对空间型水射流旋转喷头运动参数的研究

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1、全国第七届高压水射流技术讨论会论文对空间型水射流旋转喷头运动参数的研究张乐尧　　张齐庄　　焦阳一九九三年十月摘要　　空间型水射流旋转喷头是一种广泛用于石油化工和其它行业的储罐、釜、槽等各种容器内部清洗的设备。本文介绍了作者对空间型水射流旋转喷头运动参数研究的情况。在采用计算机模拟旋转喷头运动状况，分析其运动规律的基础上，本文着重阐述了运动乘数对其运动规律、运动轨迹的影响，并结合水射流对旋转喷头性能的影响，提出了确定运动乘数的基本方法。旋转射流是一种用途广泛的水射流工作方式。它不但可以提高清洗的效率（例如采用旋转射流清洗平面），更重要的是它可以对一定空间进行全方位的

2、清洗，覆盖整个被清洗表面。　　形成旋转射流的喷头可分为两种，一种是平面型，射流只绕一固定轴旋转（图一）；一种是空间型，射流绕一轴旋转的同时，该轴还绕与其垂直的另一轴旋转（图二）。图一图二一、平面型旋转喷头在不考虑射流断面积的情况下，固定喷头所喷出的射流在靶板上形成一个点。该点的坐标值是常量（图三）：x＝ay＝b图三在上述条件和靶距不变的情况下，射流只绕一固定轴旋转时，在靶板上形成一条轨迹为圆的线。这个圆确定了靶板平面xoy（图四）。这时，射流在靶板上的位置是时间t的函数。设射流旋转的角速度为ω，则有：x=Rcos(ωt)y=Rsin(ωt)z=c图四我们称这种为平

3、面型旋转喷头。移动平面型旋转喷头，其轨迹会形成一个面：当沿z轴运动时，会形成一个圆柱面（图五），当在与靶板平行的平面内运动时，则形成一个平面（图六）。图五图六二、空间型旋转喷头在与平面型相同的情况下，当射流绕一轴旋转，同时该轴还绕与其垂直的另一轴旋转时，射流的运动轨迹则是一个半径为R的球面，我们称之为空间型旋转喷头。这时，射流在靶上的位置由乘数方程：　　　　x=x(t)　　y=y(t)　　z=z(t)决定。在空间型旋转清洗喷头中，我们称射流绕其旋转的一轴为主动轴，与主动轴垂直的为从动轴。从动轴与主动轴之间通过诸如圆锥齿轮、圆柱齿轮、蜗轮蜗杆等啮合传动发生联系（图七

4、），由机械原理可知：　　i=ω1／ω2=n1／n2=z1／z2式中：ω1——主动轴的角速度（弧／秒）ω2——从动轴的角速度（弧／秒）n1——主动轴的转度（转／秒）n2——从动轴的转度（转／秒）z1——主动齿轮的齿数z2——从动齿轮的齿数图七　　5主动轴在靠喷嘴的反推力以ω1的速度自转的同时，还通过啮合元件，带着喷嘴绕从动轴以ω2的速度公转。三、空间型旋转喷头运动轨迹的计算机模拟为了观察旋转喷头的运动状况，分析各乘数对其运动的影响，掌握其运动规律，我们采用计算机进行模拟。图八　　如（图八）所示建立空间直角坐标系。假想一半径为的球面，将旋转喷头主、从动轴的轴线交点放在

5、坐标原点O上，并使其从动轴在Z轴上，为了简化问题，便于研究，我们只考虑一个喷嘴的情况，且令偏心距e=o，即射流从原点O射出，以沿x轴正向为起点，绕主、从动轴旋转。这时有：　　　　x=Rcosαcosβy=Rcosαsinβz=Rsinxα　当时间T=t时：α＝ω1t　β＝ω2t因为：　　　　i＝ω1／ω2　　　　故：ω2＝ω1／i所以：　　　　β＝1／iω1t因此有：　　　　x=Rcos（ω1t）cos（ω1t／i）y=Rcos（ω1t）sin（ω2t／i）z=Rsin（ω1t）　　依上式可求得任一时刻t，射流打击在球面上的点的沿Z轴的投影图。利用计算机，则可作出

6、沿Z轴投影的打击点的轨迹图。　　实际的旋转喷头存在偏心距e，这时：　　　　x=（R2-e2）1/2cosαcosβ+esinβ　　y=（R2-e2）1/2cosαsinβ-ecosβ　　z=（R2-e2）1/2sinxα　　把x，y，z分别平凡再相加，则有：　　　　x2+y2+z2=R2这说明(x，y，z)点是球面上的点。依上式利用计算机可得到e≠0时的轨迹图。四、轨迹与运动参数的关系在讨论轨迹与运动参数的关系时，我们仍先讨论一只喷嘴，e＝0的情况。由于旋转喷头的公转轴（从动轴）是沿Z轴的，这样水射流打击的运动轨迹在x，y轴所在平面的赤道带上，其间隔距离最大，密度

7、最小；而在两极则全部通过极点，多次重叠，密度最大。在赤道与极点之间，其打击密度随纬度的增加而加大。因此，必须讨论射流在赤道带上所打击过的次数和分布情况。在运动参数中，对运动轨迹有决定作用的是传动比i。由于：　　　　i＝n1／n2　　在某一时刻t，主、从动轴所转过的转数分别为：N1=n1t　　　　N2=n2t　　因此有：i=N1／N2　　当N1为整数，同时N2也为整数时，射流的运动轨迹封闭，即轨迹终点与始点重合。这时，若继续旋转，也只是重复上一个周期，而不会出现新的轨迹。在工程上，这种情况即为重复清洗。若N1、N2始终不能同时为整数，则轨迹永远不会封闭。　　当i为有

8、理数（无限