汽车轴承自动清洗控制系统设计

文:邢俊逸 沈阳工业大学自动化学院2019年第六期

摘要:本文通过对超声波清洗原理进行分析,根据轴承零件的特点研究降低清洗液内部含气量的方法。同时,针对碳氢溶剂不易干燥且安全性较差的缺点研究分析真空干燥技术的可行性,并确定其真空干燥过程的真空工作压力在13.3KPa以下,加热温度为110℃左右。

关键词:超声波清洗;汽车轴承;自动清洗

前言

随着我国经济的快速发展,人民生活水平的提高,汽车正从一种少数人才能拥有的奢侈品逐渐进入普通百姓的生活。中国汽车市场十分巨大,吸引了国际汽车巨头及国有及民营资本的加入,汽车工业成为了我国的一项支柱产业,使科学技术发展水平得到了显著的提高。然而,在汽车生产和维修保养过程中需要清洗各类汽车零部件。轴承被称为“汽车的关节”,一个国家轴承工业发展水平的高低,往往代表和制约着汽车工业及其他相关产业的发展水平。然而,汽车上的轴承都是工作在十分恶劣的条件下,轴承在机械加工和运输过程中,其表面都附有许多无机和有机物,若不清洗干净,会严重的影响成品质量或是汽车运行的平稳性,甚至会磨损腐蚀轴承内外圈或滚珠,产生故障,给人们的生产生活带来诸多不便。过去,为了保证运输安全,大批轴承被更换报废,已求得刚质量轴承运转,但随着当代科学技术的不断进步和发展,为保证正常的运输业务不受影响,往往建立维修点,对轴承进行必要的定期的清洗和修复,以期延长轴承的使用寿命,减少轴承的资金损耗,从而获得最大的经济效益。因此,轴承的清洁度是是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、寿命及其各项性能指标,但清洁度将直接影响这些指标,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。

模糊控制技术,已经成为智能控制技术的一个重要分支,它是一种高级算法策略和新颖的技术。自从1974年英国的马丹尼(E.H.Mandani)工程师首先根据模糊集合理论组成的模糊控制器用于蒸汽发动机的控制以后,在其发展历程的30多年中,模糊控制技术得到了广泛而快速的发展。现在,模糊控制已广泛地应用于冶金与化工过程控制、工业自动化、家用电器智能化、仪器仪表自动化、计算机及电子技术应用等领域。尤其在交通路口控制、机器人、机械手控制、航天飞行控制、汽车控制、电梯控制、核反应堆及家用电器控制等方面,表现其很强的应用价值。并且目前已有了专用的模糊芯片和模糊计算机的产品,可供选用。我国对模糊控制器开始研究是在1979年,并且已经在模糊控制器的定义、性能、算法、鲁棒性、电路实现方法、稳定性、规则自调整等方面取得了大量的成果。著名科学家钱学森指出,模糊数学理论及其应用,关系到我国二十一世纪的国力和命运。

从2003年开始,中国近20年的履约活动已经到了国家履约阶段(2003-2011),由于中国清洗设备的制造起步较晚,上个世纪90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ODS清洗新工艺的了解和掌握也不够全面。因此,需要开始使用非ODS清洗剂的新型清洗设备。

在轴承行业迅速发展,对轴承的质量要求越来越高,淘汰ODS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ODS碳氢溶剂为清洗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,以实现较高的清洗水平,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。

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。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。

1汽车轴承清洗工艺过程分析

现在超声波清洗技术己经广泛应用于轴承清洗行业,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环污物,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。如表2.2所示为各种工业清洗方式效果残留物剩余比例。

但是当碳氢溶剂中残存气体较多时,由于超声波在空气中传播衰减很快,气泡的存在会增加超声传播损失。另一方面,虽然液体中残存气体越多,空化闭值就越小,越容易发生空穴,但随着空化泡生长过程中扩散到泡中的气体增加,在空化泡崩溃时会降低冲击波的强度,从而削弱超声波清洗作用。但是通过对封闭的超声波清洗工位储液槽抽真空,使储液槽内的气压降低,残存在清洗液内部的气体便会大量析出,从而强化超声波清洗的作用,所以碳氢清洗设备一般配备有真空脱气装置,真空脱气的真空度比较

