超高壓水射流自動清洗技術在汽車涂裝車間的應用

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

水射流的應用可簡單概括為：通過轉能裝置（泵或增壓器）將發動機（電機或內燃機）的機械能轉變成水的壓力能，再通過噴嘴小孔噴出高速射流，將壓力勢能轉換成動能；當高速水射流沖擊被切材料時，動能又重新變成作用于材料表面的壓力能。如果壓力超過材料的破壞強度（門限壓力）即可切斷材料。實際應用的水射流大致可以分為3種類型：連續射流、脈沖射流、空化射流，本文所述內容為連續射流。根據射流壓力又分為低壓射流、高壓射流和超高壓射流。由于水射流作業的高壓化、大型化發展趨勢，高壓水射流的概念逐漸認同到150～200MPa；超高壓水射流的概念則已認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目由德國DURR-Ecoclean公司承建，采用兩臺KUKA特種清洗機器人，兩臺HammelmannHDP124柱塞式高壓泵，通過PID控制系統操作250MPa的高壓水清洗車間內所有電泳滑橇（2種）以及面漆滑橇（1種），以保證車間內運行滑橇的清潔度，保障涂裝車間內生產車輛的涂裝質量。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備部門的維護下已經順利運行了接近4年，期間我們已經在清洗站順利導入了新型號的滑橇，掌握了壓力自動調節技術，針對現場機器人、高壓旋轉噴槍、高壓泵、帶式過濾機等一系列設備制作并執行了預防性維修計劃。

1.1 國內外研究狀況

我國清洗行業多年來一直處于化學和手工清洗的狀態，工業清洗目前80%是用化學方法。無論化學清洗還是人工清洗都存在著清洗成本高、效率低、污染環境等問題，遠不能滿足現代社會日益增長的工業及民用清洗要求。高壓水射流技術自20世紀80年代中期傳入我國后，在90年代中期得到迅速普及。目前，高壓水射流清洗在我國工業清洗中已超過10%，并正在迅速增長。隨著現代社會對清洗行業提出的效率、潔凈率及環保要求的不斷提高，高壓水射流清洗技術在我國的普及應用是趨勢。

研究和生產實踐表明高壓水射流清洗技術是一項可靠、經濟實用的清洗技術。與化學清洗相比，高壓水射流清洗技術具有如下優點。

（1）清洗質量好。高壓水射流切割是一種先進的冷態切割技術。切割作用所產生的熱被水帶走，這樣對工件材料無熱影響，也不會產生熱影響區。

（2）清洗效率高。由于水射流的沖刷、楔劈、剪切、磨削等復合破碎作用，可迅速將結垢物打碎脫落，比傳統的化學方法、噴砂拋丸方法、簡單機械及手工方法清洗速度快幾倍到十幾倍。同時，采用高壓水射流清洗后的部件，無需進行二次潔凈處理；而化學清洗后，則需用清水將表面的化學藥劑清洗掉。

（3）無環境污染。高壓水射流切割的介質是水，工作中不會產生塵埃、特殊氣味、氣體和火花等，而且切割過程中是清潔的、無污染的。

（4）適用范圍廣。高壓水射流具有很大的打擊力，幾乎沒有材料和切割尺寸的限制。

（5）自動化。切割設備可以利用計算機控制，實現自動化加工，可以改善操作人員工作環境，也可以減少人力的輸出。

（6）節能、省水、清洗成本低。高壓水射流使用的介質是自來水，它來源容易，普遍存在。在清洗過程中，由于能量強大，不需加任何填充物及洗滌劑即可清洗干凈，故清洗成本低，大約只有化學清洗的1/3左右。

2 滑橇清洗站簡介

MRA-II涂裝車間滑橇清洗站高壓水射流自動清洗項目采用兩臺KUKA機器人（KR210-2FExclusive2000），通過PID控制系統操作250MPa的高壓水去清洗車間內所有類型電泳滑橇（兩種）及面漆滑橇（一種），以保證在車間內運行滑橇的清潔度，有效保障涂裝車間內生產車輛的涂裝質量。

如圖1所示，滑橇清洗站緩存區（A）接收達到設定清洗圈數的滑橇，然后輸送系統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過清洗程序，直接旁通并送至滑橇離線檢測工位（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 滑橇清洗站水循環工藝流程

2.1 滑橇清洗站水循環工藝簡介

如圖2～8所示，滑橇清洗站機器人高壓旋轉噴槍的用水依次經過10μm及1μm袋式過濾器（圖9）過濾的工業水，在過濾裝置的前后裝有壓差及溫度傳感器，以防過濾袋損壞后較大顆粒進入高壓泵對泵體造成損壞。清洗滑橇后的水回流到室體回收水池，經過帶式過濾機過濾之后可用來沖洗室體，直至帶式過濾機（圖10）蓄水的池液位達到最高工作液位時，污水泵抽水到地坑，地坑中的水位達到設定的液位時，地坑泵抽水到污水站。現場水循環系統實時狀態如圖11所示。

