0 引 言

随着清洗技术的发展，更为安全高效的机械清洗技术应运而生，并成为一种必不可少的技术手段在石油、化工、制药、造纸、酿造、乳制品、食品和饮料等工业领域发挥着越来越重要的作用^[1]。虽然不同行业间的机械清洗工艺流程各有不同，但均需借助喷射清洗组件这一核心部件，而且不同容积的容器所使用的清洗组件也有所区别。以石油化工行业为例，在盛装油品的各种罐类容器中，大中型油罐往往将多组喷枪均匀布置，借助其产生的高压、大流量的液流对罐壁进行清洗，并力图使所有喷枪的射流轨迹能够完全覆盖到罐壁^[2]。随着机械清洗技术在大中型油罐清洗中逐渐应用和普及，目前国内已基本实现了喷枪的国产化。对于加油站埋地油罐、铁路罐车等卧式储罐以及其他大多数小型储罐而言，因其体积相对较小，储存介质多为轻质油料、化工产品或其他液态物料，所需喷射清洗压力较低，但对罐壁清洗覆盖度要求较高。通常在罐壁开孔处安装1~2个旋转喷头，借助喷嘴旋转运动产生的空间球形射流对罐壁进行清洗^[3]。

为了确保罐体内壁得到全方位、无死角的清洗，必须提供有效的动力输入并以精密机械传动的方式来精确可靠地实现旋转喷头的“旋转”功能。然而，目前国内机械清洗行业尚停留在关注旋转喷头工程应用阶段，对其自身结构的研究较少，导致旋转喷头产品主要依赖于国外进口。鉴于此，笔者通过系统查阅瑞典Alfa Laval、瑞典Scanjet、美国Butterworth、美国Stoneage和德国GEA等近20家国外公司的旋转喷头产品，在结合内部结构对驱动方式和减速传动方式进行系统研究分析的基础上，筛选出综合性能较优的旋转喷头结构方案，以期为国内相关研究人员提供参考。

国外公司旋转喷头产品从动力输入方式(即驱动方式)来看，不外乎有水力驱动、气体驱动和电力驱动3种。少数公司甚至基于同一款产品的主体结构采用了3种驱动方式，瑞典Alfa Laval公司Toftejorg SaniJet 20型旋转喷头堪称其中的典型代表。该产品主要由上部动力输入装置、中部细长直管、底部弯管、喷嘴座和喷嘴等3部分组成，3种驱动形式所对应上部动力输入装置的内部结构分别如图 1a、图 1b和图 1c所示。采用水力驱动时，液体冲击位于上部入口处的叶轮使之转动，并通过齿轮组件减速；采用气体和电力驱动时，则分别通过气动马达和电动机直接驱动齿轮减速组件运转。如图 2所示，3种驱动方式所对应的中、下部结构完全相同，主要由细长直管及其内部传动轴、弯管和喷嘴座组成。安装在弯管处的锥齿轮与喷嘴座上另一个锥齿轮相互啮合，使喷嘴座整体绕水平轴旋转(自转)；与此同时，固定在传动轴末端的滚珠座圈嵌入弯管内壁，推动弯管组件绕整体中心轴线旋转(公转)，最终实现喷嘴清洗所需的公转和自转运动。

图 1 旋转喷头上部动力输入装置的内部结构示意图 Fig.1 Schematic of the internal structure of the upper power input device of the rotary jet head 1—行星轮；2、3—轴承壳；4、11、28、37—垫圈；5—主壳体；6—固定螺钉；7—插销；8—支架；9—输出轴；10—内齿圈；12—行星轮架；13—叶轮；14—入口端盖；15、33—螺钉；16—气体管路；17—接头弯管；18、24—连接法兰；19—齿轮减速箱；20、34—磁性转子；21—直通连接；22—消音器；23—金属电缆密封套；25—流量调节器；26—对接接头；27—气动马达；29—壳体；30—空心铆钉；31—驱动装置主体；32—连接头；35—齿轮箱；36—螺母；38—壳体。

