超聲波技術在AF4設備增塑劑系統清潔中的應用*

俞裕波，蘇小燕

（1.廈門卷煙廠，福建 廈門 361000；2.廈門興才職業技術學院，福建 廈門 361000）

增塑劑系統的作用是使絲束在松弛區內噴上霧化的增塑劑，絲束纖維的表面被溶解并在噴涂點連成網狀，由此得到一個硬固的濾嘴結構。未被噴涂到的濾嘴被追蹤到濾嘴轉交位置然后被剔除[1]。

1 AF4增塑劑系統的工作原理

設備啟動時，當KDF所有必需的信號已經存在（濾嘴條切斷器關閉，SCP節拍脈沖）時，噴涂工序即可開始[2]。增塑劑泵在電機M207驅動下以恒定轉速運轉，將增塑劑箱內的增塑劑經過過濾后抽吸上來，經過壓力傳感器后通過分油塊將增塑劑均勻分配給7個噴嘴，由此在噴嘴處生成壓力形成霧化效果。噴嘴壓力隨著泵的轉速成比例地變化[3]。壓力通過壓力傳感器監測，避免管道堵塞、增塑劑不足引起的質量問題，正常情況下噴嘴的壓力為10 bar。壓力實際值將在報告維修服務AF/噴涂中的VISU系統中顯示在噴灑室內。增塑劑的噴涂量是通過噴灑室蓋上的閘門開口大小來決定的[4]。閘門的開度是由增塑劑的噴涂量和KDF的濾嘴條速度計算得出的。另外，為了保證良好的霧化效果，噴嘴噴涂有一個內部溫度調節功能，每個噴嘴單獨加熱[5]。運行時所有7個噴嘴都由一個恒溫器監控，并通過加熱器相應地調節溫度。如果噴嘴溫度過低，則所有7個噴嘴的加熱器接通。如果某個恒溫器關閉，而噴嘴已達到其溫度，則所有7個噴嘴的加熱器關閉[6]。如圖1所示。

圖1 增塑劑系統結構圖

2 增塑劑系統管路的堵塞造成增塑劑霧化不良，引起濾棒產生膠孔質量缺陷

增塑劑的作用是使濾棒達到一定的硬度，目前廈門卷煙廠使用的增塑劑為三醋酸甘油酯。通過增塑劑施加裝置將增塑劑均勻地噴灑在絲束帶上，單絲表面會形成不均勻、間斷的黏性流層，然后逐步擴散到絲束纖維結合點上，最后使得濾棒內成千上萬根單絲通過一個個結合點粘連在一起，并固化，最終形成符合生產標準的濾棒[7]。但是當單位面積施加超量的增塑劑時，增塑劑首先軟化絲束表面并且緩慢地向絲束內部滲透，逐步擴大到絲束的其他區域，隨著增塑劑的更進一步滲透，整根絲束形成黏性流層，絲束數量越多，溶洞體積越大。濾棒在固化一定時間后，增塑劑融化絲束后形成的溶洞稱為膠孔[8]。

因此，計量泵按照車速輸送定量增塑劑，當增塑劑系統管道堵塞的時候，增塑劑在噴出時不能很好地形成霧狀，增塑劑呈滴狀或水柱狀噴出，且噴出角度小，集中在很小的范圍內，接觸到增塑劑的絲束部分增塑劑量太大，膠孔濾棒大量出現。因此，操作者需要定期對增塑劑系統進行清潔保養，減少管道堵塞的問題[9]。通過對增塑劑系統的工作原理進行分析，增塑劑系統增塑劑輸送過程包含過濾器、壓力傳感器、進油管、分油塊、增塑劑加熱器、增塑劑噴嘴和回油管。增塑劑是無色油狀液體，且在制備的過程中含有雜質，像壓力傳感器、進油管、分油塊和回油管這些孔徑較大的通道，增塑劑很難出現堵塞問題。主要是過濾網、增塑劑加熱器和增塑劑噴嘴，這些結構是致密小孔，當設備停止運行時，增塑劑黏附在小孔內側壁上，絲束飛花和增塑劑內的雜質等形成表面污垢，需要定期進行清潔。正常的浸泡、氣槍吹洗都很難將零件內孔內側壁的污垢清洗干凈。因此，操作者需要花費很大的成本對堵塞的零件進行更換，造成了極大的浪費。研究表明，超聲波清洗技術對于縫隙和微小孔都有很高的清洗作用，本研究希望能將超聲波技術應用到增塑劑系統清洗工藝上。

