干冰射流除積碳/油垢試驗(yàn)與仿真模擬研究

王友濤，王思安，馮旭，陳陽(yáng)，潘維浩，宋金龍

（1.中國(guó)航發(fā)貴州黎陽(yáng)航空動(dòng)力有限公司,貴陽(yáng) 550014；2.大連理工大學(xué)精密與特種加工教育部重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室,遼寧 大連 116024）

0 引言

機(jī)械制造業(yè)是工業(yè)乃至國(guó)民經(jīng)濟(jì)的基礎(chǔ)，清洗技術(shù)與機(jī)械制造生產(chǎn)活動(dòng)息息相關(guān)，隨著航空航天、鐵路電力等領(lǐng)域的高速發(fā)展，對(duì)工件表面質(zhì)量提出了更加嚴(yán)格的要求。加上新材料的不斷涌現(xiàn)，給傳統(tǒng)的表面清洗技術(shù)帶來(lái)了嚴(yán)峻挑戰(zhàn)。目前，主要利用汽油、煤油等有機(jī)溶劑[1]，通過(guò)人工擦拭、刷洗、超聲波[2-3]、脈沖沖洗[4-6]等方式對(duì)工件表面的污染物進(jìn)行清洗，但是這種清洗方式存在易燃易爆危險(xiǎn)品使用的問(wèn)題，使用管控成本較高，對(duì)操作人員身體帶來(lái)潛在危害。另外，通過(guò)人工清洗和打磨的方式存在操作難、效率低、易刮傷零件等缺點(diǎn)，大大增加了工件表面的清洗成本。因此研究一種高效率、無(wú)污染、方便可靠的清洗技術(shù)對(duì)進(jìn)一步提升工件表面質(zhì)量具有重要意義。研究并推廣表面清洗加工中的環(huán)保清洗方式，減少清洗過(guò)程中的環(huán)境污染問(wèn)題，是現(xiàn)代綠色清洗技術(shù)的研究熱點(diǎn)。目前干冰射流清洗技術(shù)較多地應(yīng)用在油污清洗、模具清洗、高壓電椽子清洗等場(chǎng)所，但是在發(fā)動(dòng)機(jī)積碳和變速箱表面油垢的清洗方面還沒(méi)有相關(guān)報(bào)道。

本文首先利用Fluent軟件對(duì)干冰射流的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度進(jìn)行數(shù)值模擬。在仿真結(jié)果的基礎(chǔ)上，利用干冰射流清洗技術(shù)分別對(duì)發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部積碳和變速箱換擋蓋油垢進(jìn)行了清洗。為了進(jìn)一步探究干冰射流清洗技術(shù)對(duì)積碳和油垢清洗效果，對(duì)干冰射流清洗前后的表面分別進(jìn)行了拉曼光譜分析和X射線(xiàn)光電子能譜分析。

1 試驗(yàn)

1.1 試驗(yàn)裝置與方法

干冰射流清洗系統(tǒng)主要包括干冰射流清洗機(jī)、螺桿式空氣壓縮機(jī)和儲(chǔ)氣罐，如圖1所示。空氣壓縮機(jī)的額定功率為22 kW，額定流量為3.8 m3/s，額定壓強(qiáng)為0.8 MPa。干冰射流清洗機(jī)的供氣壓力范圍為0.5～1.0 MPa。干冰微粒初始尺寸為：長(zhǎng)為1～5 mm，直徑為1 mm，硬度約為莫氏1.5。

圖1 干冰射流清洗系統(tǒng)示意圖

試驗(yàn)時(shí)，空氣壓縮機(jī)將空氣壓縮存儲(chǔ)至儲(chǔ)氣罐中，儲(chǔ)氣罐可調(diào)節(jié)供給到干冰射流清洗機(jī)中的氣壓大小。設(shè)定的儲(chǔ)氣罐的輸出壓力為0.7 MPa，因此干冰射流清洗機(jī)的輸入壓力為0.7 MPa。高速氣流攜帶干冰射流清洗機(jī)中的干冰微粒經(jīng)噴槍噴射出。噴槍末端至工件的距離是10 cm，噴射角度為60°。