图选项

图 2 Toftejorg SaniJet 20旋转喷头中、下部结构示意图 Fig.2 Schematic of the middle and lower structure of the Toftejorg SaniJet 20 rotary jet head 1—直管；2—弯管；3—滚珠座圈；4、7—滚珠；5、8—锥 齿轮；6—喷嘴座；9—销钉；10—密封圈；11—传动轴。

图选项

水力驱动型Toftejorg SaniJet 20型旋转喷头采用开式传动，运行过程中入口清洗液将充满齿轮减速组件之间的间隙，然后从喷嘴座底端专用排水孔排出，这一过程实现了内部各传动及减速部件的自清洗和自润滑；气体驱动和电力驱动型旋转喷头内部各传动及减速部件则采用闭式传动，齿轮减速组件封闭在箱体内部，不与清洗液直接接触。然而，3种驱动方式的旋转喷头都采用了基于“黄金分割”的索引式清洗模式(Indexed cleaning pattern)，相比于传统的渐进式清洗模式(Progressive cleaning pattern)而言，在达到同样的清洗效果时，能够缩短50%的清洗时间，从而减少了50%的液体消耗量^[4]。气体驱动型旋转喷头中安装有流量调节器，可随时调节气动马达的转速；而电力驱动型旋转喷头中，在其顶端安装有喷头运行状态监测传感器(Rotacheck Sensor)，当喷嘴射流打击到传感器时，该信号即被一个特殊的转换器转换为可观测的结果，从而反馈喷嘴转速和水流通道是否堵塞等信息。应用该监测功能可提高喷头工作效率，也可为操作人员提供重要参考。然而，气体驱动和电力驱动型旋转喷头内部结构较为复杂，必须有额外的能量输入。在诸如加油站埋地油罐等充满易燃介质的危险环境中，为了确保清洗作业的本质安全，采用水力驱动方式显然更好。

实际上，所有水力驱动型旋转喷头的工作原理基本相同，即一定压力和流量的液体冲击位于喷头入口处的叶轮，使叶轮及与之连接的输入轴转动，并将动力依次传递给后续减速传动机构和输出轴。喷嘴的公转运动通过输出轴的转动实现，而其自转运动一般通过2种方式实现：第1种借助一对相互啮合的锥齿轮使喷嘴自转；第2种则将两个喷嘴相对于喷嘴座中心偏置反对称安装，利用水射流反冲作用力形成力矩使喷嘴自转。虽然第2种形式无须借助其他结构或零部件转换运动方向，从而简化了喷头内部结构，但由于水流流量存在波动而无法保持稳定，往往导致水射流反冲作用力形成的扭矩处于动态变化之中，难免影响喷嘴的稳定运行，因此依靠机械传动使喷嘴自转的方式更为可行。

虽然各种水力驱动型旋转喷头的工作原理大致相同，但作为其核心部分的减速传动机构仍各具特点。从减速传动方式上来看，主要有行星轮系传动、蜗轮-蜗杆传动、交错齿轮传动和磁力传动等4种。现结合几种具有代表性的旋转喷头产品进行对比说明。

图 3所示为瑞典Alfa Laval公司Toftejorg MultiJet-25型旋转喷头内部结构及流体流动通道的结构示意图。其内部减速机构为一个单级行星轮系，主要包括金属衬套、行星轮、行星架、行星轮轴和弹性挡圈，与行星轮相啮合的内齿圈作为旋转喷头外壳的一部分固定在壳体内壁。各传动件间利用清洗介质进行开式润滑，流体流动方向如图 3中箭头所示^{[5, 6]}。

图 3 Toftejorg MultiJet-25型旋转喷头内部结构示意图 Fig.3 Schematic of the internal structure of the Toftejorg MultiJet-25 rotary jet head 1—滚动轴承；2—内齿圈；3—行星齿轮系；4 —喷嘴；5—锥齿轮；6—叶轮；7—叶轮轴。

