超高壓水射流自動(dòng)清洗技術(shù)在汽車涂裝車間的應(yīng)用

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(jiǎn)單概括為：通過(guò)轉(zhuǎn)能裝置（泵或增壓器）將發(fā)動(dòng)機(jī)（電機(jī)或內(nèi)燃機(jī)）的機(jī)械能轉(zhuǎn)變成水的壓力能，再通過(guò)噴嘴小孔噴出高速射流，將壓力勢(shì)能轉(zhuǎn)換成動(dòng)能；當(dāng)高速水射流沖擊被切材料時(shí)，動(dòng)能又重新變成作用于材料表面的壓力能。如果壓力超過(guò)材料的破壞強(qiáng)度（門限壓力）即可切斷材料。實(shí)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(shì)，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(xiàng)目由德國(guó)DURR-Ecoclean公司承建，采用兩臺(tái)KUKA特種清洗機(jī)器人，兩臺(tái)HammelmannHDP124柱塞式高壓泵，通過(guò)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(yùn)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(hù)下已經(jīng)順利運(yùn)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(hào)的滑橇，掌握了壓力自動(dòng)調(diào)節(jié)技術(shù)，針對(duì)現(xiàn)場(chǎng)機(jī)器人、高壓旋轉(zhuǎn)噴槍、高壓泵、帶式過(guò)濾機(jī)等一系列設(shè)備制作并執(zhí)行了預(yù)防性維修計(jì)劃。

1.1 國(guó)內(nèi)外研究狀況

我國(guó)清洗行業(yè)多年來(lái)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(wú)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(wèn)題，遠(yuǎn)不能滿足現(xiàn)代社會(huì)日益增長(zhǎng)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(guó)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(guó)工業(yè)清洗中已超過(guò)10%，并正在迅速增長(zhǎng)。隨著現(xiàn)代社會(huì)對(duì)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(guó)的普及應(yīng)用是趨勢(shì)。

研究和生產(chǎn)實(shí)踐表明高壓水射流清洗技術(shù)是一項(xiàng)可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)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(diǎn)。

（1）清洗質(zhì)量好。高壓水射流切割是一種先進(jìn)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(duì)工件材料無(wú)熱影響，也不會(huì)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(jiǎn)單機(jī)械及手工方法清洗速度快幾倍到十幾倍。同時(shí)，采用高壓水射流清洗后的部件，無(wú)需進(jìn)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(wú)環(huán)境污染。高壓水射流切割的介質(zhì)是水，工作中不會(huì)產(chǎn)生塵埃、特殊氣味、氣體和火花等，而且切割過(guò)程中是清潔的、無(wú)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(méi)有材料和切割尺寸的限制。

（5）自動(dòng)化。切割設(shè)備可以利用計(jì)算機(jī)控制，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)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(lái)水，它來(lái)源容易，普遍存在。在清洗過(guò)程中，由于能量強(qiáng)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(jiǎn)介

MRA-II涂裝車間滑橇清洗站高壓水射流自動(dòng)清洗項(xiàng)目采用兩臺(tái)KUKA機(jī)器人（KR210-2FExclusive2000），通過(guò)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(yùn)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(dá)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(guò)清洗程序，直接旁通并送至滑橇離線檢測(cè)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(jī)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(jiǎn)介

如圖2～8所示，滑橇清洗站機(jī)器人高壓旋轉(zhuǎn)噴槍的用水依次經(jīng)過(guò)10μm及1μm袋式過(guò)濾器（圖9）過(guò)濾的工業(yè)水，在過(guò)濾裝置的前后裝有壓差及溫度傳感器，以防過(guò)濾袋損壞后較大顆粒進(jìn)入高壓泵對(duì)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(guò)帶式過(guò)濾機(jī)過(guò)濾之后可用來(lái)沖洗室體，直至帶式過(guò)濾機(jī)（圖10）蓄水的池液位達(dá)到最高工作液位時(shí)，污水泵抽水到地坑，地坑中的水位達(dá)到設(shè)定的液位時(shí)，地坑泵抽水到污水站?，F(xiàn)場(chǎng)水循環(huán)系統(tǒng)實(shí)時(shí)狀態(tài)如圖11所示。

