高壓高水基液壓閥自動(dòng)清洗設(shè)備設(shè)計(jì)

謝賽， 印明， 王清亮

（北京天地瑪珂電液控制系統(tǒng)有限公司，北京101300）

0 引 言

高壓高水基液壓閥作為液壓支架電液控制系統(tǒng)的主要組件[1]，與傳統(tǒng)的工程液壓閥相比，由于其使用介質(zhì)為水基溶液，造成產(chǎn)品問(wèn)題的諸多因素中占比較明顯的為零件清潔度未達(dá)到要求[2]，所以在產(chǎn)品裝配之前，特別強(qiáng)調(diào)對(duì)零件的去毛刺和清洗，往往要經(jīng)過(guò)諸多復(fù)雜的清洗工序。如圖1所示，目前裝配之前的粗清洗工序主要為人工操作，該清洗方法具有清洗質(zhì)量不穩(wěn)定、操作員工勞動(dòng)量大、噪聲污染嚴(yán)重、水資源浪費(fèi)嚴(yán)重等問(wèn)題。本文主要針對(duì)生產(chǎn)現(xiàn)場(chǎng)的需求開(kāi)展研究，設(shè)計(jì)了一臺(tái)自動(dòng)清洗設(shè)備，對(duì)該設(shè)備開(kāi)展清洗干燥模塊設(shè)計(jì)、工件旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)、電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)等方面研究，解決了生產(chǎn)過(guò)程中存在的問(wèn)題，滿足現(xiàn)場(chǎng)及生產(chǎn)工藝要求。

圖1 人工清洗與吹干

1 技術(shù)要求分析

本文所設(shè)計(jì)的清洗設(shè)備主要針對(duì)3種系列的高壓高水基液壓閥，其主要尺寸及相關(guān)參數(shù)如表1所示。針對(duì)上述3種系列產(chǎn)品的不同規(guī)格，該清洗設(shè)備需滿足如下技術(shù)要求：1）生產(chǎn)質(zhì)量至少達(dá)到現(xiàn)有工藝的清洗和吹干效果；2）實(shí)現(xiàn)清洗廢液收集并在過(guò)濾后重復(fù)利用，在一定運(yùn)行周期后集中排放至沉淀池，實(shí)現(xiàn)水循環(huán)利用；3）設(shè)備運(yùn)行產(chǎn)生的噪聲滿足國(guó)家技術(shù)標(biāo)準(zhǔn)要求（1 m距離噪聲測(cè)得值低于80 dB）；4）設(shè)備工藝節(jié)拍為單件8 min以內(nèi)；5）設(shè)備具備工件自動(dòng)旋轉(zhuǎn)、自動(dòng)掃描噴淋、自動(dòng)吹干的功能；6）設(shè)備水箱可自動(dòng)補(bǔ)水，具有缺水報(bào)警功能，濾網(wǎng)更換和水箱清洗便捷。

表1 清洗對(duì)象參數(shù)

2 總體技術(shù)方案

根據(jù)設(shè)計(jì)需求，本文設(shè)計(jì)了一臺(tái)具有自動(dòng)清洗干燥功能的設(shè)備，其總體結(jié)構(gòu)如圖2所示。設(shè)備上部為清洗艙，是高壓沖洗和壓縮空氣吹干的工作區(qū)域，設(shè)備下部為水箱及電器等部件安裝倉(cāng)[3]，實(shí)現(xiàn)干濕分離，設(shè)備總體尺寸（長(zhǎng)×寬×高）為1500 mm×1000 mm×2200 mm。將待清洗工件通過(guò)助力設(shè)備運(yùn)送到設(shè)備清洗艙，人工將工件固定在旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)，關(guān)好艙門(mén)后，根據(jù)產(chǎn)品選擇程序，設(shè)備執(zhí)行自動(dòng)清洗和吹干功能。設(shè)備設(shè)計(jì)有水循環(huán)收集系統(tǒng)，清洗后的清洗液通過(guò)多層收集盤(pán)式過(guò)濾網(wǎng)過(guò)濾后，儲(chǔ)存在設(shè)備下部水箱，清洗壓力泵將水箱內(nèi)的水加壓后循環(huán)用于工件的清洗。過(guò)濾網(wǎng)根據(jù)工件清洗頻率和工件來(lái)料清潔度程度定期更換，水箱需定期進(jìn)行清洗。清洗艙為全密封設(shè)計(jì)，內(nèi)部安裝有吸音棉，保證沖洗和吹干過(guò)程的噪聲滿足國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)。設(shè)備控制系統(tǒng)為可編程系統(tǒng)，根據(jù)不同產(chǎn)品輸入不同的清洗和吹干掃描范圍，可以滿足所有長(zhǎng)度的工件清洗要求。

