彭松，楊成，牛焱，邵崇杰

（北京奔馳汽車有限公司，北京 100176）

1 概述

水射流的應(yīng)用可簡單概括為：通過轉(zhuǎn)能裝置（泵或增壓器）將發(fā)動機（電機或內(nèi)燃機）的機械能轉(zhuǎn)變成水的壓力能，再通過噴嘴小孔噴出高速射流，將壓力勢能轉(zhuǎn)換成動能；當(dāng)高速水射流沖擊被切材料時，動能又重新變成作用于材料表面的壓力能。如果壓力超過材料的破壞強度（門限壓力）即可切斷材料。實際應(yīng)用的水射流大致可以分為3種類型：連續(xù)射流、脈沖射流、空化射流，本文所述內(nèi)容為連續(xù)射流。根據(jù)射流壓力又分為低壓射流、高壓射流和超高壓射流。由于水射流作業(yè)的高壓化、大型化發(fā)展趨勢，高壓水射流的概念逐漸認(rèn)同到150～200MPa；超高壓水射流的概念則已認(rèn)同到工作壓力不小于200MPa。

北京奔馳汽車有限公司MRA-II涂裝車間滑橇清洗站超高壓水射流清洗項目由德國DURR-Ecoclean公司承建，采用兩臺KUKA特種清洗機器人，兩臺HammelmannHDP124柱塞式高壓泵，通過PID控制系統(tǒng)操作250MPa的高壓水清洗車間內(nèi)所有電泳滑橇（2種）以及面漆滑橇（1種），以保證車間內(nèi)運行滑橇的清潔度，保障涂裝車間內(nèi)生產(chǎn)車輛的涂裝質(zhì)量。目前為止，北京奔馳汽車有限公司MRA-II涂裝車間滑橇清洗站在設(shè)備部門的維護下已經(jīng)順利運行了接近4年，期間我們已經(jīng)在清洗站順利導(dǎo)入了新型號的滑橇，掌握了壓力自動調(diào)節(jié)技術(shù)，針對現(xiàn)場機器人、高壓旋轉(zhuǎn)噴槍、高壓泵、帶式過濾機等一系列設(shè)備制作并執(zhí)行了預(yù)防性維修計劃。

1.1 國內(nèi)外研究狀況

我國清洗行業(yè)多年來一直處于化學(xué)和手工清洗的狀態(tài)，工業(yè)清洗目前80%是用化學(xué)方法。無論化學(xué)清洗還是人工清洗都存在著清洗成本高、效率低、污染環(huán)境等問題，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會日益增長的工業(yè)及民用清洗要求。高壓水射流技術(shù)自20世紀(jì)80年代中期傳入我國后，在90年代中期得到迅速普及。目前，高壓水射流清洗在我國工業(yè)清洗中已超過10%，并正在迅速增長。隨著現(xiàn)代社會對清洗行業(yè)提出的效率、潔凈率及環(huán)保要求的不斷提高，高壓水射流清洗技術(shù)在我國的普及應(yīng)用是趨勢。

研究和生產(chǎn)實踐表明高壓水射流清洗技術(shù)是一項可靠、經(jīng)濟實用的清洗技術(shù)。與化學(xué)清洗相比，高壓水射流清洗技術(shù)具有如下優(yōu)點。

（1）清洗質(zhì)量好。高壓水射流切割是一種先進的冷態(tài)切割技術(shù)。切割作用所產(chǎn)生的熱被水帶走，這樣對工件材料無熱影響，也不會產(chǎn)生熱影響區(qū)。

（2）清洗效率高。由于水射流的沖刷、楔劈、剪切、磨削等復(fù)合破碎作用，可迅速將結(jié)垢物打碎脫落，比傳統(tǒng)的化學(xué)方法、噴砂拋丸方法、簡單機械及手工方法清洗速度快幾倍到十幾倍。同時，采用高壓水射流清洗后的部件，無需進行二次潔凈處理；而化學(xué)清洗后，則需用清水將表面的化學(xué)藥劑清洗掉。

（3）無環(huán)境污染。高壓水射流切割的介質(zhì)是水，工作中不會產(chǎn)生塵埃、特殊氣味、氣體和火花等，而且切割過程中是清潔的、無污染的。

（4）適用范圍廣。高壓水射流具有很大的打擊力，幾乎沒有材料和切割尺寸的限制。

（5）自動化。切割設(shè)備可以利用計算機控制，實現(xiàn)自動化加工，可以改善操作人員工作環(huán)境，也可以減少人力的輸出。

（6）節(jié)能、省水、清洗成本低。高壓水射流使用的介質(zhì)是自來水，它來源容易，普遍存在。在清洗過程中，由于能量強大，不需加任何填充物及洗滌劑即可清洗干凈，故清洗成本低，大約只有化學(xué)清洗的1/3左右。

