（机械设计及理论专业论文）轴承超声波清洗技术的研究与应用.pdf

人连理工犬学硕士学位论文 摘要 超声波清洗技术是一种应用比较广泛的清洗方式，对于结构复杂的物体具有很好的 清洗效果，但是传统的煤油清洗剂很难达到清洗要求，而卤代烃类清洗剂虽然可以起到 较好的清洗效果，但其是o d s ( 臭氧层破坏物质) ，会对臭氧层造成很大破坏。为了提 高轴承清洗效果、满足环保要求，需要探索新型环保清洗剂、研究新的轴承清洗方式、 开发新型轴承清洗设备。据此，本文以碳氢溶剂超声波清洗技术研究和清洗装置开发为 工作重点，主要研究内容如下： 1 、对国内外清洗行业现状进行了较为详尽的调查，对超声波碳氢溶剂清洗技术做 了比较深入的研究，探讨了超声波清洗理论，分析了碳氢溶剂的特性。 2 、根据理论研究的成果，制作了超声波清洗实验装置。为了确定关键的清洗工艺 参数，如超声波功率、频率，清洗液的含气情况等，做了相应的超声清洗实验。 3 、设计开发了超声波碳氢溶剂轴承清洗机。在清洗机的研制过程中，考虑到碳氢 溶剂的特性，为了提高超声波作用的效果，对超声波槽、烘干箱等部分做了特殊设计。 4 、为了提高清洗效率，加强清洗机对不同型号轴承的自动适应能力，对气爪、气 缸与位移传感器结合的轴承传输方式进行了设计。在对清洗设备的设计过程中，针对碳 氢溶剂易燃的特性，特别设计了防火、消防和冷却等保护措施。 5 、根据轴承清洗机自动控制的需要，选择适当的传感器，对p l c 控制系统进行了 设计，并编写了控制程序，以实现对设备可靠、高效的控制和人性化的操作方式。 研究工作证明，将超声波碳氢清洗方法应用于轴承清洗时，如果在设备上采取适当 措施，可以充分发挥超声波和碳氢溶剂高效、环保、低运行成本等诸多优点，并且可以 避免碳氢溶剂易燃、不易干燥等缺点。上述研究对提高轴承清洗的效率，保证环保要求 等方面具有一定的实际意义。 关键词：清洗工艺；超声波清洗；碳氢溶剂；轴承 大连理工大学硕十学位论文 r e s e a r c ho f iu t t r a s o n i cc l e a n i n go f b e a r i n ga n da p p l i c a t i o n a b s t r a c t u l t r a s o n i cc l e a n i n gc a nm a k eag o o dc l e a n i n gr e s u l tt oc o m p l i c a t e dc o m p o n e n t s b u t k e r o s e n eu s e di nu l t r a s o n i cc l e a n i n gc a nn o ta c c o r dw i t ht h es t a n d a r dc l e a n i n gd e g r e ee a s i l y h a l o g e nw h i c hi so d s ( o z o n ed e s t r o ys u b s t a n c e ) ，c a nd e s t r o yo z o n e t oi m p r o v et h e q u a n t i t yo fb e a r i n gc l e a n i n ga n df u l f i l lt h ea s ko fe n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n ，n e e dt of i n dan e w u l t r a s o n i cc l e a n i n gl o t i o n , s e a r c hab e t t e rw a yf o rb e a r i n gc l e a n i n ga n dd e s i g nan e wk i n do f u l t r a s o n i cc l e a n i n gm a c h i n et h a tu s et h en e wl o t i o n t h em a i nw o r k so f t h i sp a p e ra sf o l l o w s ： 1 1 1 1 ea c t u a l i t yo fa d v a n c e du l t r a s o n i cc l e a n i n gm e t h o d si si n v e s t i g a t e d t h em e c h a n i s m a n dc h a r a c t e r i s t i co fu l t r a s o n i cc l e a n i n ga r es t u d i e d 1 1 1 ec h a r a c t e r i s t i c sc a r b o n h y d r o g e ni s a n a l y z e d 2 o nt h eb a s i so ft h e o r e t i c a lr e s u l to fu l t r a s o n i c c l e a n i n gs y s t e m ，t h ec l e a n i n g e x p e r i m e n te q