內很少有自主研發的用于清除路面標志線的高壓水射流清洗設備，多以進口為主.

筆者主要針對城市路面標志線難以去除的問題，設計一種可用于超高壓水射流清洗系統的噴嘴機構，并針對該清洗裝置進行試驗研究，從而獲得最優清洗效果的各參數變量組合，以提高該系統對廢除標志線的清洗效果和效率.

1 噴嘴機構的設計

隨著城市車輛的增多，交通標志線在為保證行人安全和車輛運行順暢等方面保駕護航.隨著時間的推移，路面上的油漆標志線易褪色、脫塊而變得不清晰，從而失去其對駕駛人員的指導作用，這時必須清除不清晰的標志線以更換新的標志線.傳統的清除方法多為手工清洗、化學清洗和機械清洗，因其效率低、易污染和易損壞路面等缺點而得不到廣泛推廣［8］.高壓水射流技術因其效率高、污染小等特點可成為解決標志線清除問題的良好方案.

現有的清洗設備系統壓力為30～100 MPa，主要用于清洗路面而無法達到徹底清除標志線的目的.其噴嘴分布主要有單頭、沿圓周分布的雙頭和4頭等［9-11］，其不足之處在于中間區域無法一次性清洗到位，影響清洗效率.鑒于漆層標志線一次性難以清除的特點，設計的清洗執行機構如圖1所示.

該噴嘴機構的特點在于12只高壓噴嘴呈“二”字布置安裝在清洗機構旋轉驅動桿上，從內而外依次編號為1-12，其中1-4號噴嘴口徑為0.20mm，其噴射軌跡圓半徑依次為15.0，22.5，29.6，36.5 mm；5-6號噴嘴口徑為0.25 mm，其噴射軌跡圓半徑依次為43.3，50.0 mm；7-8號噴嘴口徑為0.30 mm，其噴射軌跡圓半徑依次為56.8，63.5 mm；9-10號噴嘴口徑為0.35 mm，其噴射軌跡圓半徑依次為70.0，76.8 mm；11-12號噴嘴口徑為0.40 mm，其噴射軌跡圓半徑依次為83.5，90.1 mm.由于每個噴嘴的間隔介于6.6～7.5 mm，從而保證了錯落分布的12只噴嘴的圓形清洗軌跡由內至外均勻分布，可一次性有效清洗標志線的各個部位，提高整個清洗過程的效果和效率.

圖1 清洗執行機構圖

為了獲得良好的清除標志線效果，噴嘴對清洗路面的沖擊角（定義為噴嘴出口水射流方向與清洗路面法向的夾角）應為5°～30°［12］，設計的噴嘴機構中，沖擊角為8°；同時考慮到城市路面的標志線寬度為150 mm，為了在清洗過程中能一次性覆蓋標志線寬度，設計噴嘴的最大清洗半徑為91 mm，最小清洗半徑為18 mm.

2 試驗方案的確定

2.1 試驗對象

本試驗選取南京高淳縣內一柏油馬路上的標志線作為試驗對象.根據標志線涂料的不同，GB 5768—2009《道路交通標志和標線》規定標志線的厚度為0.3～2.0 mm.為分析標志線在不同厚度情況下，噴嘴機構各參數對其清洗效果的影響，分別選取厚度為0.7～1.0 mm和1.5～2.0 mm的2段不同材料涂層的標志線進行試驗.

2.2 試驗參數設定

實際清洗過程中，系統壓力p、清洗速度v和噴嘴靶距D對超高壓水射流清洗機的清洗性能產生重大的影響.清洗壓力參數設定為70，90，100，110，120 MPa.噴嘴靶距設定為17，22，27，32 mm.清洗機構的移動速度設定為3，4，5，6 m·min-1.清洗小車系統設定的其他參數：旋轉桿的轉速為700 r·min-1；噴嘴出口水射流量為25 L·min-1.

3 結果后處理

后處理時，借助圖像分析軟件Halcon對目標圖像中標志線的殘余面積進行提取和分析，Halcon軟件處理清洗圖像的界面如圖2所示.