圖2 清洗設(shè)備總體結(jié)構(gòu)

3 關(guān)鍵系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 沖洗吹干模組設(shè)計(jì)

高壓高水基液壓閥自動(dòng)清洗設(shè)備的關(guān)鍵系統(tǒng)為沖洗吹干模組的設(shè)計(jì)，該系統(tǒng)分為沖洗模組和吹干模組。如圖3所示，左側(cè)為吹干模塊，右側(cè)為沖洗模塊，兩者采用相似結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，模組主要由單軸直線導(dǎo)軌運(yùn)動(dòng)系統(tǒng)、氣動(dòng)噴頭/高壓水噴頭和防水保護(hù)裝置等組成。系統(tǒng)能夠?qū)崿F(xiàn)按照既定程序?qū)α慵M(jìn)行上下掃描清洗和吹干。系統(tǒng)采用柔性化設(shè)計(jì)，可以根據(jù)不同規(guī)格的閥體選擇不同的掃描工作長(zhǎng)度。

沖洗吹干模組的設(shè)計(jì)關(guān)鍵為直線導(dǎo)軌模塊和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)的設(shè)計(jì)，本系統(tǒng)綜合考慮模組行程、速度和負(fù)載，直線導(dǎo)軌模組選擇KK8610C-740A1-F0BS1，設(shè)計(jì)參數(shù)如表2所示。

圖3 沖洗模組與吹干模組

表2 模組參數(shù)表

其中，S為安全系數(shù)，本文取2。

根據(jù)負(fù)載轉(zhuǎn)矩計(jì)算結(jié)果，本文選用雷賽57系列步進(jìn)電動(dòng)機(jī)，啟動(dòng)轉(zhuǎn)矩為2.1 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.2 工件旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)設(shè)計(jì)

為保證工件各個(gè)面都能滿足清洗和吹干工藝要求，工件在清洗和吹干過(guò)程中需始終保持旋轉(zhuǎn)狀態(tài)。本文設(shè)計(jì)了一套轉(zhuǎn)盤(pán)工件旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)，系統(tǒng)由軸承固定座、轉(zhuǎn)盤(pán)底座、旋轉(zhuǎn)固定上板、快速夾緊機(jī)構(gòu)等組成，動(dòng)力源設(shè)計(jì)采用單相220 V標(biāo)準(zhǔn)電動(dòng)機(jī)進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。系統(tǒng)設(shè)計(jì)4道防水密封結(jié)構(gòu)，實(shí)現(xiàn)電動(dòng)機(jī)與清洗空間的隔離，工件旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)按設(shè)計(jì)技術(shù)要求負(fù)載大于等于50 kg。另外，系統(tǒng)底部設(shè)計(jì)有噴嘴，清洗液通過(guò)中轉(zhuǎn)配液板進(jìn)入噴嘴，實(shí)現(xiàn)對(duì)工件底部的高壓清洗。通過(guò)快速夾實(shí)現(xiàn)工件快速夾緊拆卸，閉合壓力可達(dá)900 N，保證在沖洗過(guò)程中工件不會(huì)發(fā)生傾覆。旋轉(zhuǎn)盤(pán)下部設(shè)計(jì)有不銹鋼牛眼輪，降低旋轉(zhuǎn)過(guò)程產(chǎn)生的摩擦力，保證旋轉(zhuǎn)盤(pán)運(yùn)行平穩(wěn)順暢。