u i p m e n ti sd e s i g n e d f o rt h ei m p o r t a n tp a r a m e t e r so fc l e a n i n gt e c h n o l o g y ，s u c h a su l t r a s o n i cp o w e r , f r e q u e n c y ，a n dl o t i o nl e v e l ，s o m ee x p e r i m e n t sh a v eb e e nd o n e 3 a c c o r d i n gt ot h et h e o r ya n a l y z ea n dr e s u l to fe x p e r i m e n t ，t h em e c h a n i c a ls t r u c t u r a l d e s i g no f t h ec l e a n i n gm a c h i n ei sf i n i s h e d 。d u r i n gt h ed e s i g na n dm a n u f a c t u r eo f t h ec l e a n i n g m a c h i n e ，t h ec h a r a c t e r i s t i c so fc a r b o n h y d r o g e na r ec o n s i d e r e df o rb e t t e ru l t r a s o n i cc l e a n i n g r e s u l ta n dg o o dd r y i n ge f f e c t 4 f o rb e t t e rc l e a n i n ge f f i c i e n c ym a dh i g h e ra u t o m a t i cg r a d e ，t h eb e a r i n gt r a n s f e rm e t h o d u s i n gc y l i n d e ra n dc l a wc o n t r o lb yd i s p l a c e m e n ts e n s o ri sd e s i g n e d 。d u r i n gt h ed e s i g no f c l e a n i n gm a c h i n e ，f i r e p r o o f m ga n dc o o l i n gi sc o n s i d e r e df o rt h es a f e t yo f t h em a c h i n e 5 a c c o r d i n gt ot h en e e do f a u t o m a t i cc o n t r o lo f t h eu l t r a s o n i cm a c h i n e ，t h ep l cc o n t r o l s y s t e mi sd e s i g n e da n dt h ec o n t r o lp r o g r a mi sc o m p i l e d r e s e a r c h i n d i c a t e s ，i f u s es o m ep r o p e rm e t h o d st ot h e d e s i g n o fu l t r a s o n i c c a r b o n h y d r o g e nb e a r i n gc l e a n i n g ，t h eh i g hc l e a n i n gs t a n d a r do fu l t r a s o n i cc l e a n i n ga n dt h e e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o na n dl o wr u n n i n g c o s ta b i l i t yo fc a r b o n - h y d r o g e nc a nb e u n i t e d t o g e t h e r t h i sr e s e a r c hc a np r o v i d eam e t h o di m p r o v i n gt h ee f f i c i e n c yo fb e a r i n gc l e a n i n g ， a n df u l f i l lt h en e e do f e n v i r o n m e n tp r o t e c t i o n k e yw o r d s ：c l e a n i n g t e c h n o l o g y ；u l t r a s o n i cc l e a n i n g ；h y d r o c a r b o n ；b e a r i n g 独创性说明 作者郑重声明：本硕士学位论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外， 论文中不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得大连理 工大学或者其他单位的学位或证书所使用过的材料。