一种机械零件清洗装置

一种机械零件清洗装置
发布时间：2022-06-20T05:10:26.079Z 来源：《科学与技术》2022年第4期2月作者：魏学良张晓峰何琰马海洋芦才军
[导读] 发明了一种集成超声波清洗和水流喷淋冲洗的机械零件清洗装置
魏学良张晓峰何琰马海洋芦才军
（成都航利(集团)实业有限公司四川成都 611930）
摘要：发明了一种集成超声波清洗和水流喷淋冲洗的机械零件清洗装置，可广泛应用于机械、汽车、家电等行业，适用于各种机械类零件的清洗，适于无损检测前的表面清洗。

关键词：机械零件；清洗
1 前言
工程机械零件油污主要是由不可皂化油污与灰尘、杂质等形成，不可皂化油污不能与强碱相互作用，且不溶于水，难以清洗，但是在对装配体进行拆卸后，特别是对于轴承、精密偶件、液压元件、密封件以及有特殊清洗要求的零件进行清洗十分重要。

在无损检测荧光检测前，零件的清洗工作对提高检测质量、装配质量、延长产品使用寿命具有重要意义。

传统的零件清洗大多采用人工清洗，工作量大、清洗效率低，且可能出现清洗不到位的问题，给整机的后续使用带来不良影响和潜在风险。

为改善人工清洗的不足，出现了一些零件清洗装置，主要采用物理冲洗的清洗液、高压水冲洗、刷洗和化学清洗的浸洗、煮洗，进一步的是超声波清洗，但是大多数装置结构复杂，功能单一。

2 一种机械零件特种清洗装置
为解决现有技术的不足，本文提供了一种集成超声波清洗和水流喷淋冲洗的清洗装置，其操作方便、清洗效率高、清洗效果好。

2.1 装置结构与原理
如图1-图3 所示，本文装置主要由液体加压系统、流量控制系统、超声波系统、喷淋系统、工作腔和回收过滤系统组成。

图1是本装置示意图
图中，1.储液箱，2.总流阀，3.抽水泵，4.增压泵，5.总溢流阀，6.三通管，7.上流路电磁阀，8.上流路溢流阀，9.上流路流量计，10.上流路针型阀，11.上流路压力计，12.下流路电磁阀，13.下流路溢流阀，14.下流路流量计，15.下流路针型阀，16.下流路压力计，17.超声波控制器， 18.调时控制模块，19.功率控制模块，20.加热控制模块，21.过滤箱，22.滤网，23.清洗腔，43.废液开关阀，44 废液收集箱，45.温度显
示屏，46.时间显示屏，47. 回流电磁阀。

图2是本装置的清洗腔结构示意图
图中，23.清洗腔，24.档肩，25.上盖压板，26.上盖，27.溢流孔，28.零件框，29.待清洗件， 30.盖板，31.深沟球轴承，32.上流路管子，33.转接管，34.橡胶圈，35.密封件，36.分流腔，37.喷淋管，38.液位显示管，39.激振器，40.开关阀，41.显示管座，42.场栅加热装置。

图3是清洗腔喷淋系统局部放大图。

图中，30.盖板，31.深沟球轴承，32.上流路管子，33.转接管，
34.橡胶圈，35.密封件，36.分流腔，37.喷淋管。

液体加压系统，主要从储液箱 1 中汲取清洗液并加压，满足后续流量和压力要求，包含储液箱 1、总流阀2、抽水泵3、增压泵4 和总溢流阀5 。

储液箱1 为具有一定容积的不锈钢或PVC 六面体，同时能够保证长期使用时防清洗液腐蚀和不变形的特点，在箱体的一面底部与总管螺纹连接，并涂有防渗漏胶。

总流阀2 为手动流量调节阀，在总管中对清洗液截止、节流和按额定流量进行控制。

顺时针旋转手轮即可关闭手动调节阀，这时阀杆带动阀瓣下降，直至两锥形密封面接触达到严禁地将管路关闭为止。

抽水泵3 为一进一出的抽水嘴、排水嘴各一个，抽水嘴与总流阀2 出口管路相连，排水嘴与抽水泵3 和增压泵4 之间的总管一端相连，通过抽水泵3 的电机圆周运动，机械装置使泵内部的隔膜做往复运动，从而对固定容积的泵腔内的空气进行压缩、拉伸持续形成进口处真空或负压，在泵抽水嘴处与外界大气压产生压力差，在压力差作用下，将储液箱 1 中的清洗液吸入总管中，经过泵腔，再从排水嘴排除。