圖2 Halcon圖像處理界面

高壓水射流除標線清洗效果的評價參數是評判道路標志線清除作業是否達到特定指標的關鍵性參數.K.Babets等［13］在研究高壓水射流除銹和油漆試驗中采用了清洗寬度作為清洗效果的評價參數.D. G.Taggart等［14］運用射流的清洗厚度作為路面除冰時對冰面清洗效果的評價參數.為了能夠系統地對試驗結果進行對比分析，選擇參數“清洗率”作為試驗清洗效果的評判依據.清洗率定義為路面標志線清洗面積與未清洗前標志線原有面積的比值.

4 試驗結果與分析

4.1 噴嘴靶距對清洗效果的影響

為研究噴嘴靶距參數對清洗效果的影響，固定其他參數：系統壓力p=110 MPa，清洗速度v=6 m· min-1.圖3為清洗試驗在不同噴嘴靶距情況下獲得的路面標志線清洗效果對比.圖3a為試驗前待清洗路面原貌，路面上破損嚴重的待清除白色標志線，其厚度為0.7～1.0 mm.當設定噴嘴靶距為17 mm時，得到的清洗效果如圖3b所示，清洗效果并不理想，柏油路面依然殘留大面積的白色標志線，經分析得到其清洗率為68.2％.增大噴嘴靶距至22 mm時，清洗效果已明顯改善，其清洗率為85.6％，不過標志線的殘余部分在圖中依然清晰可見（圖3c）.將噴嘴靶距增加至27 mm時，清洗效果得到大幅度的提升，白色標志線已基本清除干凈，僅有少數白色微顆?？梢姡▓D3d），計算得到其清洗率為98.4％.進一步增加噴嘴靶距至32 mm時，其清洗效果已有所下降，路面殘留有較多尺寸更大的白色微顆粒，其清洗率為92.7％（圖3e）.

圖3 不同靶距下路面標志線清洗效果對比

圖4為小車清洗速度v=6m·min-1，系統壓力分別在100，110，120 MPa時，得到的不同噴嘴靶距產生的清洗效果對比圖.隨著噴嘴靶距的增加，其清洗效果也不斷提升，且均在噴嘴靶距為27 mm時，獲得最佳的清洗效果，靶距進一步增大清洗效果呈下降趨勢.

圖4 不同噴嘴靶距下清洗率對比

試驗中發現：當靶距小于20 mm時，由于水射流作用在標志線上的動能過大，加上路面可能存在的雜質顆粒影響，導致清洗過程中產生的廢水、脫落的涂料無法及時排出而影響了其清洗效果.而當靶距大于30 mm時，隨著噴嘴出口的水射流動能的損失，對標志線的沖擊力度開始減弱，達到最佳清洗效果的時間延長，從而影響整個清洗作業的效率.

4.2 系統壓力及清洗速度對清洗效果的影響

當靶距D=27 mm時，試驗得到不同的系統壓力和清洗速度對路面標志線的清洗效果對比如圖5所示.

圖5 不同清洗速度和系統壓力下清洗率對比

為了評判試驗清洗效果，設定當清洗率大于95％時為最佳清洗效果的評判依據.從圖5中橫向比較可以發現：清洗速度越大，清洗效果越差，無法達到一次性清除標志線的目的；而降低清洗速度，雖然有利于標志線的清洗效果，卻同時也降低了小車的清洗效率.通過試驗得到，當清洗速度為3 m· min-1，系統壓力大于100 MPa時，對路面標志線的清洗率均在95％以上，呈現出良好的清洗效果.同時，由圖5中縱向比較可知：隨著系統壓力的增加，對標志線的清洗效果提升明顯.

