一束从小口径孔中射出的高速水射流作用在材料上，可使用其所具有的足够能量进行材料清洗、剥层、切割，液体的这种性能激励着各国研究人员去开拓“用水作业”的新方式，将水射流的动能变成去除材料的机械能。

射流离开喷嘴后最常见的形式是圆柱射流。这种形式的射流携带射流能量最为有效，但它在靶件表面上的有效打击面积也最小。为了进行大面积清洗，通过改变喷嘴形状就有了扇形射流，其特点是射流以一条线的形式冲击在靶件上，随着喷嘴的位移，便出现了一条宽幅的清洗带。近来还出现了一些不同形状的喷嘴，如圆锥形、三角形。矩形等，统称为异形喷嘴。

射流因其介质不再局限于水，应严格定义为液体射流。如切割含有糖分的食品，水则容易溶化糖而破坏了这些食品。为了避免此缺陷，对切割蛋糕和巧克力之类的食品应采用植物油或其他可食用油作介质。某些射流应用场合还要求用乳化液作介质。但是，我们泛称水射流并不影响其他液体射流的存在。

实际应用的水射流大致可以分为3种类型：连续射流、脉冲射流、空化射流。

连续射流

连续射流是最普通的射流形式，又是一个庞大的家族，可以细分为如下几类。

(1)根据射流性质分为；

①液体射流（包括水射流和其他液体射流）；

②液体一固体射流（即磨料射流）；

③液体一气体一圆体射流（气压输送磨料）。

(2)根据射流压力分为：

①低压力射流：工作压力不大于10MPa的水射流，其系统主机多为离心泵或低压往复泵；

②高压力射流：工作压力在100MPa的水射流，其系统主机多为高压往复泵；

③超高压力射流：工作压力不小于100MPa的水射流，其系统主机多为超高压往复泵和增压器。

上述划分依据中国有关标准。由于水射流作业的高压化、大型化发展趋势，高压水射流的概念逐渐认同到150～200MPa；超高压水射流的概念则已认同到工作压力不小于200MPa，因为这是一般水切割作业压力的下限。对此，水射流设备标准正在修订。连续射流又可加温、加化学清洗剂、加长链聚合物以提高其性能。