增压泵4 为卧式多级离心泵，吸入口方向为水平，吐出口方向垂直向上，轴向力由平衡盘来平衡。

来自抽水泵3 排水嘴的清洗液从增压泵 4 叶片转轴根部进入，通过高速转动叶片获得离心力，产生高压，再从泄压口流出。

总溢流阀 5的进口端接入增压泵4 的出口管路，出口端与三通管6 的的进口端管路相连，其作用是在清洗液经增压泵 4 增压后维持管道中压力恒定，当管道中压力增大时，会使流量需求减小，此时总溢流阀 5 开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即增压泵出口压力恒定。

系统正常工作时，阀门关闭，只有负载超过规定的极限时开启溢流，进行过载保护，使系统压
力不再增加。

溢流阀的调定压力比系统最高工作压力高10%~20%。

液体加压系统特征在于抽水泵3 将储液箱1 中的清洗液抽出并注入总管，同时提供一定的压力，使清洗液能够正常流动，再通过增压泵4 进一步对总管中的清洗液进行增压，为清洗液的分流提供足够的动力，增压泵4 后紧邻的总溢流阀5 主要是保证管路中液体压力在安全范围内，防止压力或流量过大，造成系统故障，总流阀2 的主要作用在于打开或关闭整个管路，便于后期保养和维护。

流量控制系统，总管路中经增压后的清洗液被三通管6 分为两条支路，其为上流路和下流路。

两条流路的控制方式一致，均包含电磁阀（7、12）、溢流阀（8、13）、流量计（9、14）、针型阀（10、15）和压力计（11、16）。

其特征在于控制上流路和下流路中清洗液的压力和流量，使其能够安全有效的工作。

从三通管6 分流出的进入上流路的清洗液先通过上流路电磁阀7 ，上流路电磁阀7 主要用于控制清洗液的方向、流量、速度和其他参数。

电磁阀7 里有密闭的腔，在不同位置开有通孔，每个孔连接不同的油管，腔中间是活塞，两面是两块电磁铁，哪面的磁铁线圈通电阀体就会被吸引到哪边，通过控制阀体的移动来开启或关闭不同的排油孔，而进油孔是常开的，液压油就会进入不同的排油管，然后通过油的压力来推动油缸的活塞，活塞又带动活塞杆，活塞杆带动机械装置。

这样通过控制电磁铁的电流通断就控制了机械运动。

通电时，电磁线圈产生电磁力把关闭件从阀座上提起，阀门打开；断电时，电磁力消失，弹簧把关闭件压在阀座上，阀门关闭。

从而实现对上流路中清洗液的通断控制。

当上流路电磁阀7 开通，清洗液进入到上流路溢流阀8 中，上流路溢流阀8 的作用是维持上流路管道中压力恒定，当管道中压力增大时，上流路溢流阀8 开启，使多余流量溢回油箱，保证溢流阀进口压力，即增压泵出口压力恒定。

系统正常工作时，阀门关闭，只有负载超过规定的极限时开启溢流，进行过载保护，使系统压力不再增加。

经上流路溢流阀 8 的清洗液进入上流路流量计9，上流路流量计9 用于检测上流路管路中清洗液流量在工艺要求范围内。

因流量计种类多，分类方法多，本文采用涡轮流量计，采用多叶片的涡轮感受流体平均流速，推导出流量或总量。

该型流量计的精度高、重复性好、无零点漂移、抗干扰能力好、范围宽、结构紧凑。

但需要根据使用情况进行定期校准，同时，本文涉及的清洗液种类和特性根据待清洗件的需求会发生变化，为此，针对不同的清洗液，涡轮流量计需要进行标定。

经过上流路流量计9 的清洗液再进入到上流路针型阀10，上流路针型阀10 是为了进一步精确控制上流路中清洗液流量和压力，在安装时应注意清洗液流动方向与阀体所标箭头方向一致，连接应牢固紧密。

经上流路针型阀 10 的清洗液会进入上流路压力计 11，上流路压力计11 用于检测该管路中清洗液的压力。

本文采用传感器式压力计，该压力计将管路压力信号转变为电信号，从而实现压力的实时监控。

特点为小型化、精度高、测速快，特别是能够实现管路压力的动态测量，从而保证系统的动态可控，提高系统的可靠性。

超声波系统，主要由超声波控制器17、超声波振子39、场栅加热装置42、清洗腔23 组成。

超声波控制器17 由调时控制模块18、功率控制模块19、加热控制模块20、温度显示屏45 和时间显示屏46 集成，其作用在于通过功率控制模块19 控制超声波振子39 产生的功率密度、频率；调时控制模块18 控制超声波振子39 的工作持续时间，清洗时间应符合相关工艺要求，不宜过长，否则会把工件清洗过度，损伤工件表面。