低,大约为-0.06~-0.04MPa。真空脱气的依据为亨特定律,根据亨利定律:在恒温和平衡状态下,一种气体在液体里的溶解度和该液体的平衡分压力成正比,即:

2-汽车轴承自动清洗控制系统设计2299.png 

其中,PA为物系内气一液相平衡时A气体在气相中的平衡分压力,XA为A气体在液相中的溶解度(液相的平均摩尔分数),HA为该气体的亨利常数,它取决于溶质和溶剂的性质和系统的温度。

当温度不变压力降低时,相当于不抽空时将液体中的气泡都提升到距液面较近位置。由热力学可知P1·V1=P2·V2,可见压力减小,气体体积就增大,随之浮力增加。当浮力达到足以克服初始阻力时,气泡就可以在液体内靠浮力上升并在上升过程中,压力不断减小,体积进一步膨胀,浮力不断增大,上升速度也越来越快直至液面上。真空脱气时可以对整个清洗槽真空脱气,进行真空清洗。也可以对清洗液单独进行脱气,为了提高生产节拍,轴承零件清洗工艺研究及设备研制节省设备的制造费用,本文制定了对碳氢溶剂单独真空脱气再进行超声波清洗的工艺方法。清洗液在进入清洗槽前,先被集中收集在脱气罐内进行抽真空操作,脱气之后再进行超声波清洗。

漂洗实质上是对残留在轴承表面的污染清洗介质进行稀释。轴承从清洗槽里取出来之前,实质上是处在已经污染的清洗剂当中,取出之后,表面必然会带出或残留有污染的清洗介质,需通过漂洗去除。由此可见,漂洗一般不会单独使用,而是作为超声清洗后的工序进行选择使用。

碳氢溶剂的蒸汽清洗是对清洗槽不断通碳氢蒸汽,碳氢蒸汽温度较高,遇到温度低的轴承时产生相变,碳氢蒸汽因相变产生的热量使轴承温度升高。由于不断的提供碳氢蒸汽,轴承和碳氢液的温度不断升高,碳氢液对污垢的溶解力也随温度的升高而不断增强,而且总是洁净的碳氢溶剂在进行蒸汽清洗,所以一般经过蒸汽清洗后的轴承洁净度会达到很高的水平;并且蒸汽清洗在真空槽内进行,隔绝了氧气,安全系数高。

蒸汽清洗同真空干燥在同一槽内进行,对轴承进行蒸汽清洗的过程,同时也是对轴承加热的过程,蒸汽清洗在低真空状态下进行,根据清洗轴承类型的不同,清洗到达一定时间后,停止对干燥槽通碳氢蒸汽,排出槽内液体,然后对干燥槽抽高真空,干燥槽内的真空度急剧下降,而温度却依然较高,残留的碳氢溶剂便会在瞬间进入崩沸状态,成为碳氢蒸汽被真空泵吸走,从而实现轴承的完全干燥。

2清洗机自动控制流程设计

汽车轴承上的污染物主要包括铁屑、油污和灰尘等。附着在轴承外表面和内部,形成对轴承伤害很大的污垢块,其中部分污物仅轻轻附着在轴承的表面,而有些污物则是胶着在内外环及滚珠上的顽固污渍会对轴承造成不良影响。碳氢溶剂属非极性有机溶剂,对油污清洗能力强,渗透性好,不会造成金属生锈腐蚀,是替代ODS物质清洗壳体和转子的理想清洗剂。根据清洗工艺流程,对其进行超声波清洗和真空干燥。将零件定量装入清洗筐中进行批次式清洗,为保证零件清洁度要求,确定本设备的清洗工艺流程为:真空脱气后的超声波粗洗—真空脱气后的超声波精洗—粗漂洗—精漂洗—蒸气清洗+真空干燥。

超声波清洗装置主要由清洗液槽和超声波发生器构成。清洗槽分为两个超声波清洗槽和两个漂洗槽。清洗槽需要采用强度高、能抗一般化学腐蚀的不锈钢材料制成,本设备采用材料OCr19Ni9(SUS304),具有良好的耐蚀性、耐热性、低温强度和机械性能,冲压弯曲等热加工性好,无热处理硬化现象,无磁性。同时由于超声空化腐蚀的问题,所以超声槽的槽壁总是或多或少有一定的损耗,虽然这种损耗比较小,但长期以来是会影响超声波清洗的一些参数变化,因此在设计中选用壁厚为3mm。

