超高压水射流喷嘴机构的设计及试验

杨志贤，相明明

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

超高压水射流喷嘴机构的设计及试验

杨志贤，相明明

（江苏大学机械工程学院，江苏镇江212013）

针对城市路面标志线难以清除的问题，设计了一种可用于超高压水射流清洗系统的喷嘴机构，该机构特征在于错落分布的12个喷嘴的圆形清洗轨迹由内至外均匀分布，可一次性有效地清洗标志线的各个部位，提高整个清洗过程的效果和效率.为考察喷嘴靶距、系统压力和清洗速度对喷嘴机构清洗效果的影响，以不同厚度标志线为对象进行清洗试验.针对2种不同厚度的标志线，总结了易获得最佳清洗效果的参数组合.结果表明：易获得最佳清洗效果的喷嘴靶距为27 mm，清洗速度为3～4 m·min-1，系统压力为100～120 MPa.

喷嘴机构；路面标志线；高压水射流；喷嘴靶距；清洗试验

近40年来，随着工业技术的不断进步，高压水射流技术已在矿山、冶金、汽车及航空等领域得到广泛应用［1］.高压水射流技术是自20世纪70年代末引入中国并得到长足发展的一门新兴技术，其原理是借助高压作用将水介质从直径较小的喷嘴出口压出以形成水射流动能［2］.高压喷嘴作为高压水射流系统中的一个核心部件，它的结构及性能直接影响着高压水射流系统的作用效果，如喷嘴出口的长径比，喷嘴靶距及喷嘴的收缩角等［3］.

目前针对高压水射流技术的理论研究已有报导，Y.Ozcelik等［4］研究了如何利用高压水射流技术改变石头表面粗糙度，从而提升石头表面的防滑效果.朱学彪等［5］利用Fluent对高压水射流除磷喷嘴流场的数值分析表明：喷嘴的出口速度与系统压力成正比，与喷嘴靶距成反比.康津等［6］采用Fluent软件提供的Laminad层流模型对相同出口结构、不同入口结构的扇形喷嘴内部流场进行了数值模拟，其结果表明：入口结构变化越剧烈，流场的压力梯度和速度变化越大.虽然高压水射流技术已在各领域得到广泛应用，但是对高压水射流的研究多集中在数值模拟方面，研究结论偏重定性分析［7］.近年来，国内很少有自主研发的用于清除路面标志线的高压水射流清洗设备，多以进口为主.

笔者主要针对城市路面标志线难以去除的问题，设计一种可用于超高压水射流清洗系统的喷嘴机构，并针对该清洗装置进行试验研究，从而获得最优清洗效果的各参数变量组合，以提高该系统对废除标志线的清洗效果和效率.

1 喷嘴机构的设计

随着城市车辆的增多，交通标志线在为保证行人安全和车辆运行顺畅等方面保驾护航.随着时间的推移，路面上的油漆标志线易褪色、脱块而变得不清晰，从而失去其对驾驶人员的指导作用，这时必须清除不清晰的标志线以更换新的标志线.传统的清除方法多为手工清洗、化学清洗和机械清洗，因其效率低、易污染和易损坏路面等缺点而得不到广泛推广［8］.高压水射流技术因其效率高、污染小等特点可成为解决标志线清除问题的良好方案.

现有的清洗设备系统压力为30～100 MPa，主要用于清洗路面而无法达到彻底清除标志线的目的.其喷嘴分布主要有单头、沿圆周分布的双头和4头等［9-11］，其不足之处在于中间区域无法一次性清洗到位，影响清洗效率.鉴于漆层标志线一次性难以清除的特点，设计的清洗执行机构如图1所示.

该喷嘴机构的特点在于12只高压喷嘴呈“二”字布置安装在清洗机构旋转驱动杆上，从内而外依次编号为1-12，其中1-4号喷嘴口径为0.20mm，其喷射轨迹圆半径依次为15.0，22.5，29.6，36.5 mm；5-6号喷嘴口径为0.25 mm，其喷射轨迹圆半径依次为43.3，50.0 mm；7-8号喷嘴口径为0.30 mm，其喷射轨迹圆半径依次为56.8，63.5 mm；9-10号喷嘴口径为0.35 mm，其喷射轨迹圆半径依次为70.0，76.8 mm；11-12号喷嘴口径为0.40 mm，其喷射轨迹圆半径依次为83.5，90.1 mm.由于每个喷嘴的间隔介于6.6～7.5 mm，从而保证了错落分布的12只喷嘴的圆形清洗轨迹由内至外均匀分布，可一次性有效清洗标志线的各个部位，提高整个清洗过程的效果和效率.