与我一同工作的同志 对本研究所做的贡献均已在论文中做了明确的说明并表示了谢意。 作者签名：_ 三逃日期：丝虫星 大连理工大、芦硕士研究q 二学位论文 大连理工大学学位论文版权使用授权书 本学位论文作者及指导教师完全了解“大连理工大学硕士、博士学位论文版权使用 规定”，同意大连理工大学保留并向国家有关部门或机构送交学位论文的复印件和电子 版，允许论文被查阅和借阅。本人授权大连理工大学可以将本学位论文的全部或部分内 容编入有关数据库进行检索，也可采用影印、缩印或扫描等复制手段保存和汇编学位论 文。 作者签名： 穗习趋 导师签名：至至薹芝兰落 鬯竺! 年卫月上妇 大连理工大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 轴承清洗背景与课题意义 轴承制造业是随着现代工业的发展而迅速发展起来的配套工业。现阶段，我国新一 轮的工业化改造逐步展开，新兴工业迅速发展，对轴承的需求量迅速增加，轴承制造业 蓬勃发展，某些地区如雨后春笋般出现了许多家新的轴承制造企业。如宁波地区，过去 只有很少几家轴承制造厂，而近几年已迅速发展到5 0 0 余家，而且增长势头并没有减缓 的趋势。随着行业的发展，竞争更加激烈，对轴承清洗的质量要求也越来越高，轴承清 洗设备的市场需求量也越来越大【l 】。图1 1 所示为1 9 9 5 年至2 0 0 5 年国有及国有投资控 股企业且年销售收入5 0 0 万元以上的企业产量及销售额统计，图中数据不包括外商独资 企业数据围。 轴承零件在机械加工、热处理及装配过程中，其表面都附有许多无机和有机污物， 若不清洗干净，会影响各工序及成品的质量，因此轴承的清洗是确保轴承产品质量的一 个重要工序【3 】。微、小型低噪声轴承对质量的要求很高，尤其是轴承的振动值和轴承振 动的波动值。通过提高轴承内、外圈以及钢球，保持架的加工质量和降低套圈沟道的表 面粗糙度值，可降低轴承振动值，而要降低轴承振动波动值，则需要提高轴承清洗工序 的质量1 4 】。而且，轴承采用润滑油润滑时需要非常清洁的接触表面，这样才有利于润滑 膜的形成。由于润滑膜非常薄而且脆弱，很容易受到污物的影响，所以污染物对轴承的 润滑非常有害，尤其是微小的坚硬颗粒污物对轴承的质量影响最为严重1 5 j 。因此，轴承 成品及套圈的清洁度是影响轴承质量的关键问题之一，轴承的清洗虽不能直接提高轴承 的精度、寿命及其各硬性能指标，但清洁度将直接影确这些指标，也是轴承精度、寿命、 各项性能得以保持的必要条件，随着对轴承质量要求的提高，轴承清洗技术显得十分重 要。 我国加入w t o 后，国外越来越多的厂家已经落户中国，产品质量竞争和静音轴承 的开发、应用也势在必行，提高轴承洁净度水平也可促进和改善现有轴承的清洗技术和 工艺管理水平，同时也是提高我国轴承行业国际竞争力的有效手段之一【6 】。 轴承超声波清洗技术的研究与应用 1 9 9 51 9 9 6 1 9 9 7 1 9 9 81 9 9 92 0 0 02 0 0 i2 0 0 2 2 0 0 3 2 0 0 4 图1 1 全国轴承行业1 9 9 5 年至2 0 0 4 年轴承产量及销售收入图 f i g 1 1t h ep r o d u c t i o nd a t aa n dy e a r l ym c o m e o f c h i n ab e a r i n gi n d u s t r yf o r m l 9 9 5t o2 0 0 4 此外，为了保护臭氧层，我国政府于1 9 8 9 年9 月加入了保护臭氧层的维也纳公 约，1 9 9 1 年6 月正式加入了关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书( 伦敦修正案) ， 至2 0 1 0 年完成主要o d s ( o z o n ed e p l e t i n gs u b s t a n c e 臭氧层消耗物质) 生产领域和消 费领域的淘汰。而多年以来一直以o d s 物质为清洗剂的清洗行业，做为5 个最大的o d s 消费行业之一，也面临着淘汰臭氧层消耗物质的任务和挑战。 从2 0 0 3 年开始，中国近2 0 年的履约活动已经到了国家履约阶段( 2 0 0 3 2 0 1 0 ) ， 由于中国清洗设备的制造起步较晚，上个世纪9 0 年代全国仅有几家小型的清洗设备制 造企业。这些企业不仅生产加工设备简陋，而且对替代o d s 清洗新工艺的了解和掌握 也不够全面。因此，需要开发使用非o d s 清洗剂的新型清洗设备 7 。 在轴承行业迅速发展，对轴承的质量要求越来越高，淘汰o d s 清洗技术势在必行 的条件下，本课题旨在研究以最新的超声波技术和非o d s 碳氢溶剂为洗净介质的轴承 清洗工艺，通过实验找出最佳的工艺参数，并将之应用到新型的清洗设备开发中，以实 现较高的洗净水平，较低的劳动强度，环保以及合理的设备价格。综上所述，本课题具 有一定的实际意义，并具有广泛的市场需求。 蛎 曲 弱 孙 坫 加 5 o 大连理工大学硕士学位论文 1 2 常用轴承清洗技术国内外现状 由于传统的轴承清洗操作简单，只是作为依附于生产过程当中的一道工序，因而没 有引起广泛关注。