試驗中發現：系統壓力和清洗速度對標志線的清洗效果起到相輔相成的作用，即當清洗速度增加時，同時增加系統壓力也可獲得最佳的清洗效果，如圖5中試驗v=3 m·min-1，p=100 MPa和試驗v=4 m·min-1，p=120 MPa的清洗率均達到99％以上，獲得了理想的清洗效果；當進一步增加系統壓力時，過強的水射流動能已經開始對路面造成一定程度的破壞.圖6為設定噴嘴靶距D=27 mm，清洗速度v=3 m·min-1時，系統壓力分別為120，130 MPa得到的路面形貌對比.通過分析圖6中凹坑形狀和尺寸大小表明：當系統壓力為120 MPa時，其清洗路面形貌與原柏油路面基本一致，清洗過程對路面幾乎不造成破壞，而當系統壓力為130 MPa時，路面受水射流強大的沖擊力作用而形成許多直徑為10 mm左右的凹坑，路面破壞程度較高，同時較深的黑色也表明其破壞程度已經延伸到柏油路面的深度方向.

圖6 不同系統壓力對路面的破壞對比

4.3 最佳清洗效果參數組合的分析

實際作業中，清洗效果與標志線的厚度也有密切關聯，通過分析針對厚度為0.7～1.0mm和1.5～2.0 mm的2段不同材料涂層的標志線試驗結果，得到最佳清洗效果參數組合分別如表1，2所示.

表1 0.7～1.0 mm標志線最佳清洗效果參數組合

表2 1.5～2.0 mm標志線最佳清洗效果參數組合

表1，2統計了清洗率大于95％的試驗數據，對厚度為0.7～1.0 mm的標志線，選擇清洗速度為3～4 m·min-1，系統壓力為100～120 MPa時，容易獲得最佳的清洗效果，而一旦提高清洗速度，則需對系統壓力重新進行調校.同理，對厚度為1.5～2.0 mm的標志線，選擇清洗速度為3 m·min-1，系統壓力為100～120 MPa時，容易獲得最佳的清洗效果.

5 結 論

1）針對城市路面標志線難以去除的問題，設計了一種可用于超高壓水射流清洗系統的噴嘴機構，該機構特征在于錯落分布的12個噴嘴的圓形清洗軌跡由內至外均勻分布，可一次性有效地清洗標志線的各個部位，提高整個清洗過程的效果和效率.

2）獲得了噴嘴靶距、系統壓力和清洗速度對標志線清洗效果的影響規律和不同厚度標志線最佳清洗效果的參數組合，試驗結果為超高壓水射流清洗系統高效完成標志線清洗作業提供了重要的參考依據.

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（責任編輯 賈國方）

Design and experiment of nozzlemechanism for ultra high pressure water stream

Yang Zhixian，Xiang Mingming
（School of Mechanical Engineering，Jiangsu University，Zhenjiang，Jiangsu 212013，China）

To solve removing difficulty of road stripes，a special nozzle mechanism was designed for the removing system of ultra high pressurewater stream.Twelve nozzleswere set up in picturesque disorder，and the nozzle circular trackswere evenly distributed from internal centre to external side to remove road stripes effectively at one time and improve removing effect and efficiency.To investigate the removal effects of distance from nozzle to target，system pressure and removal velocity，the experiments of removing road stripes with different depth were designed and carried out.The combined values of parameterswere provided to easily obtain the best effect of removing road stripes.The results indicate that the besteffectof removing road stripes can be easily obtained when the distance from nozzle to target is27 mm with removal velocity between 3 and 4 m·min-1and system pressure between 100 and 120 MPa.

nozzlemechanism；road stripe；high pressure water stream；distance from nozzle to target；removal experiment

TB21

A

1671-7775（2015）05-0522-05

楊志賢，相明明.超高壓水射流噴嘴機構的設計及試驗［J］.江蘇大學學報：自然科學版，2015，36（5）：522-526.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.005

2014-09-15

江蘇大學高級人才啟動基金資助項目（10JDG058）

楊志賢（1978—），男，江西吉安人，副教授（hiyoo@mail.ujs.edu.cn），主要從事甲蟲生物材料的仿生研究.

相明明（1989—），男，江蘇贛榆人，碩士研究生（158598038@qq.com），主要從事機械CAD與CAE研究.