图1 清洗执行机构图

为了获得良好的清除标志线效果，喷嘴对清洗路面的冲击角（定义为喷嘴出口水射流方向与清洗路面法向的夹角）应为5°～30°［12］，设计的喷嘴机构中，冲击角为8°；同时考虑到城市路面的标志线宽度为150 mm，为了在清洗过程中能一次性覆盖标志线宽度，设计喷嘴的最大清洗半径为91 mm，最小清洗半径为18 mm.

2 试验方案的确定

2.1 试验对象

本试验选取南京高淳县内一柏油马路上的标志线作为试验对象.根据标志线涂料的不同，GB 5768—2009《道路交通标志和标线》规定标志线的厚度为0.3～2.0 mm.为分析标志线在不同厚度情况下，喷嘴机构各参数对其清洗效果的影响，分别选取厚度为0.7～1.0 mm和1.5～2.0 mm的2段不同材料涂层的标志线进行试验.

2.2 试验参数设定

实际清洗过程中，系统压力p、清洗速度v和喷嘴靶距D对超高压水射流清洗机的清洗性能产生重大的影响.清洗压力参数设定为70，90，100，110，120 MPa.喷嘴靶距设定为17，22，27，32 mm.清洗机构的移动速度设定为3，4，5，6 m·min-1.清洗小车系统设定的其他参数：旋转杆的转速为700 r·min-1；喷嘴出口水射流量为25 L·min-1.

3 结果后处理

后处理时，借助图像分析软件Halcon对目标图像中标志线的残余面积进行提取和分析，Halcon软件处理清洗图像的界面如图2所示.

图2 Halcon图像处理界面

高压水射流除标线清洗效果的评价参数是评判道路标志线清除作业是否达到特定指标的关键性参数.K.Babets等［13］在研究高压水射流除锈和油漆试验中采用了清洗宽度作为清洗效果的评价参数.D. G.Taggart等［14］运用射流的清洗厚度作为路面除冰时对冰面清洗效果的评价参数.为了能够系统地对试验结果进行对比分析，选择参数“清洗率”作为试验清洗效果的评判依据.清洗率定义为路面标志线清洗面积与未清洗前标志线原有面积的比值.

4 试验结果与分析

4.1 喷嘴靶距对清洗效果的影响

为研究喷嘴靶距参数对清洗效果的影响，固定其他参数：系统压力p=110 MPa，清洗速度v=6 m· min-1.图3为清洗试验在不同喷嘴靶距情况下获得的路面标志线清洗效果对比.图3a为试验前待清洗路面原貌，路面上破损严重的待清除白色标志线，其厚度为0.7～1.0 mm.当设定喷嘴靶距为17 mm时，得到的清洗效果如图3b所示，清洗效果并不理想，柏油路面依然残留大面积的白色标志线，经分析得到其清洗率为68.2％.增大喷嘴靶距至22 mm时，清洗效果已明显改善，其清洗率为85.6％，不过标志线的残余部分在图中依然清晰可见（图3c）.将喷嘴靶距增加至27 mm时，清洗效果得到大幅度的提升，白色标志线已基本清除干净，仅有少数白色微颗粒可见（图3d），计算得到其清洗率为98.4％.进一步增加喷嘴靶距至32 mm时，其清洗效果已有所下降，路面残留有较多尺寸更大的白色微颗粒，其清洗率为92.7％（图3e）.

图3 不同靶距下路面标志线清洗效果对比

图4为小车清洗速度v=6m·min-1，系统压力分别在100，110，120 MPa时，得到的不同喷嘴靶距产生的清洗效果对比图.随着喷嘴靶距的增加，其清洗效果也不断提升，且均在喷嘴靶距为27 mm时，获得最佳的清洗效果，靶距进一步增大清洗效果呈下降趋势.

