超聲波清洗油濾技術(shù)分析

蔣明

摘要：隨著我國的科技不斷的發(fā)展與社會(huì)不斷的進(jìn)步，以往傳統(tǒng)的油濾清洗技術(shù)已逐漸不滿足于國家和社會(huì)的需求，所以超聲波技術(shù)逐漸進(jìn)入人們的視線，其中超聲波清洗技術(shù)逐漸發(fā)展成為現(xiàn)代工業(yè)不可或缺的新型工業(yè)技術(shù)，超聲波清洗技術(shù)應(yīng)用于石油化工行業(yè)及航空技術(shù)領(lǐng)域的過濾器濾芯清洗有明顯優(yōu)勢。本文針對于此，對我國現(xiàn)在的超聲波清洗油濾技術(shù)進(jìn)行了考察與分析，并對基于航空領(lǐng)域的超聲波油濾清洗技術(shù)的現(xiàn)狀與發(fā)展提出了一些自己的想法與見解。

關(guān)鍵詞：超聲波清洗技術(shù);油濾;航空領(lǐng)域

飛機(jī)濾芯在航空航天的技術(shù)設(shè)備種起著至關(guān)重要的作用，濾芯外層以不銹鋼材料編制空隙網(wǎng)狀然而近年來為提高經(jīng)濟(jì)效益，各煉油企業(yè)逐漸加大了重質(zhì)、劣質(zhì)原油的摻煉比例，其殘?zhí)恐?、焦?、瀝青質(zhì)等比例高隔層，及內(nèi)置燒結(jié)氈。通過阻礙油液中固體顆粒穿透的方式，濾除油液雜質(zhì)。，這類雜質(zhì)不斷粘附在濾芯表面及夾層中，使得壓差過高，過濾器開啟自動(dòng)反沖洗，但隨著自動(dòng)反沖洗頻率增加，濾芯在不斷變化的壓力作用下，各濾網(wǎng)層間會(huì)產(chǎn)生細(xì)微的變形，部分固體顆粒被嵌附在濾網(wǎng)層間，無法隨著反沖洗液排出過濾器，進(jìn)而堵塞濾芯孔隙，導(dǎo)致過濾面積不斷減少，堵塞濾芯，導(dǎo)致其喪失過濾效果，需對過濾器拆卸清洗濾芯使其恢復(fù)過濾效果。所以，快捷有效的飛機(jī)濾芯清洗技術(shù)的發(fā)展迫在眉睫，其對航空航天領(lǐng)域的發(fā)展起著至關(guān)重要的作用。

一.超聲波清洗技術(shù)現(xiàn)狀

超聲波技術(shù)是從二十世紀(jì)三十年代發(fā)展起來的一種新興技術(shù)，具有多領(lǐng)域的研究價(jià)值，越來越受到世界各國科研工作者的重視，并且在各國的努力研究下，該技術(shù)迅速發(fā)展，不斷的被應(yīng)用于新的領(lǐng)域，取得了較為理想的應(yīng)用效果。隨著科學(xué)技術(shù)的迅速發(fā)展，對超聲波清洗技術(shù)研究的不斷深入，超聲波清洗機(jī)現(xiàn)在已經(jīng)滲入：工作、生產(chǎn)和日常生活的方方面面。超聲波清洗技術(shù)遠(yuǎn)超其他清洗技術(shù)所能達(dá)到的清洗效果。 [4]。

超聲波是一種頻率高于20000Hz的聲波，它的方向性好，穿透能力強(qiáng)，易于獲得較集中的聲能，在液體中傳播距離遠(yuǎn)，超聲波利用其在液體中的空化作用： 當(dāng)聲壓達(dá)到一定值時(shí)，液體中的某一區(qū)域會(huì)形成局部的暫時(shí)的負(fù)壓區(qū)，此時(shí)無數(shù)氣泡快速形成并迅速內(nèi)爆產(chǎn)生沖擊波，使污物層被分散、乳化、剝離而達(dá)到清洗目的。人們正是運(yùn)用這一原理研制出超聲波清洗技術(shù)廣泛應(yīng)用于醫(yī)學(xué)、軍事、工業(yè)等行業(yè)中，如金銀首飾、珠寶玉器等光學(xué)玻璃，金銀珠寶的清洗;手術(shù)器具、牙科用鉆、搪孔器等醫(yī)用器具的清洗;半導(dǎo)體管的殼座、IC的殼座、晶體的殼座、繼電器的殼座等電子零件清洗;齒輪、曲軸乃至齒輪箱等精密機(jī)械零件的清洗。

