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王秀軍　王連吉　徐文驥　李國(guó)超
（大連理工大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，遼寧大連　116024）

　　摘　要：從超聲波清洗機(jī)理入手，結(jié)合軸承成品清洗實(shí)際情況，研制了超聲波清洗機(jī)，極大地提高了軸承的清潔度；使用碳化水素清洗液，達(dá)到了國(guó)家環(huán)保要求；采用PLC實(shí)現(xiàn)自動(dòng)控制，和其它設(shè)備一起實(shí)現(xiàn)了生產(chǎn)線的連線，降低了工人的勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了效率。
　　關(guān)鍵詞：軸承成品；超聲波清洗機(jī)；環(huán)保清洗液；自動(dòng)控制PLC
　　1　引言
　　軸承的清潔度對(duì)其振動(dòng)、噪聲和使用壽命有很大影響，尤其對(duì)于小型低噪聲深溝球軸承而言更是如此。所以，清潔度是軸承質(zhì)量的一項(xiàng)考核指標(biāo)，必須由生產(chǎn)過(guò)程的清洗質(zhì)量來(lái)保證。軸承清洗在生產(chǎn)過(guò)程中一般分為兩步，即裝配前的零件清洗和裝配后的成品清洗。軸承的常規(guī)清洗方法有刷洗、浸洗、噴淋清洗或高壓噴洗等。但對(duì)清潔度要求甚高的低噪聲軸承而言， 這些清洗方法的效果都不夠理想，而超聲波清洗作為一種優(yōu)良的新工藝，已在軸承行業(yè)越來(lái)越受到重視。
　　2　超聲波清洗機(jī)理
　　一般來(lái)說(shuō)，人能聽(tīng)到的聲音是頻率在20～20 kHz的聲波信號(hào)，高于20 kHz的聲波稱為超聲波。超聲波清洗裝置主要由超聲波發(fā)生器（包括超聲電源和超聲換能器）和清洗液槽組成，如圖1所示。超聲電源將50Hz的交流電轉(zhuǎn)換成超聲頻（比如40 kHz）電振蕩信號(hào)后，通過(guò)輸出電纜將其輸送給液槽底部的超聲換能器，由換能器將超聲頻電振蕩信號(hào)轉(zhuǎn)換為超聲頻機(jī)械振動(dòng)并傳至清洗液中。

 