2 0 世纪8 0 年代以来，随着经济的快速发展，清洗这一古老而年轻的 工艺得到快速发展。2 0 世纪9 0 年代，中国明确产生了清洗行业这一新概念。进入2 1 世纪，制造业的高速发展促进了清洗设备和清洗剂等企业的快速进步【8 1 。 在我国对超声清洗技术的研究和应用始于上世纪五十年代，几乎与国外同步进行。 当时超声清洗设备的核心部件是采用磁致伸缩换能器，超声频电源则是电子管器件。到 了七十年代，这种换能器逐渐由高率且制作方便的压电换能器取代，并出现晶体管和晶 闸管超声频电源，设备的效率大大提高而体积却缩小很多。但是，所生产的设备大多是 台式、单槽式的超声清洗机，使用的清洗介质大多是水基清洗液 6 1 。随着技术的进步， 超声波清洗技术的成熟以及新型环保清洗剂的开发，越来越多的企业开始采用新的多缸 超声波清洗技术来取代旧的清洗方式和清洗设备。 截至到上世纪8 0 年代前期，我国的使用超声清洗轴承的单位还为数不多。上世纪 8 0 年代后，特别是9 0 年代开始，随着国民经济的飞速发展，以及科技的不断进步，尤 其是先进制造技术的需求，超声清洗技术的研究与超声清洗设备的研制得到了迅速发 展，研制队伍不断壮大，研制单位不断增多网。9 0 年代后期，国内轴承清洗已得到轴承 行业的普遍重视，但各轴承厂清洗设备多是品种繁杂的自制专机，从装筐分槽浸洗到箱 式链传动沐浴式清洗机，由于喷淋压力较低，大部分只喷淋轴承一侧，且清洗剂的过滤 尚未很好解决，故清洗的清洁度无法控制【l o 】。 近几年，新开发的清洗设备一般都配设传动系统的过载保护、温控显示和超温调节、 喷淋系统的液位自控、净化系统的污塞报警及自净化等能力，并推广应用p c 控制，以 提高清洗机工作的可靠性【l l 】。 对于清洗液的选择，由于目前国内替代o d s 物质的工作已经步入了实施阶段。近 年来由于政府的强烈干预，各地一些企业开始充分重视替代o d s 物质和有毒有害物质 的工业清洗剂【1 2 1 。国内部分企业摒弃传统的o d s 清洗剂，采用水剂清洗技术，但是水 剂清洗需要解决水剂清洗机和脱水防锈机组成连线的问题，同时，要适应脱水防锈剂的 机理和特点，保证轴承在倾斜脱水过程中，内、外圈相对移动数圈，保持架和内外滚道 无水剂存创”】。因此采用水剂清洗的清洗设备需要采用脱水机构，使得机器结构复杂。 此外，使用水剂清洗还存在废液处理的问题1 l 4 , 1 。 国外轴承生产中，对清洗十分重视，每道工序间及成品都有清洗【。2 1 世纪初， 清洗技术大致分为四种： 轴承超声波清洗技术的研究与应用 ( 1 ) 喷淋式清洗：这种清洗方法是压力清洗液通过不同的喷嘴喷淋到工件上，以 达到清洗效果。根据压力不同，分为一般清洗和高压清洗，高压清洗可对工件进行脱漆、 去毛刺处理。根据水温的不同，还可分为常温清洗和高温清洗。 ( 2 ) 沉浸式清洗：这种清洗方法是将工件放在清洗液中，通过清洗液的循环流动 或清洗液的大流量喷射，对工件进行清洗。 ( 3 ) 超声波清洗：该方法是将工件放在清洗液中，用超声波发生器对清洗液产生 激发作用，达到对工件的清洗。由于卤化烃清洗液易污染环境，现在采用水基清洗剂【1 6 1 。 ( 4 ) 蒸发脱脂清洗；此方法采用卤化烃清洗液，使其蒸发，用其蒸汽达到对工件 脱脂目的。 上世纪九十年代后，超声轴承清洗设备主要朝着各种类型的多缸式或传动链式或升 降式生产线发展。在美国、日本、欧洲以及亚太市场上，多缸式超声清洗设备总量已呈 明显上升之势，高达总量的5 0 ，而多工位半自动、全自动传动链式或升降式超声清洗 线体设备也已上升到总量的4 0 以上。美国某公司在日本的分公司，近几年单缸清洗机 销量仅占总量的2 ，而传动链式自动清洗机占总量的4 8 ，多缸式清洗机占总量的 5 0 t ：q 。 目前，国际社会对环保的重视，国外对超声波清洗技术的研究多数集中在寻找可以 替代传统的o d s 清洗剂的清洗介质，并根据新的清洗介质的特性，开发适合的清洗装 置【1 8 】。o d s 替代技术存在两种主要发展趋势，一种是以欧美所倡导的使用低破坏臭氧 层系数的清洗剂为主的替代技术，但是其产品价格比较昂贵。二是以日本一些公司推崇 的碳氢清洗技术【1 9 】。主要技术路线是，碳氢溶剂捆绑碳氢清洗设备共同使用，这种模式 已经被日资企业所普遍接受，国内一些企业也正在积极讨论这种技术 2 0 - 2 2 1 。 1 3 超声波碳氢清洗方法 基于对市场的分析，和国内外清洗行业现状的调查，以及国家对清洗行业的环保要 求，本课题选择用碳氢溶剂作为清洗剂的超声波轴承清洗技术为研究的重点。 每种清洗技术都有其特点，如超声波清洗具有喷淋清洗不可替代的作用。对于轴承 这种结构复杂，清洁度要求较高的工件，超声波清洗技术便显现出优越性 2 3 珥1 。超声清 洗属于物理力清洗，其本身为绿色清洗，若使用非o d s 的碳氢溶剂作为清洗剂，则更 具有环保意义口】。超声清洗与现代科技发展及先进帝造工艺密切相关，是目前功率超声 中应用最为广泛的领域之一。超声清洗在各种化学、物理以及机械的清洗中是较为有效 的一种手段，它被广泛应用于机械、光学、电子、轻工、纺织、化工、航空航天、船舶、 原子能以及医疗医药等工业部门h 。 大连理工大学硕士学位论文 超声波清洗与其它清洗相比具有洗净率高、残留物少( 如表1 1 ) ，清洗时间短， 清洗效果好的优点，如图1 2 所示。