圖4 工件旋轉(zhuǎn)夾緊系統(tǒng)

該系統(tǒng)需根據(jù)表3所示的負(fù)載和工件運(yùn)動(dòng)情況，計(jì)算旋轉(zhuǎn)電動(dòng)機(jī)的功率。

轉(zhuǎn)盤(pán)夾具系統(tǒng)轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

負(fù)載總轉(zhuǎn)動(dòng)慣量

表3 轉(zhuǎn)盤(pán)夾緊機(jī)構(gòu)參數(shù)

根據(jù)電動(dòng)機(jī)功率計(jì)算結(jié)果，本文選用精研90YS60DV22，輸出功率為60 W，額定轉(zhuǎn)矩為0.5 N·m，滿足設(shè)計(jì)要求。

3.3 過(guò)濾系統(tǒng)設(shè)計(jì)

在液壓閥清洗中常用的過(guò)濾系統(tǒng)為管狀濾芯[4]，此種濾芯具有過(guò)濾精度高、過(guò)濾效果好的特點(diǎn)，但同時(shí)具有更換頻繁、成本高的缺點(diǎn)。本文根據(jù)清洗工藝技術(shù)要求，由于清洗后清洗液無(wú)壓力，所以設(shè)計(jì)了一種盤(pán)式過(guò)濾系統(tǒng)。如圖5所示，該過(guò)濾系統(tǒng)由3層過(guò)濾盤(pán)組成，分別裝有80目、200目和500目的濾網(wǎng)。閥體清洗完成后的清洗液，自然流動(dòng)到過(guò)濾系統(tǒng)，通過(guò)上面設(shè)計(jì)的3層過(guò)濾網(wǎng)分別將水中的鐵屑、雜質(zhì)、油污等進(jìn)行過(guò)濾。80目過(guò)濾系統(tǒng)位于最上層，需要經(jīng)常進(jìn)行清洗更換，以免鐵屑堵塞，造成過(guò)濾效果不佳，本過(guò)濾系統(tǒng)考慮采用盤(pán)式設(shè)計(jì)主要是為了更換方便和降低成本。通過(guò)實(shí)踐證明，該套過(guò)濾系統(tǒng)可以達(dá)到50 μm的清潔度要求。

圖5 盤(pán)式過(guò)濾系統(tǒng)

3.4 電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)

1）設(shè)計(jì)原則。設(shè)備電控系統(tǒng)設(shè)計(jì)遵循“安全、穩(wěn)定和易操作易維護(hù)”原則，主要設(shè)計(jì)要點(diǎn)如下：a.安全操作設(shè)計(jì)。關(guān)閉設(shè)備艙門(mén)，傳感器反饋艙門(mén)關(guān)閉到位信號(hào)，點(diǎn)擊設(shè)備啟動(dòng)按鈕，自鎖艙門(mén)，設(shè)備啟動(dòng)運(yùn)行后，運(yùn)行過(guò)程中艙門(mén)無(wú)法打開(kāi)，若艙門(mén)關(guān)閉到位信號(hào)丟失，則斷開(kāi)設(shè)備運(yùn)行使能電路，設(shè)備停止運(yùn)行。b.防水設(shè)計(jì)。依據(jù)設(shè)備運(yùn)行環(huán)境特點(diǎn)，涉水部件達(dá)到IP65等級(jí)，HMI部分采用懸臂式結(jié)構(gòu)，分離操作箱與設(shè)備主體連接；設(shè)備采用多點(diǎn)接地連接，確保設(shè)備本體安全；電控箱采用下進(jìn)線設(shè)計(jì)，避免水流入，電控柜內(nèi)設(shè)計(jì)濕度控制系統(tǒng)，滿足電器元件的運(yùn)行濕度條件。c.穩(wěn)定性設(shè)計(jì)。電控系統(tǒng)核心部件采用市場(chǎng)成熟產(chǎn)品，主要包括施耐德電氣元件、西門(mén)子S7-1200PLC、威綸通觸摸屏、雷賽步進(jìn)電動(dòng)機(jī)及驅(qū)動(dòng)器。d.一鍵初始化功能設(shè)計(jì)。設(shè)備無(wú)故障時(shí)，通過(guò)一鍵初始化功能按鈕，可以使設(shè)備自動(dòng)運(yùn)行至初始位。e.一鍵啟動(dòng)功能。HMI存儲(chǔ)工作配方，操作員根據(jù)加工件尺寸選擇配方，點(diǎn)擊啟動(dòng)按鈕，設(shè)備自動(dòng)鎖緊艙門(mén)，開(kāi)始沖洗、吹掃過(guò)程，清洗完成后打開(kāi)艙門(mén)，系統(tǒng)提示更換工件。f.報(bào)警功能。設(shè)備故障時(shí)，HMI顯示故障信息，準(zhǔn)確提示故障信息和故障原因。