(3)根据射流周围介质分为：

①淹没射流一一水射流在水中或其他液体中喷射；

②非淹没射流——水射流在空气中喷射。

(4)根据射流用途分为：

①雾化射流（降尘、喷灌等）；

②造型射流（喷泉、人造瀑布、水幕等）；

③真空射流（水射流抽吸）；

④圆柱射流（消防、清洗等）；

⑤细射流（清洗、切割等）。

脉冲射流

脉冲射流是非连续射流，这种间断射流的形象很类似于子弹射出，

它由以下几种方式产生：

(1)聚能骤放，或曰“水炮”；

(2)压力挤出；

(3)流量调节，又称“水击”。

这些射流的性能取决于水击形成的频率、水击长度与射流直径之比和水击的能量。

聚能骤放型和压力挤出型都有个共同特性，那就是足够高的能量产生了脉冲；与此相对应的是流量调节型，它产生了许许多多的脉冲，而每个脉冲仅需很小的能量。

(1)聚能骤故型脉冲射流的特性如下：

①速度衰减迅速，脉冲持续相对短促；

②每次脉冲喷射的流量足够小；

③最大射流速度取决于喷嘴面积比（喷嘴人口截面面积与出口截面面积之比）及喷嘴长度与水击长度之比而不是喷嘴直径；

④速度衰减时间是水击速度的函数。

(2)压力挤出型脉冲射流的特性如下：

①持续的射流速度与时间和长脉冲有关；

②大流量脉冲特征，脉冲流量取决于泵机组高压缸容积和行程；

③最大射流速度取决于喷嘴直径而不是喷嘴面积比；

④相对于压力随时间变化关系，靶件负荷接近于阶跃函数。

由于这些脉冲射流产牛的失效形式不完全控制裂缝延展，结果使靶件表面材料的剥除量大且无规则。

流量调节型脉冲冲射流基本上是间断连续射流，其结果形成分离间距较小的流体束来神击材料表面。这种形式的射流有以下特性：

①每个脉冲所需能量小；

②高频率的脉冲冲击；

③脉冲冲击类似液滴冲击，不产生持续的靶件负荷，动量作用占主导地位。

空化射流

空化射流是一种在射流中自然产生空化气泡的连续射流，空泡或采用空气或采用淹没方式产生，采用多种方法在流体中形成一个压力低于当地蒸汽压力的区域，这样也就激发了空化核的生长（流体中的气泡），这些气泡被卷入射流进一步生长，直到它们接近被清洗或切割的表面由于受阻滞而引起破裂。在破裂过程中，产生非常高的压力和微射流，靶面应力高于大多数材料的抗拉强度。虽然单独的空泡破裂造成的破坏程度较小，但持续渐增的此类现象使得材料的失效延展扩大。

(1)相对于连续射流，空化射流的优点如下：

①硬质物品所需工作压力大幅度降低；

②喷嘴和其他高压部件寿命延长；

③切缝比连续射流要宽得多，这对表面清洗来说是一个优点；

④在水下相对于连续射流性能有所提高。

(2)相对于连续射流，空化射流的缺点如下：

①切缝极大；

②流量比连续射流要大1 0倍左右；

③切割质量相对不好控制；

④靶距的局限性。

空化射流系统在清洗与弹药回收应用方面已有业绩。

水射流的压力和流量覆盖范围很广，形式也多种多样，困此它的应用也就非常广泛，甚至渗透到风马牛不相及的各个领域。我们就以压力这条主线来简要地谈一下水射流的应用。

低压水射流

低压水射流所用的主机大都是离心泵，它的流量相对很大，除了常见的消防、喷泉、喷灌等用途外，这里着重介绍一下新的用途。

喷泉看似很传统，但它的推陈出新形成了对低压水射流难以解开的谜。瑞士日内瓦湖的喷泉以其喷射高度达160多米成为世界最高喷泉。它的水上水柱质量达7t，射流质点自喷出至最高点再落下一个行程需16s。其主机由两台1320kW的大型离心泵并联组成，流量达500L/S。该喷泉的壮丽景观已经成为同内瓦市的象征，难怪美国欲与瑞士合作将其移植。日内瓦人幽默地回答：如果世界各地都有这样的喷泉，那么日内瓦就不叫日内瓦了。尽管如此，沙特阿拉伯的吉达市海滨、澳大利亚堪培拉的格里莽湖、美国圣路易斯市都出现了类似的高射程喷泉，我国已有了这类奇观。如何增加喷射高度已成为喷泉的技术奥秘了。水幕电影是喷泉的一种新形式，即通过特殊的喷头形成高达50m左右的均匀薄平的巨型水幕，在该水幕上放映激光电影，达到白天无影无踪，夜间神奇入画的效果。这是加拿大首先开发应用的新技术，用作广告媒体和旅游景观也是别出心裁的。水射流用于消防也很传统，水雾灭火则是一种新的方法。它以水雾取代大流量水柱，即采用lOMPa高压泵通过喷射系统产生小于0.Imm直径的水雾水柱，细小水珠蒸发起到迅速制冷作用，在蒸发过程中水珠体积扩大600倍，以隔绝燃烧物体处的氧气，达到灭火目的。水雾灭火特别适用于带电区域的火灾，而这类火灾则很难使用连续水射流。同时，高压小流量的水雾灭火较常用的水龙头灭火节水近90%。

大流量水射流冲击泥土作用有这样一个实例：在1973年埃以战争期间，以方为保证24h内横穿运河修建数座桥梁，在巴列夫防线的部分区域堆起巨沙屏障，试图阻滞埃及坦克部队48h。要捣毁这座沙墙，使坦克能穿行过去，按正面豁口宽6.8m计算，要求排除约55立方的黄沙。在东堤通过坦克部队需打出约60处这样的豁口，若使用推土机则需要10～12h，然而埃方采用了高压水射流仅用不到5h就打开了豁口，破坏了巴列夫防线，为其军队赢得成功。

