高明燚 余清洲 李 斌 舒曉冬 馮紳紳 金昌度 干蜀毅

（1.合肥工業(yè)大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院 合肥 230009；2.上海北玻鍍膜技術(shù)工業(yè)有限公司 上海 201614）

0 引言

空調(diào)冷凝器一般由黃銅管穿插均勻排列的鋁合金翅片組成，承擔(dān)著熱量交換的重要作用，是影響空調(diào)機(jī)性能的重要部件。翅片在沖壓加工、組裝工藝過程中，需要使用潤滑油作為沖壓潤滑劑，導(dǎo)致加工后翅片表面覆蓋一層油膜，這層油膜對冷凝器后續(xù)的焊接加工影響很大，因此需要施加單獨的除油工藝，將油膜清除。

對于翅片的沖壓油，行業(yè)內(nèi)常用的除油方式有熱風(fēng)循環(huán)法和洗劑法。熱風(fēng)循環(huán)法采用高溫高壓氣流對工件表面進(jìn)行吹掃，依靠高速氣流通過換熱器表面對吸附在工件表面油分子的裹挾、攜帶作用除油[1]，其主要弊端在于空氣攜帶油分子直排大氣，引起環(huán)境污染。洗劑法一般分為物理除油法和化學(xué)除油法，前者利用有機(jī)溶劑對油污的溶解能力將油污除去，常用的洗劑有三氯乙烯等氯烴類溶劑，其除油能力較好，但對操作人員的肝臟、中樞和末梢神經(jīng)系統(tǒng)、心臟、皮膚等有損害[2]；化學(xué)除油法利用油脂在堿性溶液下加熱、發(fā)生皂化反應(yīng)除油，缺點是堿性氣體在高溫下?lián)]發(fā)[3]，同樣危害健康。

為了以無毒、無污染的方式去除翅片表面與銅管中殘存沖壓油，本文采用真空干燥除油法，即將工件置于負(fù)壓的環(huán)境下，以降低蒸發(fā)物的沸點，并施以一定的溫度促使其完全蒸發(fā)；再通過真空泵組的抽氣作用將蒸發(fā)物通過水冷捕集阱收集。整個過程沒有使用化學(xué)試劑，沒有污染，還可以對沖壓油進(jìn)行回收，是一種很有工程應(yīng)用價值的除油工藝。

根據(jù)工藝要求，整套設(shè)備布置在自動化生產(chǎn)線上，每臺散熱器除油、烘干的總時間不得超過12s。根據(jù)這一苛刻要求，本文制定了詳細(xì)的真空除油工藝方案，對抽除油液的真空獲得設(shè)備進(jìn)行選型，并對方案中的重要部件如真空腔室、過渡閥門、傳送機(jī)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計，滿足了工藝需求。

1 總體方案

根據(jù)工藝要求，若采用常規(guī)自動生產(chǎn)線一個接一個連續(xù)送料的方式，顯然無法滿足12s 內(nèi)除油要求，因為營造真空環(huán)境需要抽氣，工件傳遞、閥門開關(guān)都需要時間。針對這些問題，系統(tǒng)采用了圖1所示設(shè)計方案。為便于說明，按工件移動順序?qū)φ婵帐液驼婵臻l門進(jìn)行編號，分別用A、B、C 表示3 個真空室，x、y、z 表示3 批次工件，1、2、3、4 為4 個真空閘門。由圖可見：

（1）設(shè)計采用了A，B，C 三個真空室，中間B 室作為工藝室，烘干除油工藝主要在此進(jìn)行；兩側(cè)真空室做過渡室，為工件從大氣進(jìn)入真空或從真空進(jìn)入大氣提供過渡。這樣可使B 室始終保持在真空狀態(tài)，不必在破真空放氣與抽氣之間循環(huán)，節(jié)省大量時間，使除油工藝時間延長，除油更徹底。