　　超聲波的傳遞依照聲源強(qiáng)弱，一層強(qiáng)一層弱依次向前傳播，當(dāng)弱的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的負(fù)壓，使液體內(nèi)形成許多微小的氣泡；當(dāng)強(qiáng)的聲波信號(hào)作用于液體時(shí)，則會(huì)對(duì)液體產(chǎn)生一定的正壓，從而將液擊力，瞬間產(chǎn)生幾百攝氏度的高溫和高達(dá)上百萬(wàn)千帕的壓力。這種現(xiàn)象即為“空化效應(yīng)”。隨著空化氣泡的反復(fù)生成和閉合運(yùn)動(dòng)，沖擊力不斷作用，Z終使粘附在工件上的各類污垢剝落，使工件表面達(dá)到高清潔度。
　　清洗液中除有空化效應(yīng)外，由于超聲振動(dòng)的引入，加速了清洗液的乳化作用和增溶作用，使污垢微細(xì)地?cái)U(kuò)散于清洗液中，加速清洗過(guò)程。所以，超聲清洗過(guò)程實(shí)際上是多方面綜合作用的結(jié)果。
　　3　關(guān)鍵技術(shù)分析
　　3.1 清洗液的選擇
　　超聲清洗的主要機(jī)理是超聲空化作用，而超聲空化的強(qiáng)弱與聲學(xué)參數(shù)、清洗液的物理化學(xué)性質(zhì)及環(huán)境條件有關(guān)。所以要得到良好的清洗效果，必須選擇適當(dāng)?shù)那逑匆汉吐晫W(xué)參數(shù)。清洗液的選擇要從以下幾個(gè)方面來(lái)考慮：
　　首先是要從污物的性質(zhì)來(lái)選擇去污能力強(qiáng)的清洗液；其次是清洗液產(chǎn)生空穴的能力要強(qiáng); 再就是清洗液要符合人體安全和環(huán)境保護(hù)的要求。
　　用于超聲波清洗的清洗液可以是石油溶劑清洗液、化學(xué)清洗液和水基清洗液等，但這些清洗液都有不盡如人意的地方。從環(huán)保方面考慮，作為非ODS類溶劑的碳化水素清洗液，由于它具有毒性小、清洗力強(qiáng)和對(duì)金屬造成腐蝕的可能性小等優(yōu)點(diǎn)，正在受到廣泛關(guān)注。但碳?xì)浠衔镉幸欢扇夹?，所以使用碳?xì)浠衔镱惽逑磩r(shí)Z需要重視的是防火安全對(duì)策。
　　3.2 超聲波發(fā)生器
　　液體的空化閾值與超聲波頻率有密切關(guān)系。頻率越高，空化閾也越高，即頻率越高，在液體中產(chǎn)生空穴所需要的聲強(qiáng)或聲功率也越大。而超聲波頻率低時(shí)，容易產(chǎn)生空穴，同時(shí)在低頻率情況下，液體受到的壓縮與稀疏作用之間有更長(zhǎng)的時(shí)間間隙，使氣泡在破裂前能長(zhǎng)到較大尺寸，使崩潰時(shí)空化強(qiáng)度增高有利于清洗作用。因此對(duì)于質(zhì)量和體積較大的物體，一般選用較低頻率的超聲波清洗機(jī)， 對(duì)于一些小巧、形狀較復(fù)雜的零件，清洗時(shí)則選用較高頻率的超聲波清洗機(jī)。
　　一般采用的頻率范圍是20～50 kHz，美國(guó)必能信超聲波發(fā)生器以其豐富的功能和可靠的性能成為首選。一般裝置有粗精兩個(gè)超聲槽，故選用兩套超聲波發(fā)生系統(tǒng)。
　　3.3 泵循環(huán)過(guò)濾系統(tǒng)
　　除在液箱中安裝多層粗濾濾網(wǎng)外，還在液壓泵之后采用大通過(guò)量的過(guò)濾器。噴射粗洗和超聲波粗洗采用一級(jí)過(guò)濾，噴射精洗和超聲波精洗采用兩級(jí)過(guò)濾，Z終的過(guò)濾精度保證在0.5μm。過(guò)濾系統(tǒng)安裝有壓差開(kāi)關(guān)，實(shí)時(shí)檢測(cè)濾芯通堵?tīng)顩r，在濾芯堵塞情況下，操作面板上自動(dòng)提醒更換濾芯。
　　3.4 空氣吹干系統(tǒng)
　　空氣吹干安排在清洗之后，用于吹去軸承表面和溝道內(nèi)的清洗液。為保證壓縮空氣不對(duì)清洗干凈的軸承造成污染，必須對(duì)壓縮空氣進(jìn)行過(guò)濾，此處使用的過(guò)濾器的精度為0.1μm。
　　3.5 熱風(fēng)烘干系統(tǒng)
　　碳化水素清洗液是非常純凈的精制溶液，可徹底揮發(fā)無(wú)痕跡。由于一般工廠的壓縮空氣的潔凈度很難達(dá)到要求，必須對(duì)壓縮空氣進(jìn)行過(guò)濾，此處使用的過(guò)濾器的精度為0.1μm。
　　3.6 消防系統(tǒng)
　　盡管碳化水素清洗液有諸多優(yōu)點(diǎn)，但與ODS類清洗液相比，其沸點(diǎn)高（150℃～190℃）而閃點(diǎn)低（43℃～70℃），較低的閃點(diǎn)提高了設(shè)備的防火要求。雖然配備了冷水裝置，用于控制清洗液的溫度，但為安全起見(jiàn)，需要安裝消防罐和消防傳感器，能在設(shè)定的條件下自動(dòng)噴射環(huán)保型滅火劑。所使用的滅火劑揮發(fā)性強(qiáng)，滅火時(shí)不會(huì)污染清洗液、軸承和設(shè)備本身。
　　3.7 冷水系統(tǒng)
　　由于泵循環(huán)系統(tǒng)和超聲波作用的結(jié)果，清洗液的溫度會(huì)逐漸升高。如前所述，碳化水素清洗液的閃點(diǎn)較低，根據(jù)控制要求，需將清洗液的溫度控制在適宜的溫度范圍內(nèi)。所以必須配備冷水循環(huán)系統(tǒng)。
　　3.8 設(shè)備本體
　　為盡量減小外部對(duì)清洗過(guò)程的影響，設(shè)備本體全部采用不銹鋼制造，抗污染、耐腐蝕。
　　3.9 控制系統(tǒng)
　　可編程控制器（PLC）具有可靠性高、響應(yīng)快和編程使用方便等優(yōu)點(diǎn)，所以成為控制首選。應(yīng)用PLC 的自動(dòng)控制系統(tǒng)可以在線監(jiān)控整個(gè)清洗過(guò)程，能方便修改清洗工藝參數(shù)，還可以對(duì)異常情況作出判斷并作出保護(hù)動(dòng)作。
　　4　典型應(yīng)用實(shí)例
　　基于前述分析，我們?yōu)槟齿S承廠設(shè)計(jì)了專業(yè)清洗小型成品軸承的全自動(dòng)超聲波清洗機(jī)。主要工藝流程如圖2所示。超聲波清洗作為一種高效的清洗方法，宜于用作精清洗。可把超聲波清洗安排在退磁和煤油粗清洗之后、注脂壓蓋之前。裝置所實(shí)現(xiàn)的工序主要包括噴淋粗洗、超聲波粗洗、超聲波精洗、噴淋精洗、空氣吹干和熱風(fēng)烘干等。軸承輸送采用氣缸推進(jìn)式，包含兩路導(dǎo)軌，可以高效地完成軸承清洗工作。

