水刀真空喷头原理图。在流速达300m/s的喷嘴出口处连接一真空喷管，便可达到按照相应真空泵性能所产生真空的95%。这里的喷嘴布置以汇聚式磨料射流的水喷嘴排列，即呈环形布置，射流汇聚点即喷管的文丘里段与直管段的结合部位。这种真空喷头按吸人管径分为50mm、'75mm、100mm三种。

    真空喷头有吸上和压力真空引射两种不同的应用原理。喷嘴出口在地平面以上，喷头的吸上性能可与真空泵相比。如果吸人管内能获得100%的真空，理论上对密度为1t/m3的介质（如水）能够吸上达10m的高度。吸上高度取决于被输送介质的密度和黏度。对低黏度介质，吸上高度可达7-8m;对高黏度介质，需在吸人端加水稀释。吸上应用不适用于浆料、堵塞物等。

    诸如向高处或远处输送砂石、碎屑等，则在真空喷头吸入端以气体作为输送介质来实现。这里，介质密度和空气耗量成一定关系时，吸上高度可达15m。通常，下列材料均可被输送：干料如砂、盐、木屑、矿渣、金属渣、沥青、砂砾等；湿料如浆料、油品、砂一水混合物等。

    在喷嘴环（喷嘴出口）后加真空喷头，能够利用动能作为输送动力。这种输送取决于摩擦系数、输送介质混合程度和输送的高度与距离。

真空输送管线不应出现急弯，最好应有一定倾斜。两种应用主要区别在于不同的喷头位置。当然，泵的参数工况、真空喷头规格以及喷嘴排列等都是需要在应用中解决的问题。  输送物料与驱动介质量比例约为3:1（即3份固体物料比1份液体介质）。例如，每小时输送密度为lt/m3的80m3固体物料，其驱动介质（水）的流量为400L/min( 24000L/h)，其比例为80t：24t-3. 33;又如，每小时输送密度为1.8t/m3的24m3固体物料，驱动介质（水）的流量为200L/min(12000L/h)，其比例为43t：l2t-2.6。3种真空喷头的应用数据。   

下面介绍几个真空喷头的应用实例。应用真空喷头清洗罐槽。8个直径为l5m、安装高度为17m的罐槽要依次清洗。过去靠工人攀进罐槽内作业，仅凭铲、吊桶和起重设备作业。由于可视性差，容易危及人身安全。现采用配套高压泵功率为110kW的75mm真空喷头作业。一个工人用喷枪以扇形射流将罐槽内的物料冲移到真空喷头吸管附近，然后就很容易为应用真空喷头清洗深井。该深井约14m，直径6m，井内的泥浆混合物以及瓶瓶罐罐、木屑等要被清除。这里采用3个2-2.3mm喷嘴的75mm真空喷头，运行压力为32mpa。吸入端的软管长度为3m。在压力端，25m长的软管自泵一直伸入井内与喷头的泥块用桶提上来外，全部清洗不到2个工时，总的清洗量水深和泥层下约8%-10%的固体物料。 清洗船内舱后，舱内堆积起几吨重的物料以及锈屑等要被运出。原先，要待船进干船坞后在船上开个孔才能运出这些东西。而今采用75mm真空喷头在20MPa压力下即可从船舱吸上。由于不允许水进入舱内，故将真空喷头安装在舱外。全部输送高度约l5m.若在2001.圆桶内注入密度为4 t/m3的物料进行试验，结果30s就将 (800kg)的物料吸至17m高度。采用三级真空喷头抽吸船舱物料，最大抽吸高度为35m，最大输送距离为300m。实用中由3台泵和4个真空喷头组成了三级真空输出，并并联一喷枪用于剥除物料。第一级2个50mm真空喷头并联将物料吸上，经第二级输送到中转罐，再由第三级输送至贮罐。值得注意的是，在第一级的吸人端分别引入两股高压水用于吸入端筛网和护网的清堵。为了保证连续可靠作业，这一方法很常用。两级吸上大大提高了吸上高度。

    水切割喷头又叫水刀，超高压水最终通过它达到作业目的。水切割喷头一般与高压管（软管或硬管）直接连接，安装在喷枪或夹持在切割平台的移动粱臂上。

    为水切割喷头的两种基本型式，即纯水射流和磨料射流。纯水射流切割喷头的设计压力为400MPa，水喷嘴直径范围为0. 08-0. 5mm，切割头的针阀由0.4MPa的气动压力控制其灵敏启闭，高压水通过针阀、稳流管进入喷嘴形成射流。在此基础上附加磨料混合腔和磨料喷嘴便成了磨料射流。这里，磨料喷嘴直径范围为0.5-1. 65mm。干磨料与高压水流在混合腔内混合，经磨料喷嘴高速喷出射流束，极大地提高了切割效率。