图选项

为了提供较大的输出扭矩和增大喷嘴转速的调节范围，通常采用传动比更大的多级行星轮系传动。图 4所示为瑞典Alfa Laval公司Gamajet IV型旋转喷头内部的多级行星齿轮减速传动机构的结构示意图。该机构所有齿轮装配在由齿轮箱外壳和上下轴承壳组成的封闭空间内，啮合齿轮副间利用润滑油(润滑脂)闭式润滑，密封性较好。采用行星轮系传动方式的喷头产品还有瑞典Alfa Laval公司的Toftejorg TJ20G、Toftejorg SaniJet-25、Rotary JetMixer IM-10型及其Gamajet系列中的4、5、6、7、8、9、10、AIO、AIO-F、GJ、HDBB、IP、NJ、PF型，瑞典Scanjet集团的Bio10、Bio25、Bio50、Bio252N型，美国Butterworth公司的LT、LT-FT、BCFT、LTQFT型，德国GEA公司的TSG系列(Twister、Typhoon、Tempest、Tornado、Tornado 4)以及OR 100型喷头等^{[7, 8, 9, 10]}。

图 4 多级行星齿轮减速传动机构 Fig.4 Multi-stage planetary gear drive mechanism 1—叶轮；2—上轴承壳；3—齿轮箱；4—下轴承壳；5—输出轴。

图选项

瑞典Alfa Laval公司Rotary JetMixer IM-15型旋转喷头的内部结构如图 5所示，图中箭头所示为流体流动方向，其内部采用蜗轮-蜗杆的传动方式。图 6所示为蜗轮-蜗杆传动机构的零件组成示意图，2级蜗轮-蜗杆和小齿轮都安装在特定结构的支撑架上，利用清洗介质进行开式润滑。虽然蜗轮-蜗杆机构的传动比较大，传动啮合过程较为平稳，但其传动效率较低，滑动速度较大，容易导致齿面磨损严重，此外对散热效果及材料性能的要求很高。而且旋转喷头内部结构复杂，零部件制造和装配难度较大。

图 5 Rotary JetMixer IM-15型旋转喷头的内部结构示意图 Fig.5 Schematic of the internal structure of the Rotary JetMixer IM-15 rotary jet head 1—叶轮；2—叶轮轴；3—一级蜗轮蜗杆；4—小齿轮 ；5—二级蜗轮蜗杆 ；6—锥齿轮；7—喷嘴 。

图选项

图 6 蜗轮-蜗杆减速传动机构的结构示意图 Fig.6 Structural schematic of worm gear-worm drive mechanism 1—叶轮轴；2、5—蜗轮蜗杆；3—滑动轴承；4—轴承壳；6—支撑架；7—小齿轮。

图选项

采用蜗轮-蜗杆传动方式的旋转喷头产品还有瑞典Alfa Laval公司的Toftejorg MultiJet-40、Toftejorg TZ系列(TZ-66、TZ-67、TZ-74、TZ-75、TZ-750、TZ-79型)、Rotary JetMixer IM-25型，瑞典Scanjet集团的SC15系列(SC15TW、SC15TW-GL、SC15TW 2、SC15TW4型)、SC45TW型、Bio15型以及美国Butterworth公司的K、SK、SKK型喷头等^[11]。

瑞典Alfa Laval公司Toftejorg TZ-89型旋转喷头的结构如图 7a所示，图 7b为交错齿轮传动示意图。采用相互交错啮合的小齿轮作为减速元件，能够使主体结构具有一定的紧凑性，但由于各齿轮开式安装在齿轮架上，在竖直方向通过螺钉实现定位，而在水平方向仅通过齿轮间啮合作用力固定，因此难以使传动过程保持平稳。采用交错齿轮传动的旋转喷头产品还有美国Stoneage公司的TR-130、TR-200型，美国Spray Systems公司的TankJet 4型，德国GEA公司的RZ50系列(RZ50H、RZ50G、RZ50B型)和RH19系列(RH19H、RH19G型)喷头等。