凡是能被液体浸到的被清洗件，超声波对它都有清 洗作用，不受清洗件表面形状限制，例如深孔、狭缝、凹槽，都能得到清洗，是一种真 正高速、高质量、易实现自动化的清洗技术。超声清洗对玻璃、金属等反射强的物体清 洗效果好，而不适宜纺织品、多孔泡沫塑料、橡胶制品等声吸收强的材料m 。由于轴承 属于不规则体，表面形状复杂，对其清洗时若选用普通的洗净方法，很难起到理想的效 果，而采用适当的超声波清洗则可以达到较好洗净目的。 表1 1 不同清洗方法的洗净效果比较 t a b 1 it h ec l e a n i n gr e s u l to f d i f f e r e n tc l e a n i n gm e t h o d s 清洗方法 剩余残留物 吹式清洗 浸润式清洗 蒸汽式清洗 刷洗 超声波清洗 8 6 7 0 6 5 8 0 - - 4 ) 5 誉 v 磔 鬃 赠 褒 1 02 03 04 05 0 清洗时间( r a i n ) 图1 2 超声波清洗效果比较 f i g 1 2t h ec l e a n i n gt i m eo f u l t r a s o n i cc l e a n i n ga n dm e c h a n i c a lc l e a n i n g 轴承超声波清洗技术的研究与应用 1 4 研究内容 轴承的清洁度是轴承质量的一项考核指标，必须由生产过程的清洗质量来保证。清 洗质量的提高，需要应用先进的清洗技术。本文进行较广泛的市场调查，并查阅了大量 的国内外文献，并据此将研究重点放在寻求更经济、更高效、更环保的清洗方式上。本 论文着重研究了轴承超声波碳氢清洗的机理，通过实验探索了超声波碳氢清洗工艺，并 根据研究结果制造了轴承清洗装置，就轴承清洗工艺和清洗装置开发过程中的重要内容 作了阐述，主要工作如下： ( 1 ) 研究超声波碳氢清洗的机理和特点，分析超声波碳氢清洗技术的关键理论， 为新型环保超声轴承清洗机提供理论依据。 ( 2 ) 基于对超声波理论的分析及对碳氢溶剂特性的研究，分析超声波碳氢清洗的 可行性，并试制超声波碳氢清洗实验装置。 ( 3 ) 在各种清洗条件下，进行相应的超声波清洗实验，并通过对实验结果的分析， 完成对超声波碳氢清洗工艺参数的优化。 ( 4 ) 利用对超声波碳氢清洗技术的研究结果，根据轴承特性及其污物特点制作包 括退磁、粗喷淋清洗、超声波清洗、精喷淋及吹干、热风烘干等工艺流程的轴承清洗机。 ( 5 ) 为轴承清洗机设计p l c 控制系统，编写p l c 自动控制程序。 ( 6 ) 通过实际应用，验证轴承清洗效果。 大连理工大学硕士学位论文 2 超声波碳氢清洗技术原理 使用绿色非o d s 清洗剂的超声波清洗技术作为一种先进、高效、符合可持续发展 战略的现代清洗技术，以其具有诸多传统清洗技术所不具备的独特优势已开始应用于机 械制造业的各个领域，在未来的制造业将越来越得到更广泛的应用口6 】。据此，本章着重 讨论超声波清洗技术的原理及碳氢溶剂的特性，并分析超声波碳氢清洗在轴承清洗中应 用的可行性。 2 1 碳氢溶剂清洗剂及其使用特性 既然要进行清洗，就要考虑选用何种洗净介质的问题。清洗剂的选择要根据被清洗 物品的性质及污物的特点来判断。对于轴承来说，污物的种类主要有加工时留下金属屑， 油污以及存放和在工位间运输时所沾染的灰尘。这些污物有的浮于轴承的表面，有的附 着在轴承的内外环及滚子上，还有一些会在保持架的缝隙之中。总之，轴承上的污物的 种类和附着形式都比较复杂，因此就需要流动性较好，溶解油污能力较强，既可以喷淋 冲洗，又适合使用超声波清洗的清洗剂。 由于机械行业清洗零件种类和结构的多样化和复杂性，同时生产批量大，因此要求 清洗设备具有清洗效果好、适应性好、生产率高、操作方便和劳动强度低等特点【1 1 1 。 近半个世纪以来，氟氯烃( o d s ) 类清洗技术以化学性能稳定、去污力强、毒性低、 与金属、菲金属材料有极好相溶性及安全速干等独特的优点，在机械制造、电子等行业 的清洗领域占据了主导地位。但它既是破坏地球表面臭氧层的元凶，又是造成环境污染 的源头。出于对保护臭氧层这一人类面临的全球性环境问题的急追感，联合国决定在 2 0 0 5 年全面禁止使用o d s 类清洗技术【l 】。在我国经济高速发展的同时也开始注重环境 污染问题，我国先后加入了两个保护臭氧层的国际环境公约：关于保护臭氧层的维也 纳公约和关于消耗臭氧层物质的蒙特利尔议定书，并签订了中国清洗行业o d s 整体淘汰计划1 6 , 2 7 。 自我国加入了两个保护臭氧层的国际公约后，以前所沿用的o d s 有机溶剂被禁止 使用，因此寻找非o d s 清洗剂及相应的工艺迫在眉睫。许多企业及科研单位都在不断 研制新的环保型清洗剂，随着科技的发展，当前已有多种环保型清洗剂可以作为o d s 清洗剂的替代品，但是还没有一种可以将其完全替代例。例如，有些企业使用水基清洗 剂来替代o d s 清洗剂，但是水基清洗剂对油脂及亲油污物的溶解性、渗透性和分散性 能力差【2 6 l 。 轴承超声波清洗技术的研究与应用 在日本最早提出了碳氢溶剂清洗。碳氢溶剂一般采用馏程范围在1 5 0 1 9 0 ，闪点 范围在5 0 7 0 的正构烷烃( c n h 2 n + 2 ) ，在这种馏程内，碳氢溶剂的安全性和干燥性得 到了优化 2 9 1 。