图4 不同喷嘴靶距下清洗率对比

试验中发现：当靶距小于20 mm时，由于水射流作用在标志线上的动能过大，加上路面可能存在的杂质颗粒影响，导致清洗过程中产生的废水、脱落的涂料无法及时排出而影响了其清洗效果.而当靶距大于30 mm时，随着喷嘴出口的水射流动能的损失，对标志线的冲击力度开始减弱，达到最佳清洗效果的时间延长，从而影响整个清洗作业的效率.

4.2 系统压力及清洗速度对清洗效果的影响

当靶距D=27 mm时，试验得到不同的系统压力和清洗速度对路面标志线的清洗效果对比如图5所示.

图5 不同清洗速度和系统压力下清洗率对比

为了评判试验清洗效果，设定当清洗率大于95％时为最佳清洗效果的评判依据.从图5中横向比较可以发现：清洗速度越大，清洗效果越差，无法达到一次性清除标志线的目的；而降低清洗速度，虽然有利于标志线的清洗效果，却同时也降低了小车的清洗效率.通过试验得到，当清洗速度为3 m· min-1，系统压力大于100 MPa时，对路面标志线的清洗率均在95％以上，呈现出良好的清洗效果.同时，由图5中纵向比较可知：随着系统压力的增加，对标志线的清洗效果提升明显.

试验中发现：系统压力和清洗速度对标志线的清洗效果起到相辅相成的作用，即当清洗速度增加时，同时增加系统压力也可获得最佳的清洗效果，如图5中试验v=3 m·min-1，p=100 MPa和试验v=4 m·min-1，p=120 MPa的清洗率均达到99％以上，获得了理想的清洗效果；当进一步增加系统压力时，过强的水射流动能已经开始对路面造成一定程度的破坏.图6为设定喷嘴靶距D=27 mm，清洗速度v=3 m·min-1时，系统压力分别为120，130 MPa得到的路面形貌对比.通过分析图6中凹坑形状和尺寸大小表明：当系统压力为120 MPa时，其清洗路面形貌与原柏油路面基本一致，清洗过程对路面几乎不造成破坏，而当系统压力为130 MPa时，路面受水射流强大的冲击力作用而形成许多直径为10 mm左右的凹坑，路面破坏程度较高，同时较深的黑色也表明其破坏程度已经延伸到柏油路面的深度方向.

图6 不同系统压力对路面的破坏对比

4.3 最佳清洗效果参数组合的分析

实际作业中，清洗效果与标志线的厚度也有密切关联，通过分析针对厚度为0.7～1.0mm和1.5～2.0 mm的2段不同材料涂层的标志线试验结果，得到最佳清洗效果参数组合分别如表1，2所示.

表1 0.7～1.0 mm标志线最佳清洗效果参数组合

表2 1.5～2.0 mm标志线最佳清洗效果参数组合

表1，2统计了清洗率大于95％的试验数据，对厚度为0.7～1.0 mm的标志线，选择清洗速度为3～4 m·min-1，系统压力为100～120 MPa时，容易获得最佳的清洗效果，而一旦提高清洗速度，则需对系统压力重新进行调校.同理，对厚度为1.5～2.0 mm的标志线，选择清洗速度为3 m·min-1，系统压力为100～120 MPa时，容易获得最佳的清洗效果.

5 结 论

1）针对城市路面标志线难以去除的问题，设计了一种可用于超高压水射流清洗系统的喷嘴机构，该机构特征在于错落分布的12个喷嘴的圆形清洗轨迹由内至外均匀分布，可一次性有效地清洗标志线的各个部位，提高整个清洗过程的效果和效率.

2）获得了喷嘴靶距、系统压力和清洗速度对标志线清洗效果的影响规律和不同厚度标志线最佳清洗效果的参数组合，试验结果为超高压水射流清洗系统高效完成标志线清洗作业提供了重要的参考依据.

