碳氢清洗技术在轴承行业中的应用

2010-07-25刘宏伟王连吉李兴林王续跃

轴承 2010年7期

刘宏伟，王连吉，李兴林，王续跃

（1.大连理工大学机械工程学院，辽宁大连 116024；2.杭州轴承试验研究中心有限公司，杭州 310022）

长期以来，汽油、煤油和水基清洗剂作为传统的清洗剂，广泛应用于轴承行业。但是随着制造业的迅速发展，对轴承寿命、振动、噪声的要求越来越高，传统的清洗剂和清洗技术已难以满足精密轴承清洗的质量要求。

碳氢清洗剂的出现和碳氢清洗技术的发展很好地弥补了传统清洗剂的不足。在日本，碳氢清洗剂广泛应用于工业清洗中，以碳氢溶剂作为清洗剂已成为日本清洗行业的主流［1-2］。欧美各国也早已积极采用碳氢清洗技术，用于精密和超精密机械产品的清洗。我国引入碳氢清洗技术较晚，尤其是在轴承行业，碳氢清洗技术的应用较少，对碳氢清洗的工艺、清洗能力和优势缺乏足够的了解。下文对碳氢清洗剂同传统轴承清洗剂进行了比较，阐述了碳氢清洗剂的特点、清洗力、工艺以及设备的典型应用，为轴承行业了解和使用碳氢清洗剂提供参考。

1 传统轴承清洗剂与碳氢清洗剂的对比

传统轴承清洗剂有汽油、煤油、水基清洗剂等。汽油的清洗效果较好，清洗后的轴承容易干燥，但其易挥发、极易燃烧，危险性较大，对人体和环境的危害也较为严重；煤油安全性较高，清洗性能不如汽油，不是专用清洗剂，成分复杂、闪点在42℃左右，干燥时间较长；水基清洗剂对有机污物的清洗效果较差，清洗后容易有活性剂残留在轴承表面，不易干燥，防锈性能不好，所以在清洗轴承成品时一般不采用水基清洗剂。

碳氢清洗剂同汽油、煤油同属烃类清洗剂，广义角度讲，三者均属有机化合物中的碳氢化合物。碳氢清洗剂主要成分为高纯度烷烃［3］，是石油经精馏塔蒸馏出来的更适合于清洗的成分，然后再经过加氢，脱硫、脱芳烃等工艺处理得到饱和烷烃，再复配以稳定剂等制备而成。碳氢清洗剂去除油脂能力强，清洗效果、干燥效率大大优于煤油和水基清洗剂；其闪点在42～80℃，不易挥发，安全性高，是较为理想的清洗剂。传统轴承清洗剂与碳氢清洗剂的性能对比如表1所示［4-5］。

表1 多种清洗剂的部分性能对比

2 碳氢清洗剂特点及清洗能力

2.1 主要特点［1，6］

（1）清洗性能好。碳氢清洗剂与大多数防锈油、机加工油等油脂同为非极性的石油馏分，碳氢清洗剂清洗这类矿物油效果较好。

（2）沸点高（150～190℃），自然状态下蒸发损失量小，对包装和设备的密封要求不高。

（3）干燥后无残留。碳氢清洗剂是非常纯净的精制溶剂，干燥时可完全挥发，没有任何残留。

（4）无毒。碳氢清洗剂的吸入毒性、经口毒性和皮肤接触毒性均为低毒，且不属于致癌物质，安全性高。

（5）材料相容性好。碳氢清洗剂中不含水分和氯、硫等腐蚀物，对各种金属材料不会产生腐蚀和氧化。

（6）黏度低，表面张力小。碳氢清洗剂的浸渍效果特别好，很容易浸渍到被洗工件的狭小缝隙中。清洗轴承时，不存在浸渍死角。

（7）环保。碳氢清洗剂可以自然降解，也可以回收利用或焚烧，焚烧的主要生成物为CO2和水，无污染。

尽管碳氢清洗剂有诸多优点，但其沸点高而闪点低（40～80℃），属于易燃物品。沸点高，其在自然状态下干燥性不如传统的卤代烃溶剂，需要干燥装置；闪点低，需在清洗、干燥和蒸馏再生中采取消防措施；若采用超声波清洗，必须加装冷却水装置，以防碳氢液温度过高。为克服这些缺点，更好地利用碳氢清洗剂，需要改进工艺装备，这也增大了清洗设备的一次性投入成本。