3 超聲波清洗技術在AF設備增塑劑系統清洗工藝上的應用

3.1 超聲波清洗技術的工作原理

超聲波的頻率高于20 000 Hz，是人的耳朵不能聽到的聲音。它的波長較短，近似于直線傳播，且能量容易集中，因此能引起劇烈振動，產生許多特殊效應。而超聲波清洗機就是利用超聲波的空化作用，由于超聲波頻率高、能量大，在液體中傳播時容易形成很多小空腔，這些小空腔在收縮的過程中，產生巨大的壓強差，從而產生巨大的熱能，形成局部的強壓力，從而實現液體的變化。因此， 通過超聲空化作用產生的巨大壓力能破壞不溶性污垢，使其分化為溶液[10]。另外，氣泡破裂時形成的射流所產生的微流化效應能，破壞污物，除去或削弱邊界污層，使污物很好地與水基溶劑相結合，代替危險的鹵代烴，為清洗物表面提供了更清潔的溶劑。而清洗困難的零件內部的致密小孔又細又長，通過浸泡和氣槍清洗的話，孔內壁與液體和氣體碰撞的能量不斷減弱，很難將孔內壁的污垢清洗干凈，而超聲波清洗就不一樣了，可以利用超聲波的空化作用來去除油污，達到疏通管道的目的[11-14]。

因此，根據清洗零配件的尺寸，本研究選用一款內槽尺寸為330*150*100的超聲波清洗機。

3.2 超聲波清洗的工藝參數分析

超聲波清洗主要依賴于超聲波空化。為保證超聲波清洗效果，必須選擇合適的超聲振動頻率、清洗液的種類和溫度。

第一，超聲振動頻率。一般來說，超聲波清洗的振動頻率需要控制在20 kHz~80 kHz。頻率越低，空化的作用越好，清潔的效果也就越好。因此，為了保證清潔的效果，選用頻率為40 kHz、功率為360 W的超聲波電源，采用雙頻和多頻，以避免清洗盲區。

第二，清洗溫度和清洗液的選擇。溫度的升高能夠強化清洗液的活性，降低污物的表面張力，增強清洗效果。但是并不是溫度越高越好，需要根據清洗液的實際情況進行選擇。例如，水基清洗液的最佳溫度在35 ℃~60 ℃。三醋酸甘油酯為無色油狀液體。熔點3 ℃，沸點258 ℃~259 ℃，能與乙醇、乙醚、氯仿和苯混溶，微溶于水和二硫化碳，25 ℃時在水中溶解度為5.9 g/100 mL。綜上所述，根據三醋酸甘油酯的性質和零件特性進行選擇。首先，對噴嘴加熱器組件的清洗溫度和清洗液進行選擇。噴嘴加熱器組件上有電子元件，在清洗的過程中需要避免電子元件接觸到水，而且加熱溫度不能過高，防止水汽跑到電子元件內部。因此，選用乙醇清洗液，清洗溫度25 ℃。其次，對過濾器的清洗溫度和清洗液進行選擇，過濾器內通過膠水進行黏合固定，過高的溫度會產生脫膠現象，溫度不宜過高。過濾器是網狀結構，孔隙較大。因此選擇水基清洗液，溫度50 ℃。最后，對增塑劑噴嘴清洗的溫度和清洗液進行選擇，增塑劑噴嘴是金屬零件，不易損壞。選擇水基清洗液，溫度60 ℃。