2）系統(tǒng)設(shè)計(jì)方案。電控系統(tǒng)總體設(shè)計(jì)系統(tǒng)結(jié)構(gòu)如圖6所示，人機(jī)界面與PLC進(jìn)行Profinet通信，下發(fā)配方、啟停指令，顯示設(shè)備運(yùn)行信息；可編程邏輯控制器采用西門(mén)子S7-1200系列，接收HMI控制指令、設(shè)備狀態(tài)信號(hào)，經(jīng)邏輯運(yùn)算后分析機(jī)組狀態(tài)信息，輸出控制指令；執(zhí)行系統(tǒng)包括吹掃設(shè)備電磁閥和步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、旋轉(zhuǎn)設(shè)備電動(dòng)機(jī)、清洗設(shè)備步進(jìn)電動(dòng)機(jī)、清洗泵；信號(hào)反饋包括步進(jìn)電動(dòng)機(jī)限位開(kāi)關(guān)信號(hào)、清洗泵及電磁閥運(yùn)行反饋信號(hào)、液位信號(hào)、艙門(mén)關(guān)閉到位信號(hào)等。

4 結(jié)論與展望

圖6 電控系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

通過(guò)對(duì)自動(dòng)清洗設(shè)備的需求分析、總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及詳細(xì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，該設(shè)備現(xiàn)場(chǎng)運(yùn)用已證明滿足高壓高水基液壓閥粗清洗技術(shù)要求，減少了一名操作工人。對(duì)于高壓高水基液壓閥清潔度控制技術(shù)，該設(shè)備粗清洗是基礎(chǔ)工序，后續(xù)在該設(shè)備的基礎(chǔ)上將在以下幾個(gè)方面進(jìn)行研究：

1）自動(dòng)化方面。該設(shè)備的工件上料為人工通過(guò)助力設(shè)施進(jìn)行上料夾緊，后續(xù)將研究通過(guò)六軸機(jī)器人或行架機(jī)械手進(jìn)行上下料及多臺(tái)套設(shè)備的工作站建立，進(jìn)一步提高工作效率。

2）清洗壓力方面。該設(shè)備的清洗壓力為常規(guī)壓力，并在實(shí)際應(yīng)用過(guò)程中發(fā)現(xiàn)有一定的壓力損失，后續(xù)將研究更高清洗壓力，以提高清洗效果[5]。

3）清洗工藝方面。該設(shè)備的清洗工藝為高壓掃描清洗，對(duì)于深孔或者細(xì)孔清洗有一定的局限性，后續(xù)將開(kāi)展定點(diǎn)清洗技術(shù)研究[6]，調(diào)整清洗工藝參數(shù)，針對(duì)深孔和細(xì)孔進(jìn)行定點(diǎn)定量清洗，解決設(shè)備僅可滿足粗清洗的功能局限。