摘要：由喷嘴等多个零件组成的喷射设备部件叫做喷头。喷嘴仅为喷头的一个零件。因此，喷头除具有喷嘴的功能外，还具有旋转、进给、多束等功能。喷头的丰富是水射流周边设备齐全的一个重要标志。喷头的技术密集性和无以替代的应用特性极大带动了主机市场，提高了设备的成套性水平，已成为水射流成套设备的关键技术所在，总结喷头技术正是为了更好地发展它，而自旋转喷头已经在喷头家族中扮演至关重要的角色且成为未来研究、发展的必然趋势。

　　关键词：喷头；自旋转；水射流

　　随着高压水射流应用对水射流高效率作业，操作简单、方便等方面要求，自旋转喷头因其具有的上述优势逐渐成为水射流应用领域的主角。自旋转喷头的旋转动力来自水射流本身，由偏置喷嘴形成足以使得喷头旋转的扭矩，经验表明，这种旋转扭矩的门限值是11N·m。与强制旋转喷头相对比，自旋转喷头具有结构简单，使用、操作方便等一系列优点。自旋转喷头的结构设计使射流反冲力引起喷头转动[1]，这个反冲力与运行压力和流量有关。随着对旋转喷头密封结构和限速结构的深入研究，在稳定性及转速方面已经取得了巨大的成功，自旋转喷头已经批量地应用于生产当中。目前自旋转喷头按工作压力划分为3个档次，即70MPa、140MPa、280MPa。适用的流量范围也非常广泛，覆盖了水射流作业的几类典型应用——清洗、除锈和破碎。自旋转喷头有两种主要形式:一是喷头体与旋转体自成一体，轴向尺寸小，尤其适用于有弯头的管道清洗；二是喷头与旋转体为两体，其实是由旋转接头和喷头体两部分组成。

　　1自旋转喷头的密封

　　高压旋转密封是自旋转喷头的关键，既要实现高压下低速旋转、又要无卡阻是对旋转密封的基本要求。传统的旋转密封基本采用轴向套筒间隙密封，随着压力的升高，对要求“难以测量”的间隙已很难加工得合适，而且旋转密封也没有往复密封那样的复合压力弹性变形条件，因此，一味地加长轴向套筒尺寸很难保证超高压旋转密封，不是阻力太大难以转动，就是旋转起来飞快而使射流雾化，而且密封段尺寸还过长。旋转接头的主体将密封件集中在端面，改为尺寸很小的两只套筒的“端面密封”。由轴向间隙密封改为尺寸很小的端面密封，这一成功，使超高压密封件成为系列旋转接头的通用件、标准件，适用于各种直径的旋转体，同时作为易损件又容易拆换。

图1自旋转喷头外型

　　2自旋转喷头的限速

　　当射流所形成的扭矩大于固定体与旋转轴之间的摩擦力矩后，自旋转喷头的旋转轴得以启动旋转。在一定的压力和流量参数下，由水射流反冲力形成的旋转扭矩为定值且大于系统阻力，旋转轴即以一定的加速度旋转，不能忽略空气阻力对旋转扭矩得以平衡的影响，旋转趋于均匀，此时转速很高。要使转速能够被控制，必须提供一种可变的系统阻力，使其随着转速的增加而增加，迅速与旋转扭矩达到平衡，从而达到有效限制转速的目的。目前成熟的自旋转喷头大都采用离心限速[2]和黏性流体限速相结合的形式。离心限速的工作原理为:当旋转轴处于临界启动状态时，转速为零，离心块(一般为3瓣)不具有离心力，其与安装在固定体上的限速环之间没有摩擦力。当旋转轴能够转动起来之后带动离心块旋转。在离心力的作用下，离心块分开，与限速环之间的摩擦力随着转速的增加而增加，迅速与旋转扭矩达到平衡，保持匀速转动，转速不再升高。黏性流体的限速原理为:旋转轴上设置异型叶片结构，将其安装在封闭的腔体内，向腔体内加注黏性流体，旋转轴旋转时与黏性流体相互摩擦产生减速阻尼。这种方式一是要选用不同黏性的流体用于不同结构的旋转部件；二是机构设计上要造成流体的阻尼作用。由于端面密封结构的阻尼很小，如果没有减速机构，水力扭矩一旦超过门限值[3]，旋转喷头转动后将越来越快地旋转，乃至产生啸声，这样端面密封很容易破坏，黏性流体限速有效地避免了这一现象的发生。自旋转喷头的限速特点是将喷头转速控制在一个预期的范围内。实践证明，转速越低，越有良好的射流形状，越能避免射流雾化，消除啸声，越能提高旋转射流的打击力，提高其运行可靠性。

图2自旋转喷头解体图

图3自旋转喷头的密封

　　3自旋转喷头的使用

　　旋转喷头的清洗质量高、效率高，价格也要比固定喷头高得多，因此，如何正确使用自旋转喷头，尽量延长其使用寿命便显得尤为重要。

　　3.1保证清洗用水的水质

　　旋转轴与固定体之间是高压、高速的旋转运动副，如果水中杂质较多，会加速该运动副部件的磨损，会影响喷头的密封性能和转速的稳定性，会加速旋转喷头失效。提高水质可以从两个方面入手：其一，要保证清洗用水的化学性质接近中性(pH值接近7)。因为偏酸或偏碱性的水质都会对喷头材料产生一定的腐蚀；其二，要尽量减少水中的固体颗粒杂质。提高清洗用水的过滤精度对或更换滤芯。优良的水质能够有效延长旋转喷头、喷嘴及高压泵机组的有效作用时间。

　　3.2保证旋转喷头的自由旋转

　　自旋转喷头作业时，限速结构的各种部件均匀受力，稳定工作。当突然受到外力作用，使旋转部分突然停止，会使限速部件的受力陡增，很有可能破坏结构薄弱的部件(如挂钩弹簧)而导致限速机构的失效，容易产生该种结果的有以下几种情况。其一，清理堵死或垢层较为严重的管道内壁时，喷头与垢层突然相互抵紧而导致喷头无法旋转。采用高压水射流清理作业时，应该依靠水射流的打击力来清除结垢而并不是靠喷头捶击垢层；其二，使用大直径旋转喷头清理的大直径管道时，为了保证射流的有效靶距，需借助加长喷杆连接在喷头体和喷嘴之间。为了避免加长喷杆与管道内壁之间产生刮碰，一定要配备喷头定位支架；其三，采用手持喷枪连接自旋转喷头作业时，操作者一定要注意保证旋转喷头的自由旋转，避免旋转部分卡到某固定结构。其实只要操作得当，细心应对，避免旋转喷头卡死并非难事。

　　3.3合理选择旋转喷头

　　合理选择主要是指采用旋转喷头对管道内壁清理作业时，根据管道直径选择合适尺寸的旋转喷头，管道直径太大而选择喷头直径太小，会增加水射流靶距，减小射流打击力而影响作业效果及效率。当选择的喷头直径与管道内壁直径过于接近时，不利于垢物的排出，也有可能造成旋转喷头卡死。一般情况下，旋转喷头的直径比待处理管道直径小30～60mm(即射流靶距约为15～30mm)都不大会影响作业效果。对于垢层附着力较小的管道清理，靶距还可以增加。根据待处理管道的长度、直径和拐弯情况来合理地选配喷嘴也是非常重要的。既要保证喷头具有足够的推进力(主要是依靠射流的反冲力产生推进力)，同时也要避免喷头因推进力太大而进人管道太快。

　　（来源：中国化工报2022年第5期马德强）

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