1.2 樣品表征

利用顯微共焦拉曼光譜儀（inVia Qontor，UK）檢測(cè)干冰射流清洗前后表面的化學(xué)成分，采用X射線(xiàn)光電子能譜儀（XPS，Thermo，ESCALAB 250Xi，USA）檢測(cè)清洗前后樣件表面的化學(xué)成分，采用尼康數(shù)碼相機(jī)（Nikon D7200）拍攝樣件清洗過(guò)程中的照片。

2 結(jié)果與討論

2.1 干冰射流仿真分析

2.1.1 模型建立

為了簡(jiǎn)化計(jì)算，本文建立了二維軸對(duì)稱(chēng)模型，如圖2（a）所示。模型中噴嘴入口邊界長(zhǎng)度a設(shè)定為6 mm，噴嘴出口邊界長(zhǎng)度d設(shè)定為12 mm，噴嘴長(zhǎng)度e設(shè)定為60 mm，噴嘴外部計(jì)算域長(zhǎng)度L、G分別設(shè)定為450 mm、400 mm。設(shè)定的干冰密度為1572 kg/m3，干冰微粒的直徑為1 mm，噴射流量為0.028 kg/s。進(jìn)一步對(duì)噴嘴入口、近壁面壓力及速度梯度較大的位置進(jìn)行了網(wǎng)格加密處理，從而更好地分析噴嘴內(nèi)外部流場(chǎng)的速度、壓強(qiáng)。此外，設(shè)定了本模型的邊界條件，如圖2（b）所示。噴嘴入口的壓力為0.7 MPa，進(jìn)口溫度為300 K，噴嘴外部計(jì)算域的壓力為0.1 MPa。其余邊界采用默認(rèn)參數(shù)的無(wú)滑移壁面邊界。

圖2 干冰射流仿真模型

2.1.2 仿真結(jié)果

圖3（a）描述了干冰微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡。從圖中可以看出，干冰微粒從噴嘴加速?lài)娚涑龊笙瘸尸F(xiàn)聚集狀態(tài)，后呈現(xiàn)發(fā)散狀態(tài)。此外，選取距離對(duì)稱(chēng)軸S不同距離的9個(gè)干冰微粒進(jìn)行速度分析，如圖3（b）所示。按距離對(duì)稱(chēng)軸的距離由近及遠(yuǎn)對(duì)微粒進(jìn)行編號(hào)，距離最近的為微粒1，距離最遠(yuǎn)的為微粒9。結(jié)果表明，隨著噴射距離的增加，所有微粒的速度逐漸下降。同時(shí)，可以看出，越靠近噴嘴中心位置的微粒的初始速度越快。其中微粒1從噴嘴噴出時(shí)的初始速度為612 m/s，當(dāng)噴出到40 cm處時(shí)，速度下降到280 m/s，而靠近噴嘴管壁的微粒9的初始速度僅為390 m/s，這是因?yàn)榭拷鼑娮旃鼙谔幍奈⒘Ｋ艿降哪Σ亮Ω?。綜上，在噴射距離為5～15 cm時(shí)，干冰微粒不僅具有良好的發(fā)散性，而且在此范圍內(nèi)速度較快，適合用來(lái)對(duì)樣件表面的污染物進(jìn)行清洗。因此，在后續(xù)試驗(yàn)中選取的干冰微粒的噴射距離為10 cm。

圖3 干冰射流仿真結(jié)果

2.2 積碳/油垢清理試驗(yàn)

2.2.1 積碳清理試驗(yàn)

本節(jié)利用干冰射流進(jìn)行發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部積碳清理試驗(yàn)。圖4為干冰射流清洗不同時(shí)間的積碳表面，我們可以看到積碳在干冰射流的撞擊下快速脫落，清除面積為62 cm2的積碳僅需11 s，清洗效率（積碳去除面積和總面積的比值）達(dá)95%以上。圖5為清洗前后活塞頂部的照片，可以看出槽內(nèi)積碳清洗和未清洗部位的分界線(xiàn)很明顯，經(jīng)干冰射流清洗過(guò)的區(qū)域顯示出金屬光澤。

圖4 干冰射流清洗積碳過(guò)程

圖5 干冰射流清洗前后發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部照片

為了檢測(cè)干冰射流對(duì)積碳的清洗效果，我們用顯微共焦拉曼光譜儀對(duì)清洗前后的表面進(jìn)行了成分檢測(cè)，圖6所示為干冰射流清洗前后表面的拉曼光譜圖。干冰射流清洗前，被積碳覆蓋的表面光譜強(qiáng)度明顯，在1350 cm-1和1580 cm-1附近出現(xiàn)了明顯的C峰。干冰射流清洗后，樣品表面未檢測(cè)到任何吸收峰，表明積碳已經(jīng)被清除。