高压水射流

高压水射流应用于船舶除锈和工业清洗已很普遍。在水射流中，适用范围最广的就是高压水射流，其压力范围在10～lOOMPa，压力上限现已扩展到250MPa。这个压力区间的特点是随着机组功率的增加，由单机转变为成套装备，由简单作业（如清洗）转变为复杂作业（如开采煤矿等）。

高压水射流的另一应用就是破碎，可用其在材料上开槽，近十年发展到机械辅助剥除大量材料。目前，几乎在所有情况下，设备的研究已经集中在设计好的喷嘴，以及可靠的旋转喷头和旋转接头（它们可大大提高水射流束在物件表面上的移动速度）。破碎功能应用于机场跑道除胶、桥梁维修、煤层开采、辅助掘进、公路破坏，大坝浇注冲毛等等。

超高压水射流

超高压水射流有2种主要形式：即压力范同在200～400MPa，借助连续介质流的形式，此间流量多在2～6 L/min；而当压力达700MPa甚至更高时，其装置则为单击水炮形式。超高隘水炮装置由聚集的大量高压压缩气体（氨气或空气）提供驱动压力，在水炮击发前，或借助点火引爆，或借助推进物冲击炮筒，使其能量突然爆发。由于射流炮筒 超高压水切割设备与工艺是近10年来各国水射流行业的发展热点，从历次国际水射流会议论文来看，水切割技术内风毛麟角发展为主导内容，随着水切割设备与工艺的商品化，水切割应用已渗透到许多工

业领域。200～300MPa的连续运行射流切割系统，比其他许多切割工具更加令人满意。其特点是对材料无选择性、切缝窄(0.3mm)、质量好、不破坏材料内部组织、能进行二维与三维异形切割。

水射流在70MPa压力下的流速约为300m/s，当压力达到超高压时，流速可望达到1000m/s，这样就可实现很高的切割速度。水切割一旦实现很高的压力、很小的流量作业就意味着工作台位上的作用力很小，这就使得切割喷嘴很容易安装在机器人手臂上，实现计算机控制下三维复杂形状的高精度切割。

水切割对材料的无选择性极为重要，也就是说它既能切割刚性的金属板材，又能切割柔性的布匝纸张。人们还曾用作工具切割软糖。然而，纯水射流的切割应用受到了压力的局限，一味地升高压力又意味着设备可靠性难以保证，且不容易实现，从而也就有了磨料水射流的20年发展史。用200MPa以上的射流压力引射磨料，在短靶距时可很好地用于切割，这就为明显降低射流压力，使其技术可靠地进入商品化创造了条件。

人们认识水射流应该说还是从水的冲刷作用开始的。大雨能把田地冲出一道水沟，能剥落山岩，甚至能造成泥石流。河道出口久而久之便冲积成了三角洲。水对大自然的鬼斧神工表现在3个方面：使材料破裂、流动、去除。

水射流的应用起源于采矿业。早期利用水射流冲洗矿石中的泥土，蓄水运送并筛选矿石和直接周水射流冲刷煤层。由冲刷到破碎实际上是水射流的一个质变，前者是低压大流量，后者则是高压小流量。本世纪30年代已开始用水射流采煤。开始是用lOMPa以下的水射流冲采中硬以下煤层，至70年代已发展到用20～30MPa水射流慢速切

割煤体，再后来就是高压至lOOMPa、超高压大于200MPa的水射流辅助采煤机、掘进机用于破碎落煤和破岩。

只有提高水射流工作压力才能使其广泛应用于大工业部门，这已成为人们的共识。20世纪70年代，高压水清洗和超高压水切割在同步发展。80年代，高压清洗已日趋完善，普及应用。超高压水射流切割工艺一直是水射流行业研究、追踪的热点。尤其在80年代末、90年代初期这类所谓“水刀”设备已经批量化、商品化，而且以机械于控制切割头为代表的产品已迅速达到了全自动、智能化的高水平。

水射流技术在向高压方向发展的同时，70年代末期国际水射流领域出现了一个引人注目的新动向，即从单一提高水射流压力，的观点开始转向研究如何提高和发挥水射流的潜力这方面来了。这就有了脉冲射流（水炮）、高温射流、磨料射流和摆振射流。这些射流与同等压力下的普通连续射流相比，显然大大提高了作业效率。80年代以来，磨料射流、空化射流、气水射流和旋转射流的进一步发展，将高压水射流技术推向一个新的阶段。水射流领域已经形成了一个以压力、功率为纵坐标、以射流形式为横坐标的技术与产品的甲而型谱。高压水射流技