（

）

［1］薛胜雄，王乐勤，王永强，等.高压水射流技术在石化设备清洗、除锈中的应用［J］.流体机械，2004，32（8）：28-30. Xue Shengxiong，Wang Leqin，Wang Yongqiang，et al. Application of high pressure water jet technology on cleaning and de-rusting for petroleum and chemical engineering equipment［J］.Fluid Machinery，2004，32（8）：28-30.（in Chinese）

［2］庄静伟，王 强，史 亮，等.高压水射流的发展与应用［J］.中国水运，2007，7（6）：124-125. Zhuang Jingwei，Wang Qiang，Shi Liang，etal.The development and application on the jet of high pressingwater［J］.China Water Transport，2007，7（6）：124-125.（in Chinese）

［3］付曙光，曾良才，张小明，等.基于Fluent的高压除鳞喷嘴湍流仿真模型［J］.武汉科技大学学报：自然科学版，2007，30（2）：171-173. Fu Shuguang，Zeng Liangcai，Zhang Xiaoming，et al. Simulationmodel of high pressure descaling nozzle based on Fluent［J］.Journal of Wuhan University of Science and Technology：Natural Science Edition，2007，30（2）：171-173.（in Chinese）

［4］Ozcelik Y，Tercan A E，Yilmazkaya E，et al.A study of nozzle angle in stone surface treatmentwith water jets［J］.Construction and Building Materials，2011，25（11）：4271-4278.

［5］朱学彪，陈奎生，王 毅，等.高压除磷喷嘴喷射流场数值模拟与试验分析［J］.机械设计与制造，2009（5）：217-219. Zhu Xuebiao，Chen Kuisheng，Wang Yi，et al.The simulation and experimental study on jet field of high-pressure nozzle for phosphorus［J］.Machinery Design& Manufacture，2009（5）：217-219.（in Chinese）

［6］康 津，罗 静，龚文均，等.高压无气喷涂扇形喷嘴内部流场数值模拟［J］.重庆理工大学学报：自然科学，2013，27（10）：34-38. Kang Jin，Luo Jing，Gong Wenjun，et al.Numerical simulation of internal low field on hyperbaric non-gas spraying nozzle［J］.Journal of Chongqing University of Technology：Natural Science，2013，27（10）：34-38.（in Chinese）

［7］康 灿，刘海霞，周 亮，等.水射流冲击固体表面的能量因素与冲蚀机理［J］.江苏大学学报：自然科学版），2014，35（2）：155-159. Kang Can，Liu Haixia，Zhou Liang，etal.Energy effect and erosion mechanism associated with impact on solid surface by waterjet［J］.Journal of Jiangsu University：Natural Science Edition，2014，35（2）：155-159.（in Chinese）

［8］孙赫应.超高压水射流交通标志线清洗系统研究［D］.大连：大连海事大学机械工程学院，2013.

［9］Bernold L E，Lee T S，Koo JK，et al.Automated ecofriendly road stripe removal system［J］.Automation in Construction，2010，19（6）：694-701.

［10］Yie G G，Wash A.High pressure fluid jet apparatus for cutting and removing pavement：USA，USP 4683684［P］.1987-08-04.

［11］George JM.A method for cleaning a surface by using rotating high pressure fluid streams：USA，USP 5725680［P］.1998-03-10.

［12］Ham Y B，Kwon SW，Noh JH，etal.Developmentof road stripe removing equipment using high-pressure water jet［J］.Automation in Construction，2006，15（5）：578-588.

［13］Babets K.Geskin E S.Application of fuzzy logic for modeling of the waterjet paint stripping［J］.Machining，Science and Technology，2000，4（1）：81-100.

［14］Taggart D G，Osama I，Milton H.Application of jetting technology to pavement deicing［J］.Transportation Research Record，2002，1794：77-83.

（责任编辑 贾国方）

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

杨志贤，相明明.超高压水射流喷嘴机构的设计及试验［J］.江苏大学学报：自然科学版，2015，36（5）：522-526.

10.3969/j.issn.1671-7775.2015.05.005

2014-09-15

江苏大学高级人才启动基金资助项目（10JDG058）

杨志贤（1978—），男，江西吉安人，副教授（hiyoo@mail.ujs.edu.cn），主要从事甲虫生物材料的仿生研究.

相明明（1989—），男，江苏赣榆人，硕士研究生（158598038@qq.com），主要从事机械CAD与CAE研究.