对于超声波清洗槽涉及到超声波换能器的安装问题。超声波换能器在清洗槽中的安装有两种方式,一种是将单个换能器固定的粘贴在清洗槽的底部或侧面,这种方式要求与清洗液接触的槽面要抛光,以减少空化腐蚀;另一种是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,称为振子,可以浸入装有清洗液的清洗槽的任意位置,以取得最佳的清洗效果,这种方式称沉浸式安装,此时换能器是独立的一个部件,沉浸式换能器维修比较方便,能快速更换。因此,在设计中采用沉浸式的安装方式,根据对超声波原理的分析结果,清洗机选择功率1500W,频率为40KHz的必能信8500超声波发生器,每台超声波发生器各带有一个装有18个换能器的盒装振子。

超声波换能器振子安装在清洗槽的底部。由于碳氢溶剂微带气味,为了保持良好的工作环境,在清洗槽上边缘设计了通风槽,并通过末端通风口与清洗机风道相连,以便将空气中的碳氢溶剂即时排走。漂洗槽结构与超声波清洗槽相似,只是由于底部无超声波换能器振子而高度减少。

3汽车轴承清洗机控制系统的设计

3.1气动控制系统设计

在轴承零件清洗机的设计中采用气动驱动方式的工况如下:传送机构中清洗区移料臂架的传送和挂钩,干燥区入料和出料臂架的传送、升降和挂钩,干燥室密封盖的运动和密封等,此外在液体管路中需要使用各型号的气动阀。由于真空脱气装置I与II气动控制方式相同,真空干燥室I和真空干燥室II气动控制方式相同。

气源处理器,由分水滤气器、减压阀和油雾器构成,在气动系统中起着过滤、调压和油雾化的作用;AC为气缸,分析清洗机的动作过程可知需要双作用气缸来完成控制要求,双作用气缸指两腔可以分别输入压缩空气,实现双向运动的气缸,使用较为广泛。其中AC3为双行程气缸,AC7为驱动干燥室密封盖的前后运动的无杆气缸:SC为调速阀;SR为减压阀;SOL1,3,4,6,11为三位五通电磁换向阀,SOL2,5,12,23为两位五通双控电磁换向阀,其余为两位三通电磁换向阀;V为气动阀,其中V17为气动旋钮阀。

3.2气缸的选用

气缸是根据主机需要进行选用的,设计时应尽量选用标准气缸。

(l)安装形式的选择:安装形式由安装位置、使用目的等因素决定。本课题采用的气缸用固定式安装方式:前法兰(MF1式)、后法兰’(MF2式)。

(2)气缸的输出力:根据工作机构所需力的大小,考虑气缸载荷率确定活塞杆上的推力和拉力,从而确定气缸内径。

对于普通双作用气缸无杆腔为工作腔时理论拉力F0为:

2-汽车轴承自动清洗控制系统设计4751.png 

式中,D——缸径(m);

P——气缸的工作压力(Pa)。

普通双作用气缸有杆腔为工作腔时理论拉力F0为:

2-汽车轴承自动清洗控制系统设计4831.png 

式中,d一一活塞杆缸径(m)。

在考虑到活塞杆和活塞本身的摩擦力影响的情况下,实际输出力要以气缸效率来修正,若气缸动态参数要求较高,且工作频率高,其载荷率一般取η=0.3~0.5,速度高时取小值,速度低时取大值。若气缸动态参数要求一般,且工作频率低,基本是匀速运动,其载荷可取η=0.7~0.85。

(3)气缸行程:气缸(活塞)行程与其使用场合及工作机构的行程比有关。多数情况下应使用满行程,以免活塞与缸盖相碰撞,尤其用于加紧等机构,为保证加紧效果,必须按计算行程多加10~20mm的行程余量。

(4)气缸的运动速度:主要有所驱动的工作机构的需要来确定。要求速度缓慢、平稳时,宜采用气液阻尼缸或采用节流调速。

4结论

对超声波清洗原理进行分析,根据所清洗的轴承零件的特点确定降低清洗液内部含气量的方法,提高了超声波清洗效率。针对碳氢溶剂不易干燥且安全性较差的缺点研究分析了使用蒸气清洗和真空干燥的可行性,并确定其真空干燥过程的真空工作压力在13.3KPa以下。

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