术的应用范围也由单纯的采矿业扩大到石油、化工、轻工、航空、建筑、冶金、市政工程和医学等领域。

高压水射流技术的发展大致可分为4个阶段：60年代处于以低压水射流采矿为主的初朝阶段，同时以静压试验和化工流程为主要目的的高压泵、增压器和高压管件（统称高压设备）的研制取得了许多商品化成果（它们的介质主要不是水），这为高压水射流技术的到来奠定了基础；70年代主要针对采煤机、清洗机开展了水射流工业试验，这时期的主攻方向是提高以水为介质的高压动设备的压力和可靠性，同时开发多种形式的射流，尤其自1972年开始两年一届的英国流体机械研究集团(BHRG)主办的国际承射流技术会议(lnrernational Conference on J etting Techno'logy)、自1981年开始两年一届的美国水射流技术协会( WJTA)主办的美国水射流技术会议(American Water JetConfcr-ence)和自1990年开始两年一届的国际水射流协会(ISWJT)和日本水射流协会(JSWJT)主办的亚太国际水射流技术会议(Pacific Rim Iri-ternational Conference on Waler Jet Technology)等，极大地推动了国际水射流界的交流与发展。80年代是高压水射流技术迅速发展阶段，突出体现在高压、超高压、大型化、成套化、专用化和新型水射流形式都已产品化、规模化、商品化，尤其是清洗、除锈、切割应用的可靠性、安全性，迅速拓展至各工业部门。上世纪90年代，一些高难度研究，诸如机器人多维水切割、水下切割、井喷管I 1切割、干冰切割等的问世，国际会议的主题基本上嗣绕着水切割展开，丰富、完善承切割研究与应用已经成为国际水射流界的焦点与热点，同时这一领域的标准与技术专著也时有出现。近年来许多标新立异的成果表明：一个能根据实际需要自如地控制各种类型高压水射流技术特性、造福人类的新时代已经到来。喷射技术已经成为一门独立的综合性的新学科。

高压水射流技术逐渐形成了以下几类专业产品：数控超高压水切割机、系列高压清洗机（线）、超高压大功率水射流成套设备、清洗类的微小型（含热水）清洗机等，除此之外，高压水射流技术辅助设备及应用发展得很快，如钻采工具、推进工具、挖（吸）泥工具等。

超高压水切割机

超高压水切割机又称“水刀”，我国存上世纪90年代后期开发的产品，不到10年，目莳已经拥有10多家制造企业，年产量800台，产值约2亿元人民币，这一数据在美国也是令人生畏的。

水切割机产品的工作压力大都在250～330MPa之间，数控、伺服电机驱动，主机为增压器和超高压泵两种形式。由于超高压的缘故，高压承压件、喷嘴、阀与密封一直是其产品可靠性的攻关对象，与国外专业公司的合作极大地促进了这一产业的发展。虽说水切割的最大优势是对材料的无选择性，即它可以切割任何一种材料，但由于运行成本、切割工艺及质量等诸多因素，我国的水切割及其产品主要用于石材、玻璃等非金属件的切割，因为一般的金属板材切割可采用传统工艺，无需讲究切缝质量，又很省钱。

水切割作为一种冷态切割工艺，它不会破坏材料内部组织，因此适用于贵重金属板材的切割，对此，我国已在炮弹切割处废、核岛容器复合材料切割作业中有所作为，而水切割主要应用在非金属板材切割，市场现状使其无断点切割和切缝无需_二次加工的特点发挥到了极致，作为产品，磨料射流切割尚处在小功率机组(大约在15～22kW)范围，流量在2～31L/min，切割平台则应市场要求最大尺寸达到了4×2.5m。