    水切割喷头实质上是个输送流道系统，它包括带弯头或拐角的配管、阀门、节流孔、接头等，这一系统的理想设计对减少能量损失很有意义。流体经过输送管路及各种附件、接头时会出现流动转向、扩散、收缩等情况，因而对流体进入喷头的流动产生副作用。水动力学指出，端部带喷嘴的直管是最理想的水力系统流道构成，这种情况能满足进入喷嘴的流体形成光滑的轴对称流的必要条件，同时在喷嘴出口也能获得相对均匀的流动速度，其流动具有较小的内部阻力。这一直管称之为整（导）流管。这种轴对称流道可阻止轴向旋涡所产生的旋转流，

    流体的压缩性是导致流道截面上轴向流速分布不均匀的原因之一。其压缩值可通过比值dn-，/d来反映，这里，dn、d分别为流道（即整流管）和喷嘴直径。流道直径dn和唼嘴直径d的比值的最佳范围为    为消除扰动而设的整流管，的比值要求难以加工，于是将其设计成一个整流器，即加大d，并内置一对开槽芯杆。这种整流器分割输送流道内的流体，使得轴向速度更加均匀，同时减少扰动动能。推荐在整流器前端采用一直管段长度L，=(1. 5-3)d的流道，以缩短喷头内的输送流道。

    喷头零件的各种连接方式。在接管1、喷嘴5和喷嘴护套4之间有一弹性密封圈3，其承受连接装配中适度的机械压力。当弹性密封圈承受高压时，可产生变形，增加连接的紧密性并防止渗漏。但弹性密封圈3受高压时会逐渐嵌入接管1和螺母2的间隙中，从而此间形成一个旋涡区，也就增加了流体的扰动。结构可提高密封的可靠性，接管1和螺母2间的锥面作为高压密封，而喷嘴5和螺母2间的密封靠弹性密封圈3和控制垫圈6。但由于锥面密封形成了接管和螺母间的转变区，导致接管后部流体膨胀，产生湍流波动，进而使射流性能恶化、射流发散，导致射流打击力减小、射流切割效率降低。结构减少了上述连接的缺点，其喷头包括螺母2、喷嘴护套4、带内锥面的喷嘴5、弹性密封圈3及两端部为锥形的中间体7。控制垫圈8可确保弹性密封圈3预压7%-10%的厚度，当螺母2逐渐连接于接管1时，由于中间体7沿轴向向喷嘴5移动，而使弹性密封圈3产生变形。这一结构增加了弹性密封圈的耐久性，同时使得被加工件可离喷嘴很近。而能确保进入喷嘴流体流动稳定性及密封可靠性的更为简单的结构，其喷头由接管1、螺母2、喷嘴护套4和喷嘴5组成。这种设计消除了喷嘴和接管间的过渡区。高压静密封直接由喷嘴护套和接管压紧实现。接管头部为球面，且内径与喷嘴护套人口相同。喷嘴外表面为锥状，直接插入螺母的锥状内腔中。上述设计要实现流体在喷嘴前必需的收缩是十分困难的，因为流道直径同喷嘴直径相差太大，因此图e的设计应该最佳。此方案中，喷嘴护套4的内表面有一锥形接头直接同接管的锥形面相接，而外表面为对称圆柱状。这里，微小锥面使得静密封在任何情况下均可实现，螺母2上须钻1-2个直径1-2mm的安全孔，以防连接有缺陷或密封失效时对螺纹及其他零件的破坏。

    通过上述对喷头设计的分析，可以认为流道应包括3部分，即大直径(d．-2-5mm)的柱状段、锥状段和小直径的柱状段。理想的流道为：

    (1)大直径柱状段长度与内径之比L1/d1=20-35;