圖6 干冰射流清洗積碳前后的拉曼光譜

2.2.2 油垢清洗試驗(yàn)

隨后，我們進(jìn)行了干冰射流對(duì)變速箱換擋蓋表面油垢清洗試驗(yàn)。長(zhǎng)年累月積累形成的油垢和基體結(jié)合強(qiáng)度較大，很難通過(guò)非化學(xué)清洗的方式清洗。圖7是干冰射流清洗不同時(shí)間的油垢表面，我們可以看出油垢在干冰微粒的撞擊下極易脫落，僅需約131 s的時(shí)間就可以把面積為50 cm2的油垢清洗干凈。圖8為變速箱換擋蓋清洗前后的照片，油垢清洗和未清洗部位的分界線(xiàn)很明顯。

圖7 干冰射流清洗油垢過(guò)程

圖8 干冰射流清洗后變速箱換擋蓋照片

為了檢測(cè)干冰射流對(duì)油垢的清洗效果，我們用X射線(xiàn)光電子能譜儀對(duì)清洗前后的表面進(jìn)行了成分檢測(cè)。如表1所示，經(jīng)干冰清洗后，C元素的含量由91.31%降至66.25%，同時(shí)O元素的含量則由8.69%增至33.75%。從圖9（a）中也可以看出，干冰清洗后C元素對(duì)應(yīng)的峰強(qiáng)明顯降低，表面還有C元素的油垢已被清除。為了進(jìn)一步研究干冰清洗前后表面化學(xué)成分的變化，對(duì)高分辨率C 1s峰進(jìn)行擬合，如圖9（b）和表1所示。結(jié)果表明，清洗前后樣品表面的高分辨率C 1s峰均被分解為C-C/C-H（284.6 eV）、C-O（（285.8 ± 0.1）eV）和O-C=O（（288 ± 0.05）eV）。干冰射流清洗后，樣品表面的C-C/C-H官能團(tuán)含量減少，而含氧官能團(tuán)（C-O和O-C=O）含量增加。這是因?yàn)樵诟杀淞髑逑催^(guò)程中，以烷烴等碳?xì)浠衔餅橹饕煞值挠凸冈诟咚倭Ｗ記_擊作用下被快速去除，其分子鏈被打斷，并形成新的含氧官能團(tuán)。

表1 干冰射流清洗前后樣件表面元素及含C官能團(tuán)含量

圖9 XPS圖譜

3 結(jié)論

1）基于流體力學(xué)理論及Fluent數(shù)值模擬分析，研究了干冰微粒的運(yùn)動(dòng)軌跡和運(yùn)動(dòng)速度，結(jié)果表明，干冰微粒在噴射距離為5～15 cm時(shí)不僅具有良好的發(fā)散性，而且在此范圍內(nèi)速度較快，適合用來(lái)對(duì)樣件表面的污染物進(jìn)行清洗。

2）研究了0.7 MPa氣體壓強(qiáng)、60°干冰噴射角度、10 cm噴射距離下干冰射流清洗發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部積碳和變速箱換擋蓋油垢的效果。發(fā)現(xiàn)積碳在干冰射流的撞擊下極易脫落，僅需約11 s的時(shí)間就可以把面積為62 cm2的積碳清除干凈，清洗效率（積碳去除面積和總面積的比值）達(dá)95%以上；油垢在干冰射流的撞擊下也極易脫落，僅需約131 s的時(shí)間就可以把面積為50 cm2的油垢清除干凈。

3）干冰射流清洗前后發(fā)動(dòng)機(jī)活塞頂部的拉曼光譜表明，干冰射流清洗技術(shù)可以有效地去除發(fā)動(dòng)機(jī)表面沉積的積碳，不會(huì)產(chǎn)生新物質(zhì)或帶入污染物，具有良好的清洗效果。通過(guò)X射線(xiàn)光電子能譜儀對(duì)干冰射流清洗油垢前后樣件表面化學(xué)成分進(jìn)行了分析，結(jié)果表明干冰射流清洗技術(shù)具有良好的除油垢效果。