显然，金属切割将成为超高压水切割的新的应用目标，这就需要工作压力不低于400MPa，而且最好以纯水射流切割用于贵重金属薄板作业。纯水射流切割最大的优点是切缝更窄、切割精度更高，而且能钻出微小孔。增压器欲可靠地将300MPa压力提升到400MPa以上，必须加强对超高强度材料与工艺的研究应用，要使所用材料常规化，才能使这一技术不停留在实验室里。纯水射流要摆脱磨料和磨料喷嘴的束缚，除研究更高压力源的可靠性以外，还需研究超高压空化射流的产生与作用，以期尽可能地使低压力的纯水射流形成良好的切割功能。

金属切割的一个重要应用领域是在线切割，即在有害有毒等危险的现场（如石化、煤油装置）切割罐槽、管道，由此产生了靠轨切割装置，像机器人等。还有一个被忽视的作业方式就是最简单而又最难实现的人工手持切割，它随意性强、用途十分广泛，但由于不定的靶距和震动等因素，需要借助辅助手段才能达到颓期效果。

大功率的增压器也是水切割技术继续解决的问题，我国已有这类产品间世，但超高压和大功率这对矛盾加之可靠性的要求，300MPa、55--130kW以上的产晶仍是个瓶颈。这种产品可以带动多切割头作业，也可以实现更大流量空化射流的切割工程。流量大就不怕浪费，对执行机构也就要求简单，也容易实现空化射流。

高压清洗机

我国的高压水射流技术就是在上世纪80年代由高压清洗机发展而来，最初技术参数是35MPa、37kW的机组，已经显示出神奇的功能。现在，国产清洗机的大路产品是lOOMPa、130kW以内的，少有150MPa、160kW甚至更高功率的产品。工业清洗一直是一个方兴未艾的巨大市场，目前，20多家制造商年产量约在3000台（套），产值在4

～5亿元人民币。

高压清洗机的发展从泵的可靠性和系列化到重视射流附件和执行机构，技术的成熟性使这类产品的市场有增无减，用途也层出不穷。柴油机组使清洗机越来越机动灵活，可适应更大功率。

在现有应用的良好基础上，作为清洗机用高压泵应当在重视进水的水质处理基础上，开发泵速更高的机型，中、小功率机组应突破500r/min泵速的限制，在500～600r/min之间开发，这样，机型将更小、成本也就更低。泵速的提高要注意解决润滑和温升问题。

射流附件一直是制造商想绕叉绕不开的问题，国外技术的渗入虽创造了新的局面，但由于高压清洗机的价位竞争，附件还需立足于自主发展。溢流型喷枪已经广泛应用，只是现有产品还偏于保守，显得笨重，造型也不尽如人意，要减少承压件的数量和尺寸，可通过对非承压件以塑代钢，把重量降下来。另外，电开关喷枪转移了危险点，而启动溢流阀又容易实现，值得推广使用。

各类旋转喷头一直是行业产品的弱项，其应用证明旋转射流远远优于同等功率的圆柱射流，尤其对大功率机组更是如此，由于旋转喷头制造要求高、应用成本高，制造商们在万不得已的情况下是不推荐使用的。因此，它的用量和质量还都不如意，除了大功率机组成本高难以回避使用外，旋转射流尚处在概念阶段，其产品也是舶来品。随着应用的成熟，必须加强旋转喷头的国产化工作，它不仅是射流技木的革命，更重要的是高压旋转密封与减速技术可以带动相关成套技术的进步，其中要注视组合喷嘴（头）的使用。从单一喷嘴元件到组合喷嘴总成也是一个质的飞跃，后者的要害是将射流磨损件单独以小尺寸制作，既降低成本，叉作为易损件拆换，而且同一个外形尺寸能更换多变工况与形状的喷嘴，然而这一技术在国内制造业中并未推广，因为材料、工艺都要比单一喷嘴复杂，但这一发展方向已是广泛共识。

在高压清洗机基础上依据专用用途要求完善成套技术就能够达到某种特定功能，如批量刀具油垢、锈垢的清洗，批量轴承油垢的清洗。一项技术的成套开发是无止境的，也只有以技术含量才能赢得更大的市场和利润空间。