由于正构烷烃的化学结构稳定，连续加热蒸馏回收后不会破坏化学结构， 实验数据显示对铁、铜、铝、锌等金属产生的腐蚀远远低于环烷烃、芳香烃、卤代烃， 多次蒸馏仍然可以使用p 0 1 。而三氯乙烯等卤代烃溶剂几次蒸馏后就不能够再使用，其原 因就在于卤代烃中的卤素原子的活性很大，容易被其他原子或原子团所取代【3 1 1 ，例如氯 离子被氧离子替代，而发生了酸败反应，反复蒸馏使用后洗净力下降，还会对金属产生 腐蚀作用，湿气存在时会慢慢分解，例如，潮湿时遇光生成盐酸【2 7 1 。碳氢溶剂还有许多 优点：清洗性能好；材料相溶性好；蒸发损失小；能够彻底挥发，没有残渣；无毒；不 破坏环境；价格低廉等。 综上所述，采用碳氢溶剂作为轴承清洗介质是可行的，为了便于研究，现将其主要 特点归纳如下，作为设备设计过程中的参考依据。 碳氢溶剂的主要优点： ( 1 ) 属于非o d s 物质，不破坏臭氧层。碳氢溶剂中不含氯，可以自然降解，符合 环保要求； ( 2 ) 碳氢溶剂属于有机溶剂，其废液可以放入炉中焚烧，焚烧的生成物主要是二 氧化碳和水，对空气没有污染，不会对环境造成威胁； ( 3 ) 对油污的洗净能力强，碳氢溶剂清洗润滑油、防锈油和机加工油等矿物油的 效果要比用卤代烃和水基清洗剂好； ( 4 ) 碳氢溶剂中不含水分和氯、硫等腐蚀物，对大部分塑料和橡胶没有溶解、溶 胀和脆化作用，而且不会造成钢铁等金属生锈腐蚀，能够确保清洗质量； ( 5 ) 使用成本低。碳氢溶剂可以实现循环蒸馏再生利用，其沸点一般在1 5 0 以 上，所以在保管和使用过程中挥发损失比较小，长期使用成本要比传统的清洗剂降低很 多，可以实现高质量低成本的运作模式d o , 3 2 1 ； ( 6 ) 碳氢溶剂为无味或只有微弱气味的液体，与人体接触为低毒，不属于致癌物 质，对清洗操作人员及对绝大多数材料安全田j ； ( 7 ) 碳氢溶剂是一种很纯净的溶剂，不含水分，在常温或加温状态下可完全挥发， 烘干后在工件表面无残留，没有残留物有助于提高工件清洗质量，避免锈蚀【1 4 1 。 碳氢溶剂具有可以作为清洗剂的许多优点，但是它还是不能完全代替传统的卤代烃 0 d s 清洗剂。碳氢溶剂有沸点高( 在1 5 0 c 1 9 0 之间的碳氢溶剂都有) ，闪点低( 一 般在5 09 c - 7 0 c 之间较多) 的特点1 3 2 1 。这种特性使得碳氢溶剂相对于传统o d s 清洗剂具 有了以下缺点： 大连理工大学硕士学位论文 ( 1 ) 沸点高使碳氢溶剂的干燥速度较低，干燥性不如传统的卤代烃溶剂，它的理 化特性决定了在实际使用过程中，需要干燥装置； ( 2 ) 较低的闪点决定了碳氢溶剂比较易燃，在清洗、干燥和蒸馏再生中采取防火 措施； ( 3 ) 如果采用超声波清洗，必须加装冷却水装置，因为超声波空化作用会使碳氢 溶剂升温，而碳氢溶剂要保证在其闪点以下的温度进行清洗； ( 4 ) 如果为了保证产品的清洗质量，需要定期对清洗液进行蒸馏回收，或在清洗 设备上加装减压蒸馏装置； ( 5 ) 虽然从长远来看，碳氢熔剂的使用可以降低成本，但是目前碳氢清洗设备价 格较高，一次性投资较大，使得推广起来具有一定难度1 3 3 。 在这些缺点中，最主要的是安全性问题和干燥问题。干燥问题更为突出，干燥问题 的核心是清洗效率问题。清洗效率低，产品成本增加，企业的竞争力受到影响。为了克 服这些缺点，更好地利用这种性能优越而价廉的碳氢溶剂，来进行轴承清洗，就必须改 进传统清洗的工艺设备，使其能够充分地利用碳氢溶剂的优点，而避免其缺点带来的负 面影响。目前国外工业发达国家尤其是在日本，对碳氢溶剂的研究使用已经比较深入， 而国内具有自主知识产权的碳氢轴承清洗设备还为数不多刚。借鉴日本同类型的设备， 采用碳氢溶剂清洗技术不失为一种好的非o d s 清洗方法。采用真空技术的碳氢清洗干燥 蒸馏设备，当前在日本比较流行，这种清洗方式将碳氢溶剂的优势发挥得比较充分，而 且在干燥时也避免了碳氢溶剂沸点高，闪点低问题，应该加以学习和推广哪“。 在实际应用中发现，国内很多企业由于资金条件的约束，目前还不易接受当前在日 本流行的但是价格很昂贵的碳氢真空清洗干燥机( 即超声波脱气和真空清洗、减压蒸汽 清洗、真空干燥、清洗剂循环蒸馏回收的工艺方式) ，一般都在谋求价格较合理的超声 波清洗。但是碳氢溶剂的干燥效率又困扰着一些制造商，使他们暂时仍然使用传统的卤 代烃( 氯系溶剂) 、溶剂汽油、煤油、柴油等清洗工艺。影响了生产决策。对此，本文 所开发的设备给出了相应的解决办法。 2 2 超声波清洗原理 超声技术正在不断的发展渗透，已经解决了大量的日常生活和生产技术中的难题， 超声波清洗正是随着超声技术的发展带来的重要应用之一 3 6 3 ”。 人类第一次发出人造超声是在1 8 3 0 年，一位名叫s a v a r t 的科学家用一个大齿轮产 生了超声波。1 9 1 8 年另一位叫l a n g e v i n 的科学家利用石英的压电效应发明了石英换能 器，第一次设计出了声波频率和声强都可以控制的超声装置。超声波在液体中的应用机 轴承超声波清洗技术的研究与应用 理主要是声空化现象，于1 8 9 4 年第一次被0 r e y r o l d s d 8 】观察到。