摘要：本文通過對超聲波清洗原理進行分析，根據(jù)軸承零件的特點研究降低清洗液內(nèi)部含氣量的方法。同時，針對碳氫溶劑不易干燥且安全性較差的缺點研究分析真空干燥技術(shù)的可行性，并確定其真空干燥過程的真空工作壓力在13.3KPa以下，加熱溫度為110℃左右。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗；汽車軸承；自動清洗

前言

隨著我國經(jīng)濟的快速發(fā)展，人民生活水平的提高，汽車正從一種少數(shù)人才能擁有的奢侈品逐漸進入普通百姓的生活。中國汽車市場十分巨大，吸引了國際汽車巨頭及國有及民營資本的加入，汽車工業(yè)成為了我國的一項支柱產(chǎn)業(yè)，使科學(xué)技術(shù)發(fā)展水平得到了顯著的提高。然而，在汽車生產(chǎn)和維修保養(yǎng)過程中需要清洗各類汽車零部件。軸承被稱為“汽車的關(guān)節(jié)”，一個國家軸承工業(yè)發(fā)展水平的高低，往往代表和制約著汽車工業(yè)及其他相關(guān)產(chǎn)業(yè)的發(fā)展水平。然而，汽車上的軸承都是工作在十分惡劣的條件下，軸承在機械加工和運輸過程中，其表面都附有許多無機和有機物，若不清洗干凈，會嚴(yán)重的影響成品質(zhì)量或是汽車運行的平穩(wěn)性，甚至?xí)p腐蝕軸承內(nèi)外圈或滾珠，產(chǎn)生故障，給人們的生產(chǎn)生活帶來諸多不便。過去，為了保證運輸安全，大批軸承被更換報廢，已求得剛質(zhì)量軸承運轉(zhuǎn)，但隨著當(dāng)代科學(xué)技術(shù)的不斷進步和發(fā)展，為保證正常的運輸業(yè)務(wù)不受影響，往往建立維修點，對軸承進行必要的定期的清洗和修復(fù)，以期延長軸承的使用壽命，減少軸承的資金損耗，從而獲得最大的經(jīng)濟效益。因此，軸承的清潔度是是軸承質(zhì)量的關(guān)鍵問題之一，軸承的清洗雖不能直接提高軸承的精度、壽命及其各項性能指標(biāo)，但清潔度將直接影響這些指標(biāo)，也是軸承精度、壽命、各項性能得以保持的必要條件，隨著對軸承質(zhì)量要求的提高，軸承清洗技術(shù)顯得十分重要。

模糊控制技術(shù)，已經(jīng)成為智能控制技術(shù)的一個重要分支，它是一種高級算法策略和新穎的技術(shù)。自從1974年英國的馬丹尼(E.H.Mandani)工程師首先根據(jù)模糊集合理論組成的模糊控制器用于蒸汽發(fā)動機的控制以后，在其發(fā)展歷程的30多年中，模糊控制技術(shù)得到了廣泛而快速的發(fā)展?，F(xiàn)在，模糊控制已廣泛地應(yīng)用于冶金與化工過程控制、工業(yè)自動化、家用電器智能化、儀器儀表自動化、計算機及電子技術(shù)應(yīng)用等領(lǐng)域。尤其在交通路口控制、機器人、機械手控制、航天飛行控制、汽車控制、電梯控制、核反應(yīng)堆及家用電器控制等方面，表現(xiàn)其很強的應(yīng)用價值。并且目前已有了專用的模糊芯片和模糊計算機的產(chǎn)品，可供選用。我國對模糊控制器開始研究是在1979年，并且已經(jīng)在模糊控制器的定義、性能、算法、魯棒性、電路實現(xiàn)方法、穩(wěn)定性、規(guī)則自調(diào)整等方面取得了大量的成果。著名科學(xué)家錢學(xué)森指出，模糊數(shù)學(xué)理論及其應(yīng)用，關(guān)系到我國二十一世紀(jì)的國力和命運。

從2003年開始，中國近20年的履約活動已經(jīng)到了國家履約階段（2003-2011），由于中國清洗設(shè)備的制造起步較晚，上個世紀(jì)90年代全國僅有幾家小型的清洗設(shè)備制造企業(yè)。這些企業(yè)不僅生產(chǎn)加工設(shè)備簡陋，而且對替代ODS清洗新工藝的了解和掌握也不夠全面。因此，需要開始使用非ODS清洗劑的新型清洗設(shè)備。