超高压大功率成套设备

超高压大功率成套设备是近年在我国发展起来的，它之所以区别高压清洗机系列产品，一是参数特别，一般在150～250MPa、200kW以上甚至是520kW机组功率，这是一套投资很大的设备；二是用途特别，如机场跑道除胶、钢质表面除锈丁程、氧化铝管道化清除结疤工程等，作业难度大、强度大、要求也高，因而成套技术性就很强；三是主机大都来自欧美原产地，因市场刚开始启动、技术含量高、投资成本大，国内制造商还不能生产这种大泵机组，但国内进行工程的总体设计、装备的成套组装已成为现实。也正是如此，以主机进口、国内成套已成为当今我国行业技术提升的一个有效途径，它小仅可以极大地降低依赖进口的成本，而且很多特别的专用要求是国外也未有经验的，需要我们自己去研究、去尝试。

提高压力即提高了作业的能力，提高流量及提高了作业的效率，这就是为什么要发展超高压大功率水射流机组的原因。美欧专业制造商今年的产品发展方向就是如此。这样一来，原本通用性的水射流技术越来越呈现其专用特点，越来越由单一清洗走向工程化，如采用一台变速泵、超高压小流蕈可以清除机场标志线，高压大流量可以快速将机场跑道除胶；超高压纯水射流机组引起流量的增大可以进行地面钢质表面预处理，而且附以真空技术又创造了用水除锈不返锈的奇迹。采用100MPa、300kW以上的泵杌组就可以成套开发水力破碎设备，以其没有应力扩散，可以随心所欲地剥除混凝土厚度，叉可以机器人做执行机构实现任意工作面作业从事水力破碎路面、桥梁、隧道等工程。氧化铝管道化和压煮器等装备的结疤现象一直是无法解决的难题，可采用150MPa、200L/min流量的大型泵机组配备专用多喷嘴喷头使想象得以实现。超高压大功率水射流成套设备的市场很大，在现阶段也必须由国际合作才能完成，这就昭示着我们要在成套设备应用基础上发展自己的先进泵技术和先进成套技术，唯有这样，才能以更低的成本来普及这项技术。

将水射流技术应用于大型工程一直是业内人士的追求，这就需要我们要有更大的胆识、更多的知识面和更严谨的技术，通过这类设备的开发，更能深切地感触到“高压水射流技术是以水射流为中心，集泵、阀、密封、液压、材料、自动化控制等多学科为一体”的含义。有了这样的业绩，就能够一通。肖通地解决更加复杂与苛求的工程难题，可以说，本节所述内容是我国也是国际水射流技术应用的发展方向，它的技术难度和投资风险也是相对最大的。

微小型清洗机

我国的微小型清洗机（含热水型）是指机组功率7.5kW以下、大路产品在3kW左右的移动式或便携式机组，这种机组大都是一泵一阀一枪，非常简单实用。离温清洗机因其射流加热到100℃以上的汽化温度，更适应清洗油污等。最初的微小型清洗机组要用于清洗汽车车辆，随着清洗市场渗透到各个角度、在发达国家称为家庭工具，这类产品用途在扩大、技术在提高、美观实用已成为首选条件。我国这类产品历经优胜劣汰，已呈现出集约化产业趋势。批量大、规模大、出口量大已成为这类产品的标志。

这类产品的成套技术也是新的发展方向，将清洗机与真空泵结合就能同步清洗、吸干地面，是多功能的清洁产品，以该产品为动力提高压力，可以改造成为清洗街头小广告的专用设备，清洗市政道路护栏、高速公路护栏的专用机组；采用爬壁机器人技术与之成套，可以实现高层建筑自动爬壁清洗，这一市场明显有着广泛的前景，但长时间以来，研究机器人的技术与研究水射流技术的一直未能很好地在产品上结合，使得这一市场一直处于宣传阶段，好的产品仍是空白。在城市清洁化越来越高要求的今天，以百米高层建筑外表面清洗为目标的爬壁机器人清洗机必将赢得惊人的市场。以高压水直接作用于壁面清洗并回收循环使用废水，以爬壁机器人作为执行机构，这一技术方案已经成熟，因为每个学科都已有成功的应用，现在的工作仅仅是为新的目标组合而已。可以相信，不久的将来，微小型清洗机的成套技术发展与应用会成为这类产品新的开发方向。