必要时，加热控制模块20 控制场栅加热装置42 实现对清洗液的加热。

根据不同的清洗液来选择清洗温度，一般说水在30℃~40℃时空化效果最好；由于油脂污物在溶剂中的溶解速度随着温度的提高而提高，所以在溶剂不分解和过量蒸发的情况下，适当提高超声波清洗温度有利于提高清洗效率。

超声波振子39 主要由超声波发生器、超声换能器。

超声波发生器将 50Hz的交流电转换成超声频电振荡信号后，通过电缆输送给超声换能器。

本文采用振荡-放大型超声波发生器，它是一个带有振荡电路的放大器，由振荡、放大匹配电路和电源组成。

振荡器产生一定频率的信号，放大器将其放大到一定的功率输出。

达到最佳负载值，通过输出变压器进行阻抗匹配，并通过功放输出。

该超声波发生器可独立工作，亦可多组并联使用，以完成大规模清洗工程。

换能器是用来进行能量转换的器件，是将一种形式的能量转换为另一种形式的能量的装置。

本文采用喇叭形夹心压电换能器，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；同时，换能器采用特种耐高温、耐振动、高粘度的树脂胶辅以特殊的方法加以固定，绝不脱落，且可耐受100℃~150℃的高温。

清洗腔23 由内槽和外壳组成，采用不锈钢经氩弧焊焊接而成。

内槽的外表面粘结超声换能器，槽内盛清洗液。

槽的内壁，尤其是粘有换能器的辐射板要平整抛光，不能有伤痕，否则易产生空化腐蚀，缩短使用寿命。

槽体上设置有排渣检修口、保温隔声层等，保证水位至少高出能换器200 mm 以上。

场栅加热装置42 采用不锈钢管材制成，可耐酸碱。

场栅直接安装在清洗腔内壁，直接与清洗液接触，利用场栅的热效应实现对清洗液的加热。

加热的目的是将清洗剂加热以增加清洗机的洗涤效果。

为了实现超声波清洗的高效率，应当选择最佳的功率密度、频率及清洗腔声场分布。

超声波的功率密度越高，空化效果越强，其清洗效果越好，清洗速度越快。

但功率太大，清洗效果反而会下降，对于精密的、表面光洁度高的工件，采用长时间的大功率清洗会对工件表面，尤其是超声波产生方向会有空化腐蚀。

超声波频率也需要根据待清洗件的需求进行调整，低频声波的空化气泡大、数量少，易于清洗较粗糙物品，但对小间隙或细孔的污物清除效果不显著；高频声波空化气泡小、数量多，易于清洗精细且形状复杂的物品。

本文采用的工作频率在 20~50kHz 之间。

清洗腔声场分布要使超声波受阻小而清洗液易于流动。

内槽的尺寸要根据清洗件的大小和形状而定。

清洗件的总表面积不应大于内槽的体积。

粘有换能器的辐射板所承受的电功率强度一般低于1.5 W ／cm (用压电换能器时，大多数应在0.5～1 w ／cm 之间) 。

过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀，同时由于过剧烈的空化所产生的气泡会影响能量传递，使远离辐射面的液体空间声强变弱而达不到均匀清洗的目的。

在传统的清洗腔中，由于液面的反射，在清洗腔中会产生的驻波，使得在液体空间有些区域声压最小(波节处)，有些地方声压最大(波腹处)而造成清洗干净程度不均匀。

为减少驻波的形成，本文采用扫频工作方式。

同时，清洗件在槽中的排列有一定的间隔要求，且最窄小的面应朝向换能的辐射面，以免妨碍声波辐射到整个清洗腔空间。

喷淋系统，为上下组合喷淋。

上下喷淋系统的清洗液分别来自上流路和下流路，上下喷淋系统的结构相同，实现功能基本一致。

上喷淋系统主要由盖板30、深沟球轴承31、上流路管子32、转接管33、橡胶圈34、密封件35、分流腔36 和喷淋管37 组成。

盖板30 为具有一定厚度的正四边形，在四个角上分布有同样的四个沉头螺栓孔，中间是一个圆形通孔，其主要作用在于将深沟球轴承31、转接管33 和上流路管子32 固定在上盖26 上。

深沟球轴承31 安装在上盖26 上，并被盖板30 压紧固定，其主要作用在于将转接管33 过盈配合地装入轴承内圈，同时保证转接管33 能够自由旋转。

转接管33 为具有内外两层的圆形管，外层与深沟球轴承31 内圈配合，内层用于密封件35 的装配定位，此外在外层管壁与盖板30 相反的位置开有螺纹，用于和分流腔36 的连接与密封。

密封件35 是一种具有ш形状的特殊塑料件，将转接管33 的内层管壁卡入靠外的槽中，将橡胶圈34 和上流路管子同时卡入靠内的槽中，该密封件35 和橡胶圈一起组成了较好的密封作用，防止分流腔36 中的清洗液渗出。