（2）每批處理4 個工件，將整套工藝時間延長至48s。

（3）每個真空室內(nèi)布置傳動機(jī)構(gòu)，A、B 室裝加熱器，以加熱工件，促進(jìn)油液的蒸發(fā)。

圖1 系統(tǒng)設(shè)計方案Fig.1 System design

具體工藝方案可描述如下：（1）開啟真空閘門1、4；（2）待除油工件x1～4 進(jìn)入A 室，除油完成的工件z1～4 由C 室移出，進(jìn)入下道工序；（3）關(guān)閉真空閘門1、4；（4）對真空室A、C 進(jìn)行抽氣至預(yù)定真空度；（5）開啟真空閘門2、3；（6）工件x從真空室A 移至真空室B、工件y 從真空室B 進(jìn)入真空室C；（7）關(guān)閉真空閘門2、3，對進(jìn)入B室的x 批次工件加熱、除油；（8）打開真空室A、C 的放氣閥放氣。待放氣結(jié)束，回到（1），從而完成一個除油循環(huán)。在此過程中，需對閥門啟閉、工件移動、升溫、抽氣、放氣時間進(jìn)行精確設(shè)計、計算并留出一定的裕度。

該方案的特點如下：真空室A、C 保證了工藝真空室2 始終處于真空狀態(tài)，其壓力不受工件進(jìn)、出影響，以提高除油效率。其內(nèi)部壓力在大氣和工藝真空之間循環(huán)，真空度無需維持。除油主要在真空室B 內(nèi)進(jìn)行，其內(nèi)部真空度需要始終維持。低壓下被加熱翅片上的油會不斷蒸發(fā)，蒸發(fā)出的油分子被真空泵不斷抽除，這一動態(tài)平衡由真空系統(tǒng)配泵計算[4]完成。

2 真空獲得設(shè)備選配

系統(tǒng)總體設(shè)計方案確定后，接下來需要根據(jù)真空室大小、除油工藝時間、工件含油量等參數(shù)合理配置真空泵。通過理想氣體方程判斷出蒸氣量，再依據(jù)真空系統(tǒng)抽氣方程確定泵的抽速，最終配置的真空抽氣系統(tǒng)如圖2 所示。其中主真空室采用三級羅茨泵機(jī)組，其由主泵、中間泵和前級泵組成；兩個過渡真空室各選用二級羅茨泵機(jī)組，由羅茨主泵、前級泵組成。含油氣體進(jìn)入真空泵前由冷阱冷卻、捕集、回收。

圖2 真空系統(tǒng)原理圖Fig.2 Schematic diagram of vacuum system

3 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

3.1 真空腔體設(shè)計

真空設(shè)備整體結(jié)構(gòu)如圖3 所示，主要由真空室、傳輸機(jī)構(gòu)和門閥三部分組成。

圖3 真空腔體示意圖Fig.3 Schematic diagram of vacuum chamber

真空腔體是除油系統(tǒng)的重要部件。本設(shè)計中考慮到散熱器翅片的排布方向，為取得好的抽氣效果，每批工件呈一字型排列。真空室設(shè)計成盒形殼體，以無磁不銹鋼316L 為材料，采用了可拆式密封連接，便于安裝、檢修；抽氣口設(shè)在側(cè)傾的底板的一側(cè)，節(jié)約空間并增大了蒸汽的流導(dǎo)；真空腔體整體用數(shù)個基座架起，保證了設(shè)備運行的穩(wěn)定性。為便于觀察內(nèi)部工況，側(cè)壁上開觀察窗。頂板必要時可吊起，以便對腔室內(nèi)部加熱元件或傳輸元件進(jìn)行更換、檢修。

盒型殼體設(shè)計時遵循的原則是在保證具有足夠強(qiáng)度情況下，盡量減少用料，因此采用加強(qiáng)筋以減小壁厚。根據(jù)設(shè)計尺寸，對設(shè)計的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了有限元分析，整體計算滿足設(shè)計要求。圖4、5分別給出了腔體頂板應(yīng)力與變形量分布圖。由圖可知，其應(yīng)力分布在材料的許用應(yīng)力范圍內(nèi)，變形量較大的位置集中在頂板中心，密封圈附近變形量很小，不會產(chǎn)生泄漏。

圖4 頂板應(yīng)力分布云圖Fig.4 Cloud diagram of roof stress distribution

圖5 頂板變形量分布云圖Fig.5 Cloud map of roof deformation distribution

3.2 閥門設(shè)計

本設(shè)計含有幾個真空室，都處于自動生產(chǎn)線上，工件在除油處理過程中被傳動鏈依次送入各真空室，因此真空室之間的閥門既需要隔絕大氣，又不能阻礙工件移動，因此需要對閥門進(jìn)行具體而詳細(xì)的設(shè)計。根據(jù)常規(guī)的真空閥門（擋板閥、插板閥、翻板閥等）工作原理，結(jié)合本設(shè)計的具體工藝要求，由本設(shè)計借鑒翻板閥結(jié)構(gòu)，以最大化地節(jié)約空間和材料，簡化結(jié)構(gòu)。圖6 給出了所設(shè)計的翻板閥結(jié)構(gòu)示意圖，其由閥板、支撐塊、旋轉(zhuǎn)軸、密封和四桿機(jī)構(gòu)組成。閥板開密封槽，通過連接塊與旋轉(zhuǎn)軸相連。支撐塊通過螺紋連接固定在真空室上，用于支撐旋轉(zhuǎn)軸和閥板。旋轉(zhuǎn)軸通過四桿機(jī)構(gòu)連接到帶有減速器的電機(jī)。