圖9 袋式過(guò)濾器

圖10 帶式過(guò)濾機(jī)

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(duì)液流壓力、流量及方向的控制通常是通過(guò)一些特定的孔口實(shí)現(xiàn)的，它們對(duì)流過(guò)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(jī)器人高壓噴槍選用的噴嘴直徑為φ0.5mm，孔口流動(dòng)方式為薄壁小孔，每臺(tái)機(jī)器人噴槍斷面裝有3個(gè)噴嘴（圖12），共2臺(tái)機(jī)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(jìn)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(qiáng)，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(qiáng)為250MPa時(shí)每個(gè)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(shí)際流量表計(jì)數(shù)值基本一致。

圖12 機(jī)器人高壓旋轉(zhuǎn)噴嘴

2.2 滑橇識(shí)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(duì)滑橇類型進(jìn)行識(shí)別（圖15），識(shí)別成功的滑橇將被傳送至清洗室體內(nèi)的鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)（圖16）上，然后機(jī)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(jī)器人程序。

圖13 電泳滑橇

圖14 面漆滑橇

圖15 滑橇識(shí)別原理圖

圖16 鏈?zhǔn)捷斔蜋C(jī)

圖17中分別顯示了各類型滑橇清洗的總計(jì)數(shù)、當(dāng)前清洗的滑橇類型以及清洗工位，實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)輸送系統(tǒng)的傳感器以及電機(jī)狀態(tài)，同時(shí)在界面中加入了各工位對(duì)應(yīng)的傳感器正常狀態(tài)表，方便維修工及時(shí)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(jī)器人清洗滑橇需?？?個(gè)工位，單機(jī)器人降級(jí)程序清洗滑橇需停靠6個(gè)工位），當(dāng)現(xiàn)場(chǎng)傳感器損壞時(shí)需花費(fèi)較多時(shí)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(chǎng)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(jī)器人

滑橇清洗站采用兩臺(tái)庫(kù)卡KR 210-2 F exclusive機(jī)器人。該機(jī)器人有特殊的表面處理、優(yōu)質(zhì)的蓋板及無(wú)腐蝕的不銹鋼組件，有效防止了水分和灰粒的侵入。機(jī)器人所有軸向電機(jī)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(guò)對(duì)表面進(jìn)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(jī)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(yùn)行情況簡(jiǎn)介

北京奔馳汽車有限公司為國(guó)內(nèi)首次采用高壓水射流自動(dòng)清洗技術(shù)的汽車企業(yè)，目前已清洗了面漆滑橇約15000個(gè)，電泳滑橇約8000個(gè)（清洗時(shí)間面漆滑橇約20min/個(gè)，電泳滑橇約10min/個(gè)）。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(duì)比圖

為便于國(guó)內(nèi)同行進(jìn)一步了解高壓水射流清洗技術(shù)的特點(diǎn)，現(xiàn)將奔馳維修團(tuán)隊(duì)在MRA-II涂裝車間滑橇清洗站近1年運(yùn)營(yíng)時(shí)遇到的問(wèn)題總結(jié)如下。

（1）設(shè)備運(yùn)行期間水霧大（圖19），不便于肉眼觀察。措施：針對(duì)該問(wèn)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(shí)時(shí)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(kāi)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(jī)器人軌跡，定期更換輸送機(jī)護(hù)板。

圖20 滑橇清洗站設(shè)備損壞情況

（3）機(jī)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(wú)法達(dá)到運(yùn)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(shí)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(wèn)題或噴嘴口存在微裂紋缺陷；監(jiān)控運(yùn)行壓力，防止出現(xiàn)超壓運(yùn)行導(dǎo)致噴嘴過(guò)快失效。

（4）機(jī)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(jī)器人軌跡避免運(yùn)行中管子出現(xiàn)拉扯或擰麻花的情況，同時(shí)可選用更耐用的新型號(hào)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(yǔ)

目前來(lái)說(shuō)，我國(guó)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(dá)國(guó)家，但高壓水射流技術(shù)獨(dú)特的優(yōu)點(diǎn)仍然值得我們進(jìn)一步去研發(fā)其核心技術(shù)。除此之外，可通過(guò)優(yōu)化高壓水射流清洗的工藝來(lái)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(guó)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。