圖9 袋式過濾器

圖10 帶式過濾機

圖11 滑橇清洗站水循環系統狀態監控Integra界面

在液壓元件特別是液壓控制閥中，對液流壓力、流量及方向的控制通常是通過一些特定的孔口實現的，它們對流過的液體形成阻力，使其產生壓力降，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器人高壓噴槍選用的噴嘴直徑為φ0.5mm，孔口流動方式為薄壁小孔，每臺機器人噴槍斷面裝有3個噴嘴（圖12），共2臺機器人，根據薄壁小孔流量公式（1）可算出該小孔每分鐘的流量，進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；Δp ——噴口直徑，m；Δp——壓強，Pa；ρ——密度，kg/m3。

根據公式（1）以及產品噴嘴的流量系數值0.7，可得出工作壓強為250MPa時每個噴嘴的流量約為5.8L/min，滑橇清洗站總流量為2.088m3/h，該數值與實際流量表計數值基本一致。

圖12 機器人高壓旋轉噴嘴

2.2 滑橇識別系統與輸送系統

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構存在的差異，在滑橇清洗站入口設置了相應的傳感器對滑橇類型進行識別（圖15），識別成功的滑橇將被傳送至清洗室體內的鏈式輸送機（圖16）上，然后機器人根據滑橇類型以及滑橇在鏈式輸送設備上的工位選擇相應的機器人程序。

圖13 電泳滑橇

圖14 面漆滑橇

圖15 滑橇識別原理圖

圖16 鏈式輸送機

圖17中分別顯示了各類型滑橇清洗的總計數、當前清洗的滑橇類型以及清洗工位，實時監測輸送系統的傳感器以及電機狀態，同時在界面中加入了各工位對應的傳感器正常狀態表，方便維修工及時判別故障。由于清洗站工作環境惡劣，滑橇的清洗工位較多（正常雙機器人清洗滑橇需停靠4個工位，單機器人降級程序清洗滑橇需停靠6個工位），當現場傳感器損壞時需花費較多時間判斷故障傳感器，所以從加快維修的角度出發，根據現場的傳感器布局情況制作了滑橇清洗室體的輸送監控系統圖。

圖17 滑橇清洗站輸送監控系統圖

2.3 滑橇清洗機器人

滑橇清洗站采用兩臺庫卡KR 210-2 F exclusive機器人。該機器人有特殊的表面處理、優質的蓋板及無腐蝕的不銹鋼組件，有效防止了水分和灰粒的侵入。機器人所有軸向電機和手臂外殼中均裝有密封空氣系統，高度可靠地防止了液體的侵入。通過對表面進行特殊處理以及密封空氣系統的使用，最大程度地保證了機器人不受噴射水、持續空氣濕度及灰粒的影響。

3 滑橇清洗站運行情況簡介

北京奔馳汽車有限公司為國內首次采用高壓水射流自動清洗技術的汽車企業，目前已清洗了面漆滑橇約15000個，電泳滑橇約8000個（清洗時間面漆滑橇約20min/個，電泳滑橇約10min/個）。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、后對比圖

為便于國內同行進一步了解高壓水射流清洗技術的特點，現將奔馳維修團隊在MRA-II涂裝車間滑橇清洗站近1年運營時遇到的問題總結如下。

（1）設備運行期間水霧大（圖19），不便于肉眼觀察。措施：針對該問題維修制作了滑橇清洗站輸送監控系統（圖17），這樣便于操作者實時監控當前清洗滑橇的類型以及滑橇所在清洗工位。

圖19 滑橇清洗站開啟前、后效果圖

（2）除滑橇外，水射流清洗室體內易被水濺射到的其他設備容易損壞（如圖20）。措施：優化機器人軌跡，定期更換輸送機護板。

圖20 滑橇清洗站設備損壞情況

（3）機器人高壓旋轉噴槍內部噴嘴經常發生破損失效情況（如圖21），導致無法達到運行壓力。措施：安裝新噴嘴之前需深度清潔噴嘴及其噴嘴托盤內部螺紋，噴嘴正常工作時噴出的水應為與噴嘴口截面垂直的一條直線，否則噴嘴安裝有問題或噴嘴口存在微裂紋缺陷；監控運行壓力，防止出現超壓運行導致噴嘴過快失效。

（4）機器人超高壓軟管壽命短，管子接頭處經常損壞（如圖22）。措施：優化機器人軌跡避免運行中管子出現拉扯或擰麻花的情況，同時可選用更耐用的新型號高壓軟管。

圖21 旋轉噴槍失效噴嘴

圖22 滑橇清洗站高壓軟管損壞情況

4 結語

目前來說，我國高壓水射流清洗技術的應用不夠廣泛，高壓水射流的核心技術落后于德、美、日等發達國家，但高壓水射流技術獨特的優點仍然值得我們進一步去研發其核心技術。除此之外，可通過優化高壓水射流清洗的工藝來提高加工速度，改善加工精度，為高壓水射流清洗的推廣應用奠定基礎，提高我國在材料清洗特別是特種材料清洗領域的加工水平，使水射流清洗技術逐漸廣泛應用于各領域，并朝著超高壓和智能化方向發展。