圖6 翻板閥結(jié)構(gòu)示意圖Fig.6 Schematic diagram of flap valve structure

3.3 傳送機(jī)構(gòu)設(shè)計

傳送機(jī)構(gòu)用于傳送工件至預(yù)定位置，分布在真空室進(jìn)出口和真空室內(nèi)。傳送結(jié)構(gòu)需要滿足的條件如下：（1）盡可能降低結(jié)構(gòu)對抽氣效果的影響；（2）傳動速度較快，響應(yīng)靈敏；（3）傳動穩(wěn)定；（4）耐一定的高溫。倍速鏈輸送機(jī)具有運行穩(wěn)定、持久，設(shè)計靈活、多樣化等一些獨特的特性[5]，適合產(chǎn)品大批量連續(xù)生產(chǎn)的優(yōu)點，滿足上述要求。

本設(shè)計中，倍速鏈主要由以下幾部分構(gòu)成：倍速鏈鏈輪，倍速鏈鏈條，旋轉(zhuǎn)軸，軸承，軸承支座以及鋁型材，如圖7 所示。旋轉(zhuǎn)軸在外部與動力源相接，通過動密封連接接入真空室，內(nèi)部通過軸承-軸承支座將倍速鏈鏈輪架起，將鋁型材連接、支撐、固定，使其承載的鏈條軌跡與鏈輪分度圓相切，通過托架承載工件進(jìn)給。

圖7 倍速鏈傳送機(jī)構(gòu)示意圖Fig.7 Schematic diagram of double-speed chain transmission mechanism

4 溫度場仿真試驗

由于潤滑油依附在翅片上的不規(guī)律性，以及冷凝器翅片本身排布密集，導(dǎo)致含油的冷凝器模型既不準(zhǔn)確，又會非常復(fù)雜，因此建立完整的仿真模型去模擬真實的除油過程變得極為繁瑣。根據(jù)文獻(xiàn)[6]的實驗結(jié)論，推得當(dāng)溫度在70℃時，潤滑油的飽和蒸氣壓約為63.37Pa，因此若將最低溫度控制在70℃以上，則抽至該壓強(qiáng)時，油就會被蒸發(fā)進(jìn)而被抽走，達(dá)到除油目的。建立含熱源的真空腔與簡化翅片模型，采用Fluent 中的Do 模型，對其進(jìn)行溫度場仿真。結(jié)果如圖8、9 所示。

圖8 翅片所處平面溫度場圖Fig.8 Temperature field diagram of the fin plane

圖9 真空腔溫度場分布圖Fig.9 Vacuum chamber temperature field distribution diagram

由以上溫度場仿真結(jié)果可得知：（1）翅片所處的溫度最低在70℃以上，且最高溫不超過200℃，既能保證油液可以蒸發(fā)，又可以保證翅片不會因高溫變形；（2）整個真空腔的溫度在70℃以內(nèi)，可以認(rèn)為蒸發(fā)出的翅片油不會重新凝結(jié)在真空室的某一點?；谏鲜雠袛?，可認(rèn)為該裝置可實現(xiàn)翅片油的去除功能。

5 總結(jié)

針對空調(diào)冷凝器殘余沖壓油除油工藝提出了一種連續(xù)式真空干燥除油方法。確定了基于分段式真空的真空干燥除油系統(tǒng)原理圖，并提供了對應(yīng)的工藝方案；對真空獲得設(shè)備進(jìn)行計算，通過殘余油量推算出了排氣流量，結(jié)合工藝方案的時間要求確定了抽氣機(jī)組選型；對真空腔室的殼體和其他核心部件進(jìn)行了設(shè)計，并進(jìn)行了相關(guān)的模擬、計算；對真空腔流體域進(jìn)行了溫度場仿真試驗，證明了除油的可靠性，滿足了自動化、高效、環(huán)保的除油工藝要求。