    (2)锥状段长度和大直径柱状段直径之比L2/d1=2～3；

    (3)锥状段大小直径比2<d．/d2 <5；

    (4)小直径柱状段长度与内径比L3/d2-8- 12；

(5)喷嘴进出口直径比d2/d-10-15。

分析喷嘴出口直径同接管内流道直径相互依赖的关系可得出下述结论：接管流道尺寸必须根据喷嘴出口直径的增减加以调整，以增加射流起始段长度并减少流体的压力损失。

下面介绍几种水切割喷头实例。旋流混合式，其特点是在超高压水射流真空和壳体内壁旋流叶栅的作用下，磨料呈旋流与水射流混合自磨料喷嘴喷出。它的优点是极大地缩短了水喷嘴与磨料喷嘴的间距。经验指出，这一间距控制在5-6rnm，可以有效地防止经水喷嘴喷出的水射流在进入磨料喷嘴前扩散，从而保证磨料射流的凝聚性。斜贯混合式，这也是常用的一种方式，其特点是结构简单，但混合均匀度不如前者，而且两喷嘴的间距因混合腔布局也显得太长，磨料射流的凝聚主要取决于磨料喷嘴。正交混合式，混合腔是一个环形套，磨料自水平进砂孔吸入后经环形槽进人多孔砂道均匀供磨料，这样便可保证均匀混合。磨料喷嘴由刀口螺套紧固。水射流的“令行禁止”非常重要，既要保证切割程序中的断点，又要防止水流经磨料管回流形成堵塞。这就要求在水切割喷嘴前设置一超高压气动单向控制阀；另外，磨料阀的灵敏启闭和磨料量的控制也同样重要。这些内容都将在相应章节讨论。

水切割喷头的共性在于：足够长径比的整流管；水喷嘴、密封套与喷嘴体的总成及其定位安装；水喷嘴与磨料喷嘴的结构设计、材料选用及其所形成的混合腔。

由于磨料喷嘴采用碳化钨等硬质合金制造，材料较脆，易损坏，而价格也较高，因此使用中应特别注意，避免意外损坏。水喷嘴的孔径与磨料喷嘴的孔径应合理搭配，一般0.2mm的水喷嘴使用0.8mm磨料喷嘴；0.3mm的水喷嘴使用lmm磨料喷嘴；调节磨料供给量，既不可过小，也不可过大。磨料供给量过大时易造成磨料不能及时排空而发生堵砂回水等故障；当射流发散时应及时更换水喷嘴，避免由于水喷嘴损坏而造成磨料喷嘴损坏；更换水喷嘴时应注意清理喷头体与混砂室，不能因磨料未清理干净而影响水喷嘴的定位，造成切割效果差和磨料喷嘴使用寿命短；磨料喷嘴在每使用4小时，最好将其沿一定方向旋转120。．这样做的目的是保证磨料喷嘴的内孔在磨损后依然保持圆的形状，延长使用寿命。

切割头结构简单，使用中一般不会发生故障，但是，由于水喷嘴、磨料喷嘴和混砂室都是易损件，因此根据故障现象合理更换易损件在切割头的使用中是非常重要的。

(1)进砂不畅，断砂。发生这一故障的原因除控砂阀外，最大的可能原因是切割头的进砂管处漏气，应首先检查供砂塑料管是否有负压，负压是否足够大，如发现负压较小应仔细检查，并找到漏气的原因加以解决。

(2)高压系统压力降低。发生故障时应首先检查高压管路和切割头处是否漏水，如发现切割头上的观察孔漏水，就应旋紧喷头体，增加水喷嘴与连接管之间的压力，就可解决漏水问题，如果水喷嘴内孔过度磨损或损坏，也可能造成高压系统压力降低，这时就需要更换水喷嘴；

(3)磨料喷嘴堵砂。发生这一故障的原因一般有两种，一是磨料供给量过大，流淌不及时发生堵砂，二是磨料中有较大颗粒堵住磨料喷管内孔造成堵砂。解决方法是调节磨料供给量，避免磨料供给量过大，同时购买的磨料应经过筛选并妥善保管，避免较大颗粒的杂物}昆人磨料中。

(4)射流发散，切割能力降低。发生这一故障的原因有2个，一是喷嘴过度磨损或损坏，二是磨料喷嘴过度磨损。一般采用替换法来进行判断。如条件具备可在显微镜下检查水喷嘴，主要是通过检查其圆度、直径和内孔边缘是否完整来进行判断。亦可在灯光下用放大镜检查磨料喷嘴内孔表面，水刀喷嘴内孔表面应光洁、平整，如发现喷嘴内孔表面出现凹凸、内孔变大、失圆等缺陷就需给予更换。