2.2 清洗能力

轴承零件在机械加工、热处理及装配过程中，其表面附有许多无机和有机污物［7］，主要污染物包括机加工冷却液、热处理油、切屑及灰尘等。污物比较复杂，要求碳氢清洗剂与污物的各种组分具有良好的相容性。石油类碳氢化合物为脂肪族烃（石蜡）、脂肪族烃（环烷）及芳香族烃（芳烃）的混合物。矿物油等组分容易溶解在脂肪族烃中；当污物中含有不易溶于碳氢化合物的水溶性化合物时，可用酒精类进行溶解；芳香族烃虽然溶解能力强，但气味大、缺乏安全性，所以现用的碳氢清洗剂中一般不含芳香族烃。

碳氢清洗剂清洗性能的衡量指标有［2］：

（1）苯胺点。衡量石油类碳氢清洗剂对极性有机物的溶解能力，苯胺点越低表示溶剂对极性有机物溶解能力越强。

（2）KB值。是对树脂类物质溶解力的性能指标，KB值越大说明溶剂溶解树脂的能力越强。但KB值对油性污垢的清洗能力并无直接关系。

（3）溶解度参数SP值。SP值可表示为：

式中：ΔE为蒸发能；V为摩尔体积。SP值相近的物质具有相近的凝集能，因而易于互相溶解，一般碳氢清洗剂的SP值为7～8，此值因与机械加工油、润滑油等的SP值相近，因此易于将加工后残留的油污溶解，并且具有很高的清洗能力，因此，碳氢清洗剂对清洗轴承极为有利。

碳氢清洗剂具体清洗能力如图1所示。由图1可知，用碳氢清洗剂清洗轴承，其表面的机加工冷却液、热处理油等均会被碳氢清洗剂很好地溶解，而尘埃、切屑等不溶组分也失去了黏附能力，很容易被清洗掉。

图1 碳氢清洗剂清洗能力

3 碳氢清洗的工艺

3.1 常规清洗

常规清洗方式包括超声波清洗、喷淋清洗、漂洗等。

3.1.1 超声清洗及真空脱气工艺

目前超声波清洗技术已经广泛应用于轴承行业，超声波在清洗液中传播时会产生正负交变声压，冲击清洗件；非线性效应产生声流和微声流；超声空化在固体和液体界面上会产生高速微射流。所有这些作用能够破坏污物，除去或削弱边界层，增加搅拌、扩散作用，加速可溶性污物的溶解［1］。但是当碳氢清洗剂中残存气体较多时，由于超声波在空气中传播衰减很快，气泡的存在会增加超声传播损失。另一方面，液体中残存气体越多，空化阈值就越小，越容易发生空穴，但随着空化泡生长过程中扩散到泡中的气体增加，在空化泡崩溃时会降低冲击波的强度，从而削弱超声波清洗作用。因此，通过对封闭的超声波清洗工位储液槽抽真空，使储液槽内的气压降低，残存在清洗液内部的气体大量析出，以强化超声波的清洗作用。所以碳氢清洗设备一般配备有真空脱气装置，真空脱气的真空度约为-0.06～-0.04 MPa。

3.1.2 喷淋清洗、漂洗等工艺

常规的清洗工艺，一般是在经过超声波清洗后进行喷淋清洗或者漂洗。因为超声波清洗后，有些污物虽然在超声空化的作用下已经松软和浮化，但仍然附着在轴承表面，所以需要经过喷淋冲洗将附着在零件表面的污物清除。如果对轴承的洁净度要求较低，也可不用超声波清洗而直接选用喷淋清洗。所以喷淋清洗可以作为单独工序也可作为超声清洗后续工序进行选择使用。

漂洗实质上是对残留在轴承表面的污染清洗介质进行稀释。轴承从清洗槽里取出来之前，实质上是处在已经污染的清洗剂当中，取出之后，表面必然会带出或残留有污染的清洗介质，需通过漂洗去除。因此，漂洗一般不会单独使用，而是作为清洗后的工序进行选择使用。