2 滑橇清洗站簡介

MRA-II涂裝車間滑橇清洗站高壓水射流自動清洗項目采用兩臺KUKA機器人（KR210-2FExclusive2000），通過PID控制系統(tǒng)操作250MPa的高壓水去清洗車間內(nèi)所有類型電泳滑橇（兩種）及面漆滑橇（一種），以保證在車間內(nèi)運行滑橇的清潔度，有效保障涂裝車間內(nèi)生產(chǎn)車輛的涂裝質(zhì)量。

如圖1所示，滑橇清洗站緩存區(qū)（A）接收達到設(shè)定清洗圈數(shù)的滑橇，然后輸送系統(tǒng)將滑橇送至高壓水射流清洗室體（B）清洗，最后滑橇在清洗站出口吹干裝置（圖2）吹干后直接上線。如果滑橇存在變形等缺陷則可不經(jīng)過清洗程序，直接旁通并送至滑橇離線檢測工位（C）。

圖1 滑橇清洗站布局圖

圖2 滑橇清洗站吹干裝置

圖3 機器人工作示意圖

圖4 清洗站全景

圖5 清洗站出口

圖6 高壓泵

圖7 KR 210-2 F Exclusive 2000

圖8 滑橇清洗站水循環(huán)工藝流程

2.1 滑橇清洗站水循環(huán)工藝簡介

如圖2～8所示，滑橇清洗站機器人高壓旋轉(zhuǎn)噴槍的用水依次經(jīng)過10μm及1μm袋式過濾器（圖9）過濾的工業(yè)水，在過濾裝置的前后裝有壓差及溫度傳感器，以防過濾袋損壞后較大顆粒進入高壓泵對泵體造成損壞。清洗滑橇后的水回流到室體回收水池，經(jīng)過帶式過濾機過濾之后可用來沖洗室體，直至帶式過濾機（圖10）蓄水的池液位達到最高工作液位時，污水泵抽水到地坑，地坑中的水位達到設(shè)定的液位時，地坑泵抽水到污水站。現(xiàn)場水循環(huán)系統(tǒng)實時狀態(tài)如圖11所示。

圖9 袋式過濾器

圖10 帶式過濾機

圖11 滑橇清洗站水循環(huán)系統(tǒng)狀態(tài)監(jiān)控Integra界面

在液壓元件特別是液壓控制閥中，對液流壓力、流量及方向的控制通常是通過一些特定的孔口實現(xiàn)的，它們對流過的液體形成阻力，使其產(chǎn)生壓力降，其作用類似電路中的電阻，因此被稱為液阻。本文中所述的滑橇清洗站機器人高壓噴槍選用的噴嘴直徑為φ0.5mm，孔口流動方式為薄壁小孔，每臺機器人噴槍斷面裝有3個噴嘴（圖12），共2臺機器人，根據(jù)薄壁小孔流量公式（1）可算出該小孔每分鐘的流量，進而可算出滑橇清洗站在不同工作壓力條件下的流量。

式中：q ——流量，m3/s；A0——小孔截面積，m2；Cd——流量系數(shù)；Δp ——噴口直徑，m；Δp——壓強，Pa；ρ——密度，kg/m3。

根據(jù)公式（1）以及產(chǎn)品噴嘴的流量系數(shù)值0.7，可得出工作壓強為250MPa時每個噴嘴的流量約為5.8L/min，滑橇清洗站總流量為2.088m3/h，該數(shù)值與實際流量表計數(shù)值基本一致。

圖12 機器人高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴

2.2 滑橇識別系統(tǒng)與輸送系統(tǒng)

利用電泳滑橇（圖13）與面漆滑橇（圖14）前部定位銷所在位置及形狀結(jié)構(gòu)存在的差異，在滑橇清洗站入口設(shè)置了相應(yīng)的傳感器對滑橇類型進行識別（圖15），識別成功的滑橇將被傳送至清洗室體內(nèi)的鏈?zhǔn)捷斔蜋C（圖16）上，然后機器人根據(jù)滑橇類型以及滑橇在鏈?zhǔn)捷斔驮O(shè)備上的工位選擇相應(yīng)的機器人程序。