二.飛機(jī)濾芯清洗技術(shù)分析

針對濾芯特殊的結(jié)構(gòu)，傳統(tǒng)飛機(jī)濾芯清洗工藝清洗效率低、清洗效果差、干燥不徹底以及安全性低的缺點(diǎn)，本文提出以使用非水基溶液作為清洗液的超聲清洗對飛機(jī)濾芯進(jìn)行清洗的工藝技術(shù)。并對其進(jìn)行闡述和論證。其主要工藝流程如圖1所示，清洗工藝流程為：機(jī)械手自動(dòng)上料→第一超聲旋轉(zhuǎn)清洗工位粗洗→第二超聲旋轉(zhuǎn)清洗工位精洗→氣相清洗及真空干燥→機(jī)械手自動(dòng)下料。

2.1.1碳?xì)淙軇┣逑匆禾接?/p>

根據(jù)溶劑類型的不同，可以將清洗劑分為以水作為溶劑的水基型清洗劑和以碳?xì)浠衔铮N類）及其他有機(jī)物質(zhì)為溶劑的溶劑型清洗劑。水基型清洗劑在日常生活、早期的工業(yè)生產(chǎn)以及精密、超精密工業(yè)生產(chǎn)中較為常見。

水基清洗是以水為主體，在水中添加各種化學(xué)溶質(zhì)如酸、堿之類，以減小水的表面張力，提高清洗效果。在精密、超精密生產(chǎn)中一般要求使用電阻率≥10M2/cm純凈水進(jìn)行清洗。但是，水基清洗工序較多，干燥時(shí)間長或難以徹底干燥，效率低，運(yùn)行成本高，不適合濾芯的清洗。清洗過后廢液的回收處理也是一個(gè)大問題，不經(jīng)過處理的廢液隨意排放會(huì)引起嚴(yán)重的水資源和土地資源的污染，對廢液進(jìn)行回收處理則會(huì)帶來成本的增加。同時(shí)隨著水資源的日益減少，相關(guān)政策對環(huán)保要求的不斷提高，水基清洗在工業(yè)生產(chǎn)中的使用越來越少。

溶劑型清洗劑是指使用不溶于水的有機(jī)物質(zhì)作為溶劑的清洗劑，主要有石油.類碳?xì)浠衔铮N類）、氯代烴、氟代烴等。20世紀(jì)80年代之前，氟利昂（CFC）和三氯乙烷（TCA）是清洗效果最好、應(yīng)用范圍最廣的有機(jī)溶劑型清洗劑，具有惰性強(qiáng)，液體表面張力小，容易徹底干燥，不易燃安全性好，KB值（貝殼松脂丁醇值）低等優(yōu)點(diǎn)。但是CFC和TCA屬于消耗臭氧層物質(zhì)（ODS），根據(jù)1985年通過的保護(hù)臭氧層維也納公約，這些ODS型物質(zhì)被禁止使用。因此，近些年世界清洗行業(yè)積極尋找替代的清洗劑，日本首先發(fā)現(xiàn)了碳?xì)淙軇?qiáng)大的清洗效果，并開發(fā)了相應(yīng)的清洗工藝和商品化的清洗設(shè)備。

基于傳統(tǒng)濾芯清洗使用清洗劑的不足，并對多種清洗劑進(jìn)行對比分析，本文選擇用了碳?xì)淙軇┳鳛榍逑磩?。碳?xì)淙軇┦怯幸环N可替代CFC和TCA的新型環(huán)保清洗劑，其清洗效果與CFC和TCA相當(dāng)。本文采用某公司生產(chǎn)的MD-100型碳?xì)淝逑磩?，其具有以下?yōu)點(diǎn)：不破壞臭氧層（非ODS），表面張力和粘度小，滲透性好，清洗能力強(qiáng)，具有輕微碳?xì)淙軇┪?，毒性小，廢液處理容易，可再生利用，綜合成本較低。

2.1.2 航空燃油RP-3作為清洗液探討

從實(shí)際情況來看，航空煤油在接近臨界點(diǎn)或者超過臨界點(diǎn)的情況下，其物態(tài)隨著環(huán)境溫度以及壓力的變化而逐步發(fā)生轉(zhuǎn)變，目前還沒有一個(gè)較為簡潔的方法進(jìn)行計(jì)算。由于RP-3航空煤油超臨界狀態(tài)下流體與氣體具有相似性，在溫度條件足夠的情況下，在達(dá)到聲速狀態(tài)下，其并不會(huì)發(fā)生凝結(jié)，基于這種實(shí)際情況，在進(jìn)行RP-3 航空煤油超臨界態(tài)燃料流量測定的過程之中，可以利用聲速流量計(jì)進(jìn)行測定。為了確保測定結(jié)果的準(zhǔn)確性與簡潔性，可以采取廣義對應(yīng)狀態(tài)法對超臨界態(tài)燃料流量進(jìn)行分析，實(shí)現(xiàn)熱物性參數(shù)的全面系統(tǒng)呈現(xiàn)。廣義對應(yīng)狀態(tài)法則下，RP-3航空煤油超臨界態(tài)燃料流量的分析模型如下：