在軸承行業(yè)迅速發(fā)展，對軸承的質(zhì)量要求越來越高，淘汰ODS清洗技術(shù)勢在必行的條件下，本課題旨在研究以最新的超聲波技術(shù)和非ODS碳氫溶劑為清洗介質(zhì)的軸承清洗工藝，通過實驗找出最佳的工藝參數(shù)，并將之應(yīng)用到新型的清洗設(shè)備開發(fā)中，以實現(xiàn)較高的清洗水平，較低的勞動強度，環(huán)保以及合理的設(shè)備價格。綜上所述，本課題具有一定的實際意義，并具有廣泛的市場需求。

在我國對超聲清洗技術(shù)的研究和應(yīng)用始于上世紀(jì)五十年代，幾乎與國外同步進行。當(dāng)時超聲清洗設(shè)備的核心部件是采用磁致伸縮換能器，超聲頻電源則是電子管器件。到了七十年代，這種換能器逐漸由高率且制作方便的壓電換能器取代，并出現(xiàn)晶體管和晶閘管超聲頻電源，設(shè)備的效率大大提高而體積卻縮小很多。但是，所生產(chǎn)的設(shè)備大多是臺式、單槽式的超聲清洗機，使用的清洗介質(zhì)大多是水基清洗液。隨著技術(shù)的進步，超聲波清洗技術(shù)的成熟以及新型環(huán)保清洗劑的開發(fā)，越來越多的企業(yè)開始采用新的多缸超聲波清洗技術(shù)來取代舊的清洗方式和清洗設(shè)備。

1汽車軸承清洗工藝過程分析

現(xiàn)在超聲波清洗技術(shù)己經(jīng)廣泛應(yīng)用于軸承清洗行業(yè)，超聲波在清洗液中傳播時會產(chǎn)生正負交變的聲壓，沖擊清洗件，同時由于非線性效應(yīng)會產(chǎn)生聲流和微聲流;而超聲空化在固體和液體界面上會產(chǎn)生高速微射流。所有這些作用能夠破環(huán)污物，除去或削弱邊界層，增加攪拌、擴散作用，加速可溶性污物的溶解。如表2.2所示為各種工業(yè)清洗方式效果殘留物剩余比例。

但是當(dāng)碳氫溶劑中殘存氣體較多時，由于超聲波在空氣中傳播衰減很快，氣泡的存在會增加超聲傳播損失。另一方面，雖然液體中殘存氣體越多，空化閉值就越小，越容易發(fā)生空穴，但隨著空化泡生長過程中擴散到泡中的氣體增加，在空化泡崩潰時會降低沖擊波的強度，從而削弱超聲波清洗作用。但是通過對封閉的超聲波清洗工位儲液槽抽真空，使儲液槽內(nèi)的氣壓降低，殘存在清洗液內(nèi)部的氣體便會大量析出，從而強化超聲波清洗的作用，所以碳氫清洗設(shè)備一般配備有真空脫氣裝置，真空脫氣的真空度比較

低，大約為-0.06~-0.04MPa。真空脫氣的依據(jù)為亨特定律，根據(jù)亨利定律:在恒溫和平衡狀態(tài)下，一種氣體在液體里的溶解度和該液體的平衡分壓力成正比，即：

其中，PA為物系內(nèi)氣一液相平衡時A氣體在氣相中的平衡分壓力，XA為A氣體在液相中的溶解度(液相的平均摩爾分?jǐn)?shù))，HA為該氣體的亨利常數(shù)，它取決于溶質(zhì)和溶劑的性質(zhì)和系統(tǒng)的溫度。

當(dāng)溫度不變壓力降低時，相當(dāng)于不抽空時將液體中的氣泡都提升到距液面較近位置。由熱力學(xué)可知P1·V1=P2·V2，可見壓力減小，氣體體積就增大，隨之浮力增加。當(dāng)浮力達到足以克服初始阻力時，氣泡就可以在液體內(nèi)靠浮力上升并在上升過程中，壓力不斷減小，體積進一步膨脹，浮力不斷增大，上升速度也越來越快直至液面上。真空脫氣時可以對整個清洗槽真空脫氣，進行真空清洗。也可以對清洗液單獨進行脫氣，為了提高生產(chǎn)節(jié)拍，軸承零件清洗工藝研究及設(shè)備研制節(jié)省設(shè)備的制造費用，本文制定了對碳氫溶劑單獨真空脫氣再進行超聲波清洗的工藝方法。清洗液在進入清洗槽前，先被集中收集在脫氣罐內(nèi)進行抽真空操作，脫氣之后再進行超聲波清洗。