1 9 1 9 年r a y l e i g h 提 出声空化泡理论模型来预计空化泡崩溃时所产生的压力。1 9 4 4 年e n h a r v e y 及其合作 者做了重要的研究，确定空化产生所必须的空化核。1 9 4 8 年k n a p p 和h o n e n d e r 用高速 照相研究空化过程，证实了r a y l e i g h 预言的声空化泡高速崩溃。1 9 5 2 年e s h e 测量了 空化所产生的噪声，表明频谱极宽，并出现分谐波。n o l t i n g k 和n e p p i r a s 于5 0 年代初 在空化理论方面取得重大进展，建立了气泡动力学模型3 9 1 。6 0 年代h g f l y n n 进一步 将声空化分为稳态空化和瞬态空化来描述【3 8 1 。同时n a u d e 和e l l i s 4 0 1 用高速摄影观察到 在液固相介质中，声空化泡崩溃时，向固体表面喷射高速( 1 0 0 m s ) 微射流轰击固体表 面，这是固体受空化腐蚀的主要原因【7 】。 2 2 1 超声波清洗的主要构件及清洗特点 ( 1 ) 超声波发生器：目前超声波清洗器的发生器主要有两种形式，一种是上世纪 7 0 年代末8 0 年代初国际上普遍采用的自激式d 类晶体管( 或模块) 开关功率放大器。其 特点为线路简短，换能器是自激振荡器的一个部件，所以随着负载频率的变化，振荡器 频率能跟着变化，有频率跟踪的功能。其缺点是无保护电路，功率不能连续调节。另一 种超声波发生器是他激式的，且末级采用功率模块的开关电源式的功率放大器，其频率、 脉冲宽度可调、频率稳定性好，功率可连续调节阴。 图2 1 所示为必能信超声波发生器8 8 5 4 0 3 6 ，是本文实验中选用的超声波发生器， 可以作为现代单频超声波发生器的一个代表。该超声波发生器的工作频率为4 0 k h z ，功 率为1 5 0 0 w 。该超声波发生器具有功率调节的功能，调节范围是2 5 - 1 0 0 ，可以根据需 要进行设定。在频率方面，超声波发生器可以选择扫频或普通工作模式。在扫频工作模 式下，还可以对扫频的范围( l o o h z 到5 0 0 h z 之间) 及扫频的频率( 8 0 h z 或1 0 0 0 h z ) 进行调节，便于减少驻波等因素对超声清洗效果影响。 图2 1 必能信超声波发生器 f i g 2 1b r a r nu l t r a s o n i cp o w e rs u p p l y 大连理工大学硕士学位论文 ( 2 ) 超声换能器：用于超声清洗的换能器主要有两种类型。一是磁致伸缩换能器， 另一种是压电换能器。磁致伸缩换能器由于电声效率比较低，而且原材料价格昂贵，制 造工艺复杂，所以目前很少采用。压电式换能器，见图2 2 ，是目前国际上主要采用的 换能器，因为这种换能器的电声转换效率高，原材料价格便宜，而且便于制造不同的结 构，以适应不同的清洗要求压电式换能器的结构形式主要为单螺钉紧固的纵向振动换 能器，由两片中心穿孔的压电陶瓷晶片及前后盖板组成。超声清洗用的压电换能器的基 本结构如图2 3 所示。图2 3 中l 是铜电极片为；2 是压电陶瓷环片，大多用锆钛酸 铝( p z t ) 材料；3 后盖板，一般用钢做成；4 是铝辐射锥体，做成锥体是为提高辐射效 率，由大锥体面辐射超声波：5 是螺钉，用来将金属体和压电陶瓷片连结在一起，并施 加一定的预压力。所以这种换能器有时被称为夹心换能器，或称复合换能器。每个换 能器的电功率容量一般在5 0 1 0 0 w 范围内。几千瓦的超声清洗设备需要由许多个换能 器组合，在电端并联工作【4 ”。换能器是超声振动系统的核心部件。由于液体负载是轻负 载，为增大换能器的辐射阻抗，提高辐射效率，采用喇叭型换能器来增大辐射面积。 图2 2 常见的压电换能器 f i g 2 2p i e z o e l e c t r i ct r d n s d u c g a 4 1 电极片2 压电陶瓷片3 后盖板4 螺栓5 绝缘环6 前盖板 图2 3 压电换能器基本结构 f i g 2 3b a s i cs t r u c t u r eo f p i e z o e l e c t r i cw 0 2 x q d u c e l 轴承超声波清洗技术的研究与应用 换能器一般粘结在清洗槽底板上，或者粘在槽壁上。这种方式安装比较麻烦，维修 也比较困难，所以有时把多个换能器共同粘结在一块辐射板上，并密封成为一个外形象 盒子的换能器组合体，可以浸入装有清洗液的清洗槽中的任意位置，以取得最佳的清洗 效果 4 2 1 。这种换能器被称为浸没式或投入式换能器，商业上有的称为振板。必能信超声 波发生器$ 8 5 4 0 3 6 总功率为1 5 0 0 w ，能够驱动3 6 个超声波换能器。换能器就可以按照 每6 个、1 2 个、1 8 个振予为一组安装于振板之中，然后多个振板可以独立安装，任意 组合。图2 4 所示的即为1 8 个振子一组的必能信超声波振板，功率为7 5 0 w 。这种密封 的结构，可以使它不必粘结在清洗槽上，可以自由移动、灵活多变的组合。所以有时 清洗槽可以不必用不锈钢板，而是用其他价廉的不吸声的材料做成，然后这种浸没式换 能器可以根据清洗要求安装在清洗槽中的适当位置【4 l j 。 