第1章　水射流技术概论

1.1　水射流技术原理和典型组成

水射流（water jet）是用高压或超高压泵将普通水介质增压，然后使其通过喷嘴（orifice）以亚声速或超声速喷出，从而形成高速、高能、高穿透力水束，即高速水射流束，如图1-1所示。

图1-1　高速水射流束

典型水射流系统主要由高压发生系统、喷嘴组件、控制阀组及高压管件四部分组成。图1-2所示为超高压水射流切割机床的水射流系统组成。该系统由液压油回路和高压水回路组成。其工作原理为：液压油回路中，液压泵3由电动机驱动工作，经过滤器2从油箱1中吸油，液压泵输出的压力油经节流阀5、三位四通电磁换向阀6左位进入增压缸7左活塞腔，同时增压缸7右活塞腔的液压油液经电磁换向阀6左位回油箱，则增压缸7活塞在压力油作用下右行，此时增压缸7的柱塞对柱塞腔右侧的水介质进行增压。

图1-2　超高压水射流切割机床的水射流系统组成

1—油箱；2—过滤器；3—液压泵；4—调压溢流阀；5—节流阀；6—三位四通电磁换向阀；7—增压缸；8～11—单向阀；12—超高压蓄能器；13—压力表；14—喷嘴；15—水箱

超高压水经单向阀11进入超高压蓄能器12，然后从喷嘴14喷出，形成高压水射流；与此同时，水箱15内的水介质在压力作用下经由单向阀9注入增压缸左侧的柱塞腔内。当活塞右行至行程终点时，霍尔接近开关发出电信号，电磁换向阀6换向，增压缸活塞反向（向左）运动，并对左侧柱塞腔内的水介质进行增压，高压水经单向阀8进入超高压蓄能器12并从喷嘴14喷出；同时水箱15内的水介质经由单向阀10注入增压缸右侧的柱塞腔内。如此往复，则可形成连续高压水射流。如果三位四通电磁换向阀6处于中位，此时增压缸活塞停止运动，液压泵输出的全部液压油经电磁换向阀6中位流回油箱，液压泵卸载，水射流亦停止射出。

超高压发生系统是水射流的动力源，它为普通水介质提供压力能。如果增压缸增压比（面积比）为14∶1，则当液压泵输出油压为30MPa时，增压缸的输出水介质压力可达420MPa。为了保持输出压力恒定，一般采用恒功率变量液压泵作为动力源。这种泵可以使超高压发生器输出流量与喷嘴在一定压力下所需的流量相匹配。图1-3是典型液驱超高压发生系统。

图1-3　典型液驱超高压发生系统

喷嘴是一个换能元件，它把水介质的压力能转换为水射流的动能，是水射流的关键部件之一。由于水射流经喷嘴后会迅速扩散，因此，通常在水喷嘴的后面安装一聚焦管（focusing tube），从而对水射流束进行校直和聚焦，形成喷嘴组件，如图1-4所示。

图1-4　喷嘴组件

水射流系统的控制阀组，包括溢流阀、安全阀、卸荷阀、截止阀、单向阀等，主要控制压力水的流向、通断或泄压，从而保证系统安全运行。高压管件包括硬管、高压软管、接头、三通等，它们将压力水供给喷嘴组件。在水射流系统中，阀组和管件通常采用高强度不锈钢制造；软管则采用含强化钢丝层的聚酰胺制造，其最高使用压力可达400MPa。

具有很高动能的水射流束可以用来进行工业清冼、材料切割等各种作业。为了增强水射流的威力，一般采用两种办法来强化：一是在水中加入可溶性添加剂，如高分子聚合物（Polymeric），通过增加水分子表面张力来降低射流的扩散，从而提高射流的穿透能力。这就是超水射流（super-water jet）；另一种办法是在水中添加固体粒子（即磨料），从而形成磨料水射流（abrasive water jet）。由于磨料水射流具有切割加工高硬度、高脆性和高韧性材料以及复合材料的能力，因此已经逐步成为一种新型机械加工工具，在航空航天、机械制造、汽车、国防、 军工和核工业等工业领域得到愈来愈广泛的应用。