 

　　實(shí)際使用證明，設(shè)備運(yùn)行可靠，性能穩(wěn)定，主要有以下幾個(gè)特點(diǎn)：
　?。?）清洗后軸承的清潔度達(dá)到機(jī)械工業(yè)部“滾動(dòng)軸承清潔度及評(píng)定辦法”標(biāo)準(zhǔn)，而且優(yōu)于工廠原來(lái)使用的煤油清洗方法。
　?。?）由于采用了環(huán)保型碳化水素清洗液，使得工人的工作條件大為改善，對(duì)環(huán)境的污染也降到了Z低。同時(shí)，此清洗液可以在蒸餾后循環(huán)使用，大大節(jié)約了成本。
　?。?）由于在電控系統(tǒng)中采用了PLC控制，維護(hù)十分方便，更改工藝流程和工作節(jié)奏可通過(guò)修改程序或直接在操作面板上更改參數(shù)來(lái)實(shí)現(xiàn)，無(wú)需更改接線，大大提高了設(shè)備的使用效率和性價(jià)比。
　　（4）本設(shè)備很方便地和其它設(shè)備連線組成了生產(chǎn)線，降低了工人勞動(dòng)強(qiáng)度，提高了勞動(dòng)生產(chǎn)率。
　　5　結(jié)語(yǔ)
　　為了滿足當(dāng)前機(jī)電產(chǎn)品對(duì)軸承清洗質(zhì)量的要求，設(shè)計(jì)了新型軸承成品超聲波清洗機(jī)，使用清洗效果好的環(huán)保型碳化水素清洗液。使用結(jié)果表明，該清洗機(jī)提高了軸承的清潔度，保證了軸承的質(zhì)量；通過(guò)自動(dòng)控制系統(tǒng)確保了設(shè)備運(yùn)行的可靠性和安全性；同時(shí)降低了生產(chǎn)成本，并大幅度提高了生產(chǎn)效率。
 

 

來(lái)源：《機(jī)械工程師》2006年第1期