图2 4 超声波换能器振板 f i g 2 4u l t r a s o n i ci n u n e r s i b l et r a n s d u c e r 超声波换能器将发生器传给的高频电信号转换成机械振动，并向槽中的清洗液辐射 超声波。存在于液体中的微气泡( 称为空化核) 在声波的作用下振动，当声压或声强达 到一定值时，就会发生空化效应，空化效应由成核、微泡生长、空穴塌陷三步组成。在 反应体系中，液体内存在张力弱区，即液体内溶有气体或在尘埃的液固界面上存在气体 一作为气核，在超声波作用下，气核膨胀长大，并为周围的液体蒸汽或气体充满，由于 内外压力悬殊使空穴塌陷、破裂，把集中的声场能量在极短的时间和极小的空间内释放 出来，使介质局部形成几百到几千k 的高温和超过数百个大气压的高压环境，并产生出 很大的冲击力，起到激烈搅拌的作用，同时生成大量微泡。它们有作为新的气核，使空 穴效应继续循环下去1 4 3 。 空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物而使它们分散于溶液中。空化对污垢层的 直接反复冲击，一方面破坏污物与清洗件表面的吸附，另一方面也会引起污物层的疲劳 破坏而脱离。气体型气泡的振动对固体表面进行擦洗，污层一旦出现裂缝，气泡还能钻 大连理工大学硕士学位论文 入夹层作用，使污垢脱落。由于空化作用，两种液体在界面迅速分散而乳化，当固体粒 子被油污裹着而附在清洗表面时，油被乳化，固体粒子自行脱落。超声波在清洗液中传 播时会产生正负交变的声压，冲击清洗件，同时由于非线性效应会产生声流和微声流； 而超声空化在固体和液体界面上会产生高速微射流。所有这些作用能够破坏污物，除去 或削弱边界层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解，强化清洗剂的作用旧。 清洗液中除有空化效应外，由于超声振动的引入，加速了清洗液的乳化作用和增溶 作用，使污垢微细地扩散于清洗液中，加速清洗过程，同时超声振动还会引起介质质点 的强烈振动，使被清洗件表面受到强烈的冲击，使污物迅速脱离表面。所以，超声清洗 过程实际上是多方面综合作用的结果。从上述超声清洗机理可知，超声清洗主要由超声 空化引起，空化效应是主要因素【4 ”。 由于超声波频率很高，在液体中所产生的空化作用每秒钟可以达到约数万次，几乎 可以说是不断地进行，在液体中由于空化现象所产生的气泡数量众多且无所不在，因此 对于工件的清洗可以非常彻底，即使是形状复杂的工件内部，只要能够接触到溶液，就 可以得到彻底的清洗，又因为每个气泡的体积非常微小，因此虽然它们的破裂能量很高， 但对于工件和液体来说，不会产生机械破坏和明显的温升m 。由此可见，凡是液体能浸 到声场存在的地方都有清洗作用，而且清洗速度快、质量高，特别适合于清洗件表面形 状复杂，如空腔、窄缝等的细致清洗，易于实现清洗自动化【4 5 闱。 轴承是一种结构复杂的部件，许多污垢粘附在内部的滚道、滚珠上及保持架的缝隙 之中，使得普通的清洗方式在轴承清洗中不宜发挥作用，而使用超声波对轴承进行清洗 则可以起到很好的清洗效果。 2 。2 。2 超声波清洗的物理机制 超声波清洗的主要机理是超声空化作用，但是能否产生空化作用，及空化作用的强 度都会受到若干因素的影响。所以进一步讨论空化的理论，以了解如何选取清洗槽中声 场的声学参数，取得更好的清洗效果。 ( 1 ) 液体强度和空化核 超声波与声波一样，是一种疏密的振动波，介质中的压力作交替变化。如对液体中 某一确定点进行观察，这点的压力以静压( 一般为一个大气压) 为中心，产生压力的增减， 若依次增加超声波强度，压力振幅也随着增加，并产生所谓负的压力。在此区域液体中 会产生一种撕拉的力，且形成真空的空泡，并又被后面的压缩力压挤而破灭。这种在声 场作用下的振动，当声压达到一定值时，气泡将迅速增长，然后又突然闭合。理论上， 只有当外加的负压超过分子内聚力时，才能把液体拉破。纯水强度的理论极限值为 轴承超声波清洗技术的研究与应用 p = 3 2 5 m p a ，设想用声波作用把水分子拉开，那么声压振幅值应和p 同数量级，可以推 知声强度应为3 7 4 x 1 0 6 w e m 2 。然而，实验证明在纯水中产生空化所需的声强度远远低 于上述数值1 4 1 4 7 j s 】。 为解释此现象，人们曾进行了深入的研究，发现空化首先从液体中强度薄弱的地方 开始发生，这些地方由于热度的不均匀或其他物理原因出现一些很小的蒸汽泡，或者那 里本来就有溶解在液体中的微气泡( 称为空化核) 【4 引，直径一般为1 0 石- 4 0 巧m m 。在声 负压的作用下，这些空化核就会膨胀而形成空化气泡。 当液体中存在空化核，且空化核内含有蒸汽，则该液体在等温和绝热过程下，液体 的结构强度只由式( 2 1 ) 计算： 丑= t + 去 ( 2 1 ) 式中，凡是蒸汽压，r o 是空化核的初始半径，o 是表面张力系数，是液体的静压强。 由式( 2 1 ) 可以看出，空化核的半径奶愈大，则该处液体强度愈弱；反之，空化核半 径风愈小，液体强度也就愈强【2 5 , 3 0 1 。同时，表面张力大、蒸汽压小的液体强度也越强， 这些都不利于空化的形成。 ( 2 ) 空化阙 使液体产生空化的最小声强或声压称为该液体的空化阂值 2 5 , 3 6 。设液体的静压力为