3.3 在設定工藝參數下，清洗過濾網、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器

為了準確地測定超聲波清洗對過濾網、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器的使用價值，采用模擬實驗的方式，將實驗分成三組。分別對過濾網、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器的清洗效果進行論證。清洗的時間設定為1個小時。

1）實驗一：對噴嘴加熱器的清洗效果進行論證。

將之前堵塞的廢棄的噴嘴加熱器分成兩組，重新安裝到設備上，當設備運行時，管道內的壓力傳感器將檢測到的數值顯示在VISU控制面板上。通過面板可以觀測到檢測到的壓力為16 MPa（標準值10 MPa），超過設備的報警線，設備無法運行，說明噴嘴加熱器內孔堵塞。

方法一：首先使用熱水浸泡4個小時，然后使用氣槍對噴嘴加熱器小孔進行二次清潔，清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，管道內的壓力傳感器檢測到的壓力還是16 MPa，且增塑劑噴灑呈柱狀，沒有達到清洗效果。

方法二：將噴嘴加熱器組件固定在籃子上，避免噴嘴加熱器在清洗時晃動，導致噴嘴加熱器的加熱組件浸潤到液體中，引起電子元件短路。將乙醇清洗液倒入，注意清洗液不要碰到電子元件，按設定好的溫度進行清洗。清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，通過面板可以觀測到檢測到的壓力為10 MPa，增塑劑噴灑呈霧狀，清洗效果明顯。

2）實驗二：對增塑劑噴嘴的清洗效果進行論證。

將之前堵塞的廢棄的增塑劑噴嘴分成兩組，安裝到設備上，當設備運行時，管道內的壓力傳感器將檢測到的數值顯示在VISU控制面板上。通過面板可以觀測到檢測到的壓力為13 MPa（標準值10 MPa），且增塑劑噴灑呈柱狀，說明增塑劑噴嘴內孔堵塞。

方法一：首先使用熱水浸泡4個小時，然后使用氣槍對噴嘴小孔進行二次清潔，清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，通過面板可以觀測到檢測到的壓力為12 MPa，且增塑劑噴灑呈柱狀，清洗效果沒有達到要求。

方法二：將增塑劑噴嘴放在籃子內，倒入水，按設定好的溫度60 ℃進行清洗。清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，管道內的壓力傳感器檢測到的壓力為10 MPa，且增塑劑噴灑恢復霧狀，清洗效果明顯。

3）實驗三：對過濾器的清洗效果進行論證。

將之前堵塞的廢棄的過濾器安裝到設備上，當設備運行時，由于過濾器堵塞，導致管道內的流量變小，面板上顯示的壓力傳感器檢測到的壓力為8 MPa（標準值10 MPa），且增塑劑噴灑角度變小。說明過濾器堵塞造成通道內增塑劑供給壓力不足，造成噴灑壓力不足，需要對過濾器進行清洗。

方法一：由于過濾器使用膠水黏合，使用熱水清潔會導致脫膠。因此，使用清水浸泡1天后，通過氣槍對過濾網進行二次清潔。清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，管道內的壓力傳感器檢測到的壓力為9 MPa，且增塑劑噴灑角度變小，清洗效果沒有達到要求。

方法二：將過濾器放在籃子內，倒入水，按設定好的溫度50 ℃進行清洗，清洗完后安裝到設備上。再次運行設備，管道內的壓力傳感器檢測到的壓力為10 MPa。增塑劑噴灑角度恢復正常，清洗效果明顯。

4 總結

通過實驗數據得到超聲波清洗技術很好地解決了增塑劑系統的過濾網、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器清洗困難的問題。采用超聲波清洗技術不僅方便了設備的維保清潔，延長了零件的使用壽命，而且還降低了維修的費用，值得推廣。