3.2 真空状态下的碳氢清洗

真空状态下的超声波清洗、漂洗等工艺对轴承的清洗经济性不好，应用较多的还是气相清洗。

3.2.1 气相清洗与真空干燥工艺

碳氢液的气相清洗是对清洗槽不断通碳氢蒸气，碳氢蒸气温度较高，遇到温度低的轴承时产生相变，碳氢蒸气因相变产生的热量使轴承温度升高。由于不断地提供碳氢蒸气，轴承和碳氢液的温度不断升高，碳氢液对污垢的溶解力也随温度的升高而不断增强，而且总是洁净的碳氢液在进行气相清洗，所以一般经过气相清洗后的轴承洁净度会达到很高的水平；并且气相清洗在真空槽内进行，隔绝了氧气，安全系数高。

气相清洗同真空干燥在同一槽内进行，对轴承进行气相清洗的过程，同时也是对轴承加热的过程，气相清洗在低真空状态下进行，根据清洗轴承类型的不同，清洗到达一定时间后，停止对干燥槽通碳氢蒸气，排出槽内液体，然后对干燥槽抽高真空，干燥槽内的真空度急剧下降，而温度却依然较高，残留的碳氢清洗剂便会在瞬间进入崩沸状态，成为碳氢蒸气被真空泵吸走，从而实现轴承的完全干燥。

3.2.2 碳氢液蒸馏工艺

碳氢蒸气一般由蒸馏机蒸馏产生，在常压状态下，碳氢清洗剂的沸点比较高（150～190℃），但是如果对密闭的储液槽抽真空，碳氢清洗剂的沸点会显著降低。真空泵将蒸馏罐内的压力降到10 mmHg时，将碳氢清洗剂加热到80℃左右其便会崩沸而产生大量蒸气。一部分碳氢蒸气可用于气相清洗，其余的碳氢蒸气可以通过冷却系统，使之冷凝后重复使用，而沸点高的油污和杂质则存留在蒸馏装置内，定期清理即可。用于气相清洗的碳氢蒸气，也可通过真空泵抽入到气液分离装置进行冷凝后重复使用，从而实现绿色清洗。

4 碳氢清洗设备分类及典型应用

4.1 设备的分类

轴承碳氢清洗设备依据分类方法不同有多种类型：按被清洗物不同，可分为轴承零件清洗机和轴承成品清洗机；按被清洗轴承成品及零部件的外径不同，可分为小型轴承清洗机、中型轴承清洗机和大型轴承清洗机；按清洗方式不同，可分为通过式清洗机、一体式清洗机、多槽式清洗机和组合式清洗机。

4.2 典型应用

4.2.1 通过式碳氢清洗设备

通过式清洗目前在轴承清洗行业中应用较为普遍，常用输送链、辊子、气动或液压输送以及机械手输送等，进行流水线式清洗作业。此类清洗设备的应用非常灵活，可以根据轴承被清洗污物的多少及种类确定不同的清洗工艺，清洗效率较高，适合用于大批量生产，但设备占地面积较大。

气动装置输送轴承的通过式清洗机的清洗工艺为：退磁→粗喷淋→超声波清洗→精喷淋→空气吹干→热风烘干［8］。而新研制的通过式清洗机，其采用输送链带动轴承通过清洗机，清洗工艺为：退磁→超声波清洗→粗喷淋→精喷淋→空气吹干→下料。

4.2.2 多槽式碳氢清洗设备

为应对风电轴承对洁净度的更高要求，发挥碳氢清洗剂气相清洗和真空干燥的优势，研制了三槽式真空干燥清洗机，专门用于风电轴承的清洗。该设备采用超声清洗→摇动漂洗→真空干燥的清洗工艺。超声清洗采用真空脱气技术，对超声清洗储液槽进行脱气处理，减少清洗液中气体含量，增强超声清洗的效果；本机接蒸馏机，对碳氢清洗液进行蒸馏，完成气相清洗和真空干燥，实时蒸馏清洗液又可循环使用。