Δh=h0-h1=1/2

在這一-數(shù)學(xué)模型之中，u1 表示RP-3航空煤油的流動(dòng)速度，在馬赫數(shù)Mal=u1 /al，前提下，如果馬赫數(shù)不為1，在溫度持續(xù)降低的情況下，馬赫數(shù)可以達(dá)到1。在這種情況下，技術(shù)人員可以對超臨界態(tài)燃料流量進(jìn)行科學(xué)的測定（0）

通過對RP-3 航空煤油熱力學(xué)特征及超臨界態(tài)燃料流量的分析，發(fā)現(xiàn)RP-3航空煤油具有良好的熱力學(xué)特征，其在熱物性方面與碳?xì)淙剂暇哂幸恢滦?，完全可以作為替代燃料，?yīng)用于航空領(lǐng)域，滿足超沖壓發(fā)動(dòng)機(jī)對于航空煤油的使用訴求，在保證使用效果的前提下，減少使用成本，增強(qiáng)實(shí)用性。超聲波空化氣泡（后文中提到）破裂的過程中，氣泡溫度從上升到恢復(fù)過程僅有幾納秒，氣泡破裂的半徑不到1μm，其微觀的瞬時(shí)性不會(huì)引起油液自然等安全問題，因此燃油也可以作為一種清洗劑。

2.2超聲波清洗技術(shù)

（1）超聲清洗頻率的選擇

超聲清洗主要是利用超聲波的空化效應(yīng)。空化效應(yīng)會(huì)在油液中產(chǎn)生氣泡，氣泡破裂時(shí)會(huì)產(chǎn)生局部的瞬時(shí)高溫高壓，作用于工件時(shí)會(huì)對附著于工件.上的污染物產(chǎn)生沖擊，當(dāng)沖擊效果疊加到一-定的程度時(shí)就會(huì)將污染物與工件分離，達(dá)到清洗的效果。超聲波的空化效果與許多因素有關(guān)，如超聲波的清洗頻率、清洗液的濃度及清洗液中的空氣含量等[24]。不同頻率的超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)的特點(diǎn)不同，其所應(yīng)用的清洗對象也不相同。因此需要根據(jù)清洗對象的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)選擇合理的超聲波清洗頻率。

低頻率的超聲波具有較強(qiáng)的空化效應(yīng)，產(chǎn)生的空化氣泡較大，但是氣泡數(shù)量較少，氣泡破裂時(shí)產(chǎn)生的沖擊力較強(qiáng)。因此選擇低頻率超聲波用于清洗顆粒較大的污染物。高頻率的超聲波具有較強(qiáng)的穿透力，空化效應(yīng)較弱，產(chǎn)生的空化氣泡較小，氣泡數(shù)量較多。因此選擇高頻率超聲波用于清洗位于微孔、盲孔及縫隙中顆粒較小的污染物。根據(jù)飛機(jī)濾芯過濾網(wǎng)的機(jī)構(gòu)和過濾機(jī)理，以及飛機(jī)油液中污染物的特點(diǎn)，可知飛機(jī)濾芯中既有較大顆粒狀的污染物，又有吸附于濾孔中顆粒較小的微粒。在使用超聲波清洗飛機(jī)濾芯時(shí)，需要使用低頻和高頻的超聲波分別對這些污染物進(jìn)行清理。

粘附在濾芯上的污染物顆粒與濾芯之間會(huì)產(chǎn)生粘附力，在清洗這些污染物時(shí)，清洗工藝所提供的去除力必須大于污染物與濾芯之間的粘附力。表2列出了在以水為清洗液，40kHz的超聲波清洗頻率的條件下，不同顆粒大小產(chǎn)生的粘附力與超聲波提供的去除力。從表中可以看出，對于1μm大小的顆粒，其與濾芯之間的最大粘附力約為1.083x10-8N[25]。40kHz的超聲波清洗頻率可以去除顆粒直徑在0.1μm以上的污染物。

設(shè)定粗洗工藝為：使用低頻率的超聲波清洗顆粒較大的污染物。精洗工藝為：使用高頻率的超聲波清洗位于濾芯濾孔深處顆粒較小的污染物。根據(jù)以往的清洗經(jīng)驗(yàn)及工程實(shí)際要求，在此選擇低頻為28kHz，高頻為40kHz的超聲波頻率作為實(shí)際的粗洗和精清的超聲波頻率，功率應(yīng)為0.5-0.7W/cm2。