图 7 Toftejorg TZ-89型旋转喷头的结构及交错齿轮传动示意图 Fig.7 Schematic of the structure and staggered gear drive of the Toftejorg TZ-89 rotary jet head 1—齿轮箱；2、14—叶轮；3、18—齿轮架；4—齿轮箱底部；5—传动管；6—支撑板；7—喷嘴座；8、9—铆钉连接；10、15—齿轮系；11—导流板；12—端盖；13—螺钉；16—传动轴；17—空心铆钉。

图选项

瑞典Alfa Laval公司Gunclean Toftejorg系列i40D型旋转喷头的实物如图 8a所示，细长直管两端分别连接喷头主体和驱动装置，驱动装置安装在储罐外壁，采用磁力驱动。图 8b为喷头驱动部分示意图，喷头驱动部分主要由位于水力叶轮轴上一定间隙的2块相同且平行的磁滞圆形极板和均匀放置的多块强磁铁组成，在圆形极板间隙中形成均匀的非同步磁场。入口水流冲击叶轮产生的扭矩通过磁滞离合器传递给齿轮轴，进而通过相互啮合的齿轮将动力经细长直管内的传动轴传递给位于执行端的喷嘴使之旋转。利用磁滞原理可提供光滑、无级可调、与转速无关的转矩控制，能够避免水力叶轮轴与齿轮箱间产生二次轴渗透(泄漏)，还可通过调节强磁铁与磁滞极板间距改变喷头的旋转速度^[12]。采用磁力传动的喷头产品还有瑞典Alfa Laval公司的Gunclean Toftejorg系列(i40S、i65D、7000S、270FT Mark I、270FT Optima、SST 40T型)，瑞典Scanjett集团的SC30系列(SC30 T、SC30 TH、SC30 TP型)、SC40 RT型、SC90 T2型喷头等^[13]。

图 8 Gunclean Toftejorg系列i40D型旋转喷头实物图及其驱动部分结构示意图 Fig.8 The picture of Gunclean Toftejorg series i40D type rotary jet head and the structural schematic of the drive section 1—磁铁；2—密封片和隔板；3—叶轮；4—磁滞极板。

图选项

除了上述可依据公开资料确定内部基本结构的旋转喷头产品外，还有一些内部结构未知或十分复杂的旋转喷头，如德国GEA公司的Tank cleaner VR2000型、Orbital cleaner Fury型和M19系列(M19 PN、M19 SE、M19 SA型)喷头等，此处不再赘述。这里从传动比大小、传动效率、润滑方式和紧凑性等方面对前述几种旋转喷头的减速传动方式进行综合对比分析，结果如表 1所示。

由表 1的对比分析可知，采用多级行星轮系和磁滞离合器作为传动方式的旋转喷头综合性能较好。但是，利用磁滞离合器调节喷嘴转速的传动部分安装于罐外，增大了喷头的外形尺寸而不便于安装和拆卸，且其自身成本较高，而采用多级行星轮系能够确保内部结构的紧凑性，便于安装。虽然喷嘴转速无法调节，但综合考虑适用性和加工制造成本等因素，多级行星轮系的传动方式更为可行。

(1)在旋转喷头可用的水力、气体和电力3种驱动方式中，水力驱动型旋转喷头具有结构相对简单、作业安全性高以及经济性较好等优点，尤其适用于充满易燃性气体介质的危险作业环境，建议优先采用。

(2)在旋转喷头可用的行星轮系、蜗轮-蜗杆、交错齿轮和磁力等4种减速传动方式中，多级行星轮系因其具有较高结构紧凑性和能够传递较大扭矩，尤其适用于作业空间较小的场合。国内行星齿轮减速器的产品化和系列化设计加工已经较为成熟，能够在一定程度上降低旋转喷头的总体加工制造难度和成本。

(3)目前国内用于小型容器机械清洗的旋转喷头几乎全部依赖国外进口，但其国产化问题似乎并未引起足够关注，迫切需要尽快针对旋转喷头开展系统深入的设计研究，进而开发出以最佳清洗效果为目标的自动化和智能化旋转喷头产品，同时加快机械清洗技术的全面推广应用。