1.2　水射流技术的产生和发展过程

水射流技术的应用可以追溯到19世纪中叶，主要用来冲洗矿石中的泥土、矿石的筛选或直接冲刷煤层。由冲刷到破碎实际上是水射流的一个质变过程。前者是低压大流量，后者则是高压小流量。20世纪30年代，采用水射流技术开采煤矿（即水采），给采矿业带来了巨大的经济效益。水采开始是用10MPa以下的水射流回采中硬以下煤层，至20世纪70年代已发展到用20～30MPa的水射流慢速切割煤体，再后来就是用高压（至100MPa）、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。

19世纪中叶（1870年前后），美国在加利福尼亚州的金矿中第一次用增压后的水射流开采非固结的矿床。20世纪50年代初，苏联和我国在煤矿利用30～50MPa的水射流进行水力采煤。随着水力采煤技术的逐渐推广，人们认识到提高水的压力和适当减小喷嘴直径，可以明显地提高水力采煤的效率，因而不少专家学者着手研究较高压力的压力源。20世纪60年代制造出了大批高压柱塞泵和增压器，日本研制出了1700MPa的增压器，苏联和美国研制出了5600MPa的脉冲射流发生器，这些高压设备的问世大大推动了水射流技术的研究工作。到20世纪70年代末期，水射流技术开始转向研究如何提高水射流的冲击力，于是出现了脉冲射流、低温射流和磨料射流。这些射流的水压虽然不高，但它们的作用效果远远高于同等压力下的普通连续水射流。进入20世纪80年代，随着各国学者对各种射流理论及其应用技术的深入研究，使磨料射流、空化射流、气水射流和自振射流得到了进一步发展。水射流技术的应用范围也由单纯的采矿工业扩大到冶金、石化、航空、建筑、建材、交通运输、市政建设、化工、机械、轻工业及医学等领域。水射流作为一种良好的切割、破碎和清洗除垢的新技术，已被人们所公认，大量水射流技术的产品如水射流切割机、水射流辅助采煤机、水射流辅助掘进机、水射流打桩机以及不同用途、不同形式的消洗机等已先后投入市场。

20世纪80年代，超高压水射流切割（俗称水刀）飞速发展。自1972年美国Ingersoll-Rand公司400MPa水切割机的研发成功，继之美国 Flow Industries 公司的水切割机（350MPa、3.51L/min）问世，为超高压水射流切割工艺的研究奠定了坚实的理论与试验基础。在20世纪80年代末、90年代初期，超高压水射流切割设备朝着批量化、商品化方向发展，同时通过机械手控制切割头的产品日趋完善，达到了全自动、高智能化的水平。

进入21世纪后，针对工业领域的新要求，研究者成功研制了微磨料水射流。相比传统的磨料水射流，该技术具有结构简单、元件数目少、可靠性高、磨料消耗少的优点。

目前，水射流领域已经形成一个以压力、功率为纵坐标、以射流形式为横坐标的技术与产品的平面型谱。高压水射流技术已经从单纯的采矿业渗透到各个应用领域，如工业清洗、河道疏浚、除锈除磷、油井腐蚀防护、水力切割、超细粉碎、喷射注浆、煤层钻孔、水力采煤、无针注射器、喷丸与抛光、快速成形与表面处理、刀具钝化、半导体晶圆切割与清洗、射流手术刀、水刺织布、除尘灭火、煤矿瓦斯防治等。

回顾水射流技术的发展过程，大致可分为以下五个阶段。

①第一阶段：试验探索、设备研制阶段。20世纪60年代，以研究低压水射流采矿为主，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）的研制取得较多商品化成果（它们的介质主要不是水）。这为高压水射流技术的产生奠定了基础。

②第二阶段：工业应用阶段。20世纪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设备的压力和可靠性，同时开发多种形式的射流。

③第三阶段：迅速发展阶段。20世纪80年代，主要特点是高压、超高压、大型化、成套化、专用化，新型水射流形式都已产品化、规模化、商品化。尤其是水射流清洗、除锈、切割应用的独特优势，使其迅速推广应用至各行各业。

④第四阶段：新产品开发阶段。20世纪90年代，水射流的超高压泵组、爬壁机器人清洗、六轴数控磨料水射流切割装置的成功研制以及喷头关键技术的突破，一些高难度研究，诸如机械手多维水切割、水下切割、井喷管口切割、干冰切割等问世。围绕特种精密加工技术的研究，进一步丰富和完善水射流的研究与应用，同时相关的标准诞生。

⑤第五阶段：创新应用时代。21世纪以来，水射流技术不断创新，诸如超高速水射流、微磨料水射流、低温射流、激光微水射流等各种新型水射流技术不断涌现，并逐步应用于生物医疗、外科手术、微电子、微细加工、有机废水处理、食品灭菌、病毒灭活、蛋白质改性、白酒催陈等领域。

我国水射流技术的研究是从20世纪70年代开始的。经过几十年的研究与实践，取得了较大的进展，从高压到超高压，从小功率到大功率机组，从单机设备到成套设备，从通用机械到专用机械，从试验研究到商品化，研究出了一批新技术，开发出了一批新产品。近20年中国水射流技术产业取得长足进步，令美国等发达国家瞩目，中国学者几乎每年都出现在专业的国际性技术会议席位上，中国制定了相关的水射流技术与设备的标准，水射流技术已远远突破了泵与喷嘴的概念。以水射流技术为核心的相关设备制造商如雨后春笋，蓬勃发展。随着市场主导创意，创意主导发展，形成有自主知识产权的各种高技术产品。