（2）真空超聲清洗

濾芯的內(nèi)表面直接連接著對油液清潔度要求較高的動(dòng)力系統(tǒng)及液壓系統(tǒng)等部分。因此，在清洗濾芯的過程中要保證濾芯內(nèi)表面不被清洗液中的雜質(zhì)污染，需要在濾芯的出口處增加相應(yīng)的密封結(jié)構(gòu)對濾芯進(jìn)行密封。

①此外，在對濾芯進(jìn)行超聲波清洗的過程中，需要對清洗槽進(jìn)行抽真空的操作，配合濾芯出口處的密封結(jié)構(gòu)具有以下3個(gè)優(yōu)點(diǎn)：抽真空時(shí)，在濾芯的外部形成低壓的空間，此時(shí)Pa>P外濾芯內(nèi)部的空氣在壓力的作用下逃逸到濾芯外部并被抽離;同時(shí)外部的清洗液迅速填滿濾芯，保證了超聲波的清洗效果。此外，抽真空也可以將濾芯過濾網(wǎng)的微孔及縫隙中的氣泡抽走，使清洗液和濾芯的接觸更充分，提高清洗效果。

②提高超聲波的空化效果。將兩個(gè)相同的鋁箔分別放入超聲波清洗機(jī)中，其中一臺清洗機(jī)進(jìn)行抽真空操作，另一臺不抽真空。實(shí)驗(yàn)結(jié)果顯示，抽真空的鋁箔在超聲波的作用下很快出現(xiàn)裂紋和孔洞，而另一張鋁箔則無明顯變化。

③在壓差的作用下，濾芯內(nèi)部的空氣經(jīng)由濾孔排到濾芯之外，在排氣的過程中將堵塞濾芯的污染物顆粒吹出濾網(wǎng)，配合超聲波的空化效果，清洗的更加徹底。

2.3真空干燥

由于制成濾芯過濾網(wǎng)材料的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，過濾網(wǎng)上存在較多的微孔，狹縫及盲孔，這些結(jié)構(gòu)特征在對濾芯清洗時(shí)會(huì)積攢清洗液，在清洗完成后需要對積攢的這些洗衣液進(jìn)行去除。傳統(tǒng)的濾芯清洗工藝的干燥手段是使用干熱風(fēng)吹技術(shù)對濾芯進(jìn)行干燥，這種干燥方式干燥時(shí)間長，干燥效果差，干燥效率低，而且對于上述位置積攢的清洗液很難徹底清理干凈。當(dāng)這些沒有徹底干燥的濾芯再次使用時(shí)，其中殘留的清洗液就可能引起油液的污染，對飛機(jī)的液壓系統(tǒng)和燃油系統(tǒng)等帶來不利影響，也會(huì)對飛機(jī)的平穩(wěn)運(yùn)行帶來不利的影響。本文為了解決這傳統(tǒng)清洗工藝干燥不徹底的問題，提出了在對濾芯進(jìn)行干燥時(shí)，采用真空干燥技術(shù)，對濾芯進(jìn)行徹底的干燥，大幅提高分濾芯的干燥效果和效率。

真空干燥是指在對濾芯進(jìn)行干燥時(shí)，利用蒸餾機(jī)將清洗液化為蒸汽，然后利用清洗液蒸汽對濾芯進(jìn)行加熱，同時(shí)對干燥槽進(jìn)行抽真空的操作，來對濾芯進(jìn)行干燥。抽真空造成的低壓環(huán)境可以大幅降低清洗液的沸點(diǎn)，清洗液更容易轉(zhuǎn)變?yōu)闅庀嗝撾x濾芯，可以使濾芯干燥的更加徹底。

三.結(jié)束語

目前國內(nèi)清洗飛機(jī)上液壓、燃油及潤滑油濾芯的工藝大多使用人工或半自動(dòng)化的浸泡超聲波清洗，存在自動(dòng)化程度低，清洗效果差，效率較低及清洗成本高等問題。隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，人力勞動(dòng)正一步步被機(jī)械化所取代，自動(dòng)化、智能化、無人化等技術(shù)發(fā)展日新月異，應(yīng)用領(lǐng)域不斷拓展。在飛機(jī)濾芯清洗中，以碳?xì)淙軇┣逑匆簽榻橘|(zhì)，利用超聲波清洗技術(shù)進(jìn)行清洗，最后再進(jìn)行真空干燥，可以使飛機(jī)濾芯清洗的更加徹底，提高了飛機(jī)濾芯的重復(fù)使用率。建議相關(guān)企業(yè)加快推動(dòng)該超聲波清洗技術(shù)在飛機(jī)油濾清洗中的應(yīng)用，以降低清洗成本，提高清洗效率，消除安全隱患。

參考文獻(xiàn)：

[1]張浩;."超聲波清洗技術(shù)在鐵路油罐車清洗中的應(yīng)用可行性分析."石油商技 .（2017）：62-65.Print.