圖13 電泳滑橇

圖14 面漆滑橇

圖15 滑橇識別原理圖

圖16 鏈?zhǔn)捷斔蜋C

圖17中分別顯示了各類型滑橇清洗的總計數(shù)、當(dāng)前清洗的滑橇類型以及清洗工位，實時監(jiān)測輸送系統(tǒng)的傳感器以及電機狀態(tài)，同時在界面中加入了各工位對應(yīng)的傳感器正常狀態(tài)表，方便維修工及時判別故障。由于清洗站工作環(huán)境惡劣，滑橇的清洗工位較多（正常雙機器人清洗滑橇需?？?個工位，單機器人降級程序清洗滑橇需?？?個工位），當(dāng)現(xiàn)場傳感器損壞時需花費較多時間判斷故障傳感器，所以從加快維修的角度出發(fā)，根據(jù)現(xiàn)場的傳感器布局情況制作了滑橇清洗室體的輸送監(jiān)控系統(tǒng)圖。

圖17 滑橇清洗站輸送監(jiān)控系統(tǒng)圖

2.3 滑橇清洗機器人

滑橇清洗站采用兩臺庫卡KR 210-2 F exclusive機器人。該機器人有特殊的表面處理、優(yōu)質(zhì)的蓋板及無腐蝕的不銹鋼組件，有效防止了水分和灰粒的侵入。機器人所有軸向電機和手臂外殼中均裝有密封空氣系統(tǒng)，高度可靠地防止了液體的侵入。通過對表面進行特殊處理以及密封空氣系統(tǒng)的使用，最大程度地保證了機器人不受噴射水、持續(xù)空氣濕度及灰粒的影響。

3 滑橇清洗站運行情況簡介

北京奔馳汽車有限公司為國內(nèi)首次采用高壓水射流自動清洗技術(shù)的汽車企業(yè)，目前已清洗了面漆滑橇約15000個，電泳滑橇約8000個（清洗時間面漆滑橇約20min/個，電泳滑橇約10min/個）。如圖18所示，以面漆滑橇為例，其清洗前后除漆效果明顯。

圖18 面漆滑橇清洗前、后對比圖

為便于國內(nèi)同行進一步了解高壓水射流清洗技術(shù)的特點，現(xiàn)將奔馳維修團隊在MRA-II涂裝車間滑橇清洗站近1年運營時遇到的問題總結(jié)如下。

（1）設(shè)備運行期間水霧大（圖19），不便于肉眼觀察。措施：針對該問題維修制作了滑橇清洗站輸送監(jiān)控系統(tǒng)（圖17），這樣便于操作者實時監(jiān)控當(dāng)前清洗滑橇的類型以及滑橇所在清洗工位。

圖19 滑橇清洗站開啟前、后效果圖

（2）除滑橇外，水射流清洗室體內(nèi)易被水濺射到的其他設(shè)備容易損壞（如圖20）。措施：優(yōu)化機器人軌跡，定期更換輸送機護板。

圖20 滑橇清洗站設(shè)備損壞情況

（3）機器人高壓旋轉(zhuǎn)噴槍內(nèi)部噴嘴經(jīng)常發(fā)生破損失效情況（如圖21），導(dǎo)致無法達到運行壓力。措施：安裝新噴嘴之前需深度清潔噴嘴及其噴嘴托盤內(nèi)部螺紋，噴嘴正常工作時噴出的水應(yīng)為與噴嘴口截面垂直的一條直線，否則噴嘴安裝有問題或噴嘴口存在微裂紋缺陷；監(jiān)控運行壓力，防止出現(xiàn)超壓運行導(dǎo)致噴嘴過快失效。

（4）機器人超高壓軟管壽命短，管子接頭處經(jīng)常損壞（如圖22）。措施：優(yōu)化機器人軌跡避免運行中管子出現(xiàn)拉扯或擰麻花的情況，同時可選用更耐用的新型號高壓軟管。

圖21 旋轉(zhuǎn)噴槍失效噴嘴

圖22 滑橇清洗站高壓軟管損壞情況

4 結(jié)語

目前來說，我國高壓水射流清洗技術(shù)的應(yīng)用不夠廣泛，高壓水射流的核心技術(shù)落后于德、美、日等發(fā)達國家，但高壓水射流技術(shù)獨特的優(yōu)點仍然值得我們進一步去研發(fā)其核心技術(shù)。除此之外，可通過優(yōu)化高壓水射流清洗的工藝來提高加工速度，改善加工精度，為高壓水射流清洗的推廣應(yīng)用奠定基礎(chǔ)，提高我國在材料清洗特別是特種材料清洗領(lǐng)域的加工水平，使水射流清洗技術(shù)逐漸廣泛應(yīng)用于各領(lǐng)域，并朝著超高壓和智能化方向發(fā)展。