分流腔36 为圆锥结构，大端与转接管33 螺纹连接，被固定在转接管33 上；小端焊接有喷淋管37，通过上流路32 流入的清洗液，在分流腔36 中将分为两路分别进入左右两个喷淋管37 中。

喷淋管37 的主管壁上开有一组斜向小孔，且左右喷淋管的斜向小孔角度一致。

喷淋系统作用在于经过流量控制系统而来的清洗液经过上流路管子 32 进入分流腔 36，再分流至喷淋管37，因管路中清洗液处于高压状态，在喷淋管37 的特定位置小孔喷射出时，会对喷淋管37 反向作功，从而使喷淋管37 产生轴向旋转，从而实现喷淋的自转动。

为保证喷淋管37 转动过程的平稳，减少摩擦，喷淋管焊接在分流腔36 上，分流腔与转接管33 螺纹连接，转接管通过深沟球轴承31 固定在上盖
26 上，此外，分流腔36、转接管33 与上流路管子32 之间采用密封件35 和两个橡胶圈34 进行密封，防止清洗液渗出。

工作腔，主要由清洗腔23、档肩24、上盖压板25、上盖26、溢流孔27、零件框28、液位显示管38、显示管座41 等组成。

工作腔的主要作用在于保证高压旋转喷淋加超声波震荡清洗的清洗液能够得到有效控制和观察，清洗腔23 内部所形成的空腔大小决定了能够清洗的零件大小，在清洗腔正面开有观察窗，便于系统工作时对内部情况的了解。

清洗腔23 的背面开有三个溢流孔27，当工作时，清洗液超过清洗腔
23 的有效容量时，从溢流孔27 流出，进入过滤箱21，避免了设备故障或人为不当操作时，清洗液从清洗腔23中溢出可能带来的潜在风险。

上盖压板25 主要用于将上盖26 压紧固定。

档肩24 为凸出的小块，保证零件框28 能够平稳的放置在清洗腔23 的中心部位。

零件框28 为六边形镂空网篮，清洗时，清洗件29 放入零件框28 中，避免被清洗工件29 直接与清洗腔23 壁板接触而划伤。

网篮的骨架应尽可能地小而轻，一般用不锈钢丝编成或用其它反射声波良好的材料做成。

在清洗腔23 的一侧，有一个垂直安装的玻璃液位显示管 38，其主要作用在于能够直观的检测清洗腔中清洗液的液位高度，该液位显示管38 通过显示管座41 固定。

回收过滤系统，主要由开关阀40、过滤箱21 和滤网22、回流电磁阀47 、废液开关阀43 和废液收集箱 44 组成。

完成超声波震荡的清洗液或溢流出的清洗液需要排出时，打开开关阀 40 ，让清洗液从清洗腔 23 底部孔排出，经过滤网22 过滤掉清洗液中的固态杂质，清洗液被收集在过滤箱21 中。

根据清洗液使用后的状态判断是否直接回流至储液箱1 中或是另外排出到废液收集箱44 中，不再使用。

2.2 装置特点
2.2.1 操作方便。

本装置使用时只需要将待清洗件29放入零件框28 中，盖上上盖26后，分别打开电磁阀（7、12）、调整流量计（9、14），确保管路中压力满足清洗要求，喷淋管37 由喷出的水流作用反向旋转，对待清洗件29进行高压喷淋清洗；若喷淋清洗无法满足清洗效果要求，再调整调时控制模块18和功率控制模块19，采用超声波震荡进行进一步的清洗，最终达到工艺要求。

2.2.2 劳动强度低、清洗效果好。

相较于传统的清洗装置，本装置采用高压旋转喷淋加超声波震荡清洗的方式进行零件清洗，亦可单独选取高压旋转喷淋或超声波震荡清洗的方式进行零件清洗，保证零件清洗具有好的效果。

因本装置清洗全过程无需人工干预和处理，仅保证装置的有效运转，具有较低的劳动强度。

2.2.3 环保。

本装置在清洗完成后，对废液的处理为清洗液从清洗腔23底部孔排出，经过滤网22过滤掉清洗液中的固态杂质，清洗液被收集在过滤箱中，根据清洗液使用后的状态判断是否直接回流至储液箱1中或是另外排出到专用的废液收集箱中，全程未产生清洗液的直排，避免了对水质和土壤的直接或潜在伤害，具备良好的环境友好性。

3 结论
本文提供的集成超声波清洗和水流喷淋冲洗的清洗装置，其操作方便、清洗效率高、清洗效果好，在各种机械类零件的清洗中具有重要意义。

作者简介：
魏学良（1978- ），男，汉族，陕西眉县，工程师，研究方向：检测技术。