漂洗實質(zhì)上是對殘留在軸承表面的污染清洗介質(zhì)進行稀釋。軸承從清洗槽里取出來之前，實質(zhì)上是處在已經(jīng)污染的清洗劑當(dāng)中，取出之后，表面必然會帶出或殘留有污染的清洗介質(zhì)，需通過漂洗去除。由此可見，漂洗一般不會單獨使用，而是作為超聲清洗后的工序進行選擇使用。

碳氫溶劑的蒸汽清洗是對清洗槽不斷通碳氫蒸汽，碳氫蒸汽溫度較高，遇到溫度低的軸承時產(chǎn)生相變，碳氫蒸汽因相變產(chǎn)生的熱量使軸承溫度升高。由于不斷的提供碳氫蒸汽，軸承和碳氫液的溫度不斷升高，碳氫液對污垢的溶解力也隨溫度的升高而不斷增強，而且總是潔凈的碳氫溶劑在進行蒸汽清洗，所以一般經(jīng)過蒸汽清洗后的軸承潔凈度會達到很高的水平;并且蒸汽清洗在真空槽內(nèi)進行，隔絕了氧氣，安全系數(shù)高。

蒸汽清洗同真空干燥在同一槽內(nèi)進行，對軸承進行蒸汽清洗的過程，同時也是對軸承加熱的過程，蒸汽清洗在低真空狀態(tài)下進行，根據(jù)清洗軸承類型的不同，清洗到達一定時間后，停止對干燥槽通碳氫蒸汽，排出槽內(nèi)液體，然后對干燥槽抽高真空，干燥槽內(nèi)的真空度急劇下降，而溫度卻依然較高，殘留的碳氫溶劑便會在瞬間進入崩沸狀態(tài)，成為碳氫蒸汽被真空泵吸走，從而實現(xiàn)軸承的完全干燥。

2清洗機自動控制流程設(shè)計

汽車軸承上的污染物主要包括鐵屑、油污和灰塵等。附著在軸承外表面和內(nèi)部，形成對軸承傷害很大的污垢塊，其中部分污物僅輕輕附著在軸承的表面，而有些污物則是膠著在內(nèi)外環(huán)及滾珠上的頑固污漬會對軸承造成不良影響。碳氫溶劑屬非極性有機溶劑，對油污清洗能力強，滲透性好，不會造成金屬生銹腐蝕，是替代ODS物質(zhì)清洗殼體和轉(zhuǎn)子的理想清洗劑。根據(jù)清洗工藝流程，對其進行超聲波清洗和真空干燥。將零件定量裝入清洗筐中進行批次式清洗，為保證零件清潔度要求，確定本設(shè)備的清洗工藝流程為:真空脫氣后的超聲波粗洗—真空脫氣后的超聲波精洗—粗漂洗—精漂洗—蒸氣清洗+真空干燥。

超聲波清洗裝置主要由清洗液槽和超聲波發(fā)生器構(gòu)成。清洗槽分為兩個超聲波清洗槽和兩個漂洗槽。清洗槽需要采用強度高、能抗一般化學(xué)腐蝕的不銹鋼材料制成，本設(shè)備采用材料OCr19Ni9(SUS304)，具有良好的耐蝕性、耐熱性、低溫強度和機械性能，沖壓彎曲等熱加工性好，無熱處理硬化現(xiàn)象，無磁性。同時由于超聲空化腐蝕的問題，所以超聲槽的槽壁總是或多或少有一定的損耗，雖然這種損耗比較小，但長期以來是會影響超聲波清洗的一些參數(shù)變化，因此在設(shè)計中選用壁厚為3mm。

對于超聲波清洗槽涉及到超聲波換能器的安裝問題。超聲波換能器在清洗槽中的安裝有兩種方式，一種是將單個換能器固定的粘貼在清洗槽的底部或側(cè)面，這種方式要求與清洗液接觸的槽面要拋光，以減少空化腐蝕;另一種是把多個換能器共同粘結(jié)在一塊輻射板上，并密封成為一個外形象盒子的換能器組合體，稱為振子，可以浸入裝有清洗液的清洗槽的任意位置，以取得最佳的清洗效果，這種方式稱沉浸式安裝，此時換能器是獨立的一個部件，沉浸式換能器維修比較方便，能快速更換。因此，在設(shè)計中采用沉浸式的安裝方式，根據(jù)對超聲波原理的分析結(jié)果，清洗機選擇功率1500W，頻率為40KHz的必能信8500超聲波發(fā)生器，每臺超聲波發(fā)生器各帶有一個裝有18個換能器的盒裝振子。

超聲波換能器振子安裝在清洗槽的底部。由于碳氫溶劑微帶氣味，為了保持良好的工作環(huán)境，在清洗槽上邊緣設(shè)計了通風(fēng)槽，并通過末端通風(fēng)口與清洗機風(fēng)道相連，以便將空氣中的碳氫溶劑即時排走。漂洗槽結(jié)構(gòu)與超聲波清洗槽相似，只是由于底部無超聲波換能器振子而高度減少。

3汽車軸承清洗機控制系統(tǒng)的設(shè)計

3.1氣動控制系統(tǒng)設(shè)計

在軸承零件清洗機的設(shè)計中采用氣動驅(qū)動方式的工況如下:傳送機構(gòu)中清洗區(qū)移料臂架的傳送和掛鉤，干燥區(qū)入料和出料臂架的傳送、升降和掛鉤，干燥室密封蓋的運動和密封等，此外在液體管路中需要使用各型號的氣動閥。由于真空脫氣裝置I與II氣動控制方式相同，真空干燥室I和真空干燥室II氣動控制方式相同。

氣源處理器，由分水濾氣器、減壓閥和油霧器構(gòu)成，在氣動系統(tǒng)中起著過濾、調(diào)壓和油霧化的作用;AC為氣缸，分析清洗機的動作過程可知需要雙作用氣缸來完成控制要求，雙作用氣缸指兩腔可以分別輸入壓縮空氣，實現(xiàn)雙向運動的氣缸，使用較為廣泛。其中AC3為雙行程氣缸，AC7為驅(qū)動干燥室密封蓋的前后運動的無桿氣缸:SC為調(diào)速閥;SR為減壓閥;SOL1，3，4，6，11為三位五通電磁換向閥，SOL2，5，12，23為兩位五通雙控電磁換向閥，其余為兩位三通電磁換向閥;V為氣動閥，其中V17為氣動旋鈕閥。

3.2氣缸的選用

氣缸是根據(jù)主機需要進行選用的，設(shè)計時應(yīng)盡量選用標(biāo)準(zhǔn)氣缸。

(l)安裝形式的選擇:安裝形式由安裝位置、使用目的等因素決定。本課題采用的氣缸用固定式安裝方式:前法蘭(MF1式)、后法蘭’(MF2式)。

(2)氣缸的輸出力:根據(jù)工作機構(gòu)所需力的大小，考慮氣缸載荷率確定活塞桿上的推力和拉力，從而確定氣缸內(nèi)徑。

對于普通雙作用氣缸無桿腔為工作腔時理論拉力F0為:

式中，D——缸徑(m);

P——氣缸的工作壓力(Pa)。

普通雙作用氣缸有桿腔為工作腔時理論拉力F0為:

式中，d一一活塞桿缸徑(m)。

在考慮到活塞桿和活塞本身的摩擦力影響的情況下，實際輸出力要以氣缸效率來修正，若氣缸動態(tài)參數(shù)要求較高，且工作頻率高，其載荷率一般取η=0.3~0.5，速度高時取小值，速度低時取大值。若氣缸動態(tài)參數(shù)要求一般，且工作頻率低，基本是勻速運動，其載荷可取η=0.7~0.85。

(3)氣缸行程:氣缸(活塞)行程與其使用場合及工作機構(gòu)的行程比有關(guān)。多數(shù)情況下應(yīng)使用滿行程，以免活塞與缸蓋相碰撞，尤其用于加緊等機構(gòu)，為保證加緊效果，必須按計算行程多加10~20mm的行程余量。

(4)氣缸的運動速度:主要有所驅(qū)動的工作機構(gòu)的需要來確定。要求速度緩慢、平穩(wěn)時，宜采用氣液阻尼缸或采用節(jié)流調(diào)速。

4結(jié)論

對超聲波清洗原理進行分析，根據(jù)所清洗的軸承零件的特點確定降低清洗液內(nèi)部含氣量的方法，提高了超聲波清洗效率。針對碳氫溶劑不易干燥且安全性較差的缺點研究分析了使用蒸氣清洗和真空干燥的可行性，并確定其真空干燥過程的真空工作壓力在13.3KPa以下。