超聲波技術(shù)在AF4設(shè)備增塑劑系統(tǒng)清潔中的應(yīng)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(yè)技術(shù)學(xué)院，福建 廈門 361000）

增塑劑系統(tǒng)的作用是使絲束在松弛區(qū)內(nèi)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(wǎng)狀，由此得到一個硬固的濾嘴結(jié)構(gòu)。未被噴涂到的濾嘴被追蹤到濾嘴轉(zhuǎn)交位置然后被剔除[1]。

1 AF4增塑劑系統(tǒng)的工作原理

設(shè)備啟動時，當(dāng)KDF所有必需的信號已經(jīng)存在（濾嘴條切斷器關(guān)閉，SCP節(jié)拍脈沖）時，噴涂工序即可開始[2]。增塑劑泵在電機(jī)M207驅(qū)動下以恒定轉(zhuǎn)速運轉(zhuǎn)，將增塑劑箱內(nèi)的增塑劑經(jīng)過過濾后抽吸上來，經(jīng)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(zhuǎn)速成比例地變化[3]。壓力通過壓力傳感器監(jiān)測，避免管道堵塞、增塑劑不足引起的質(zhì)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(wù)AF/噴涂中的VISU系統(tǒng)中顯示在噴灑室內(nèi)。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(nèi)部溫度調(diào)節(jié)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(jiān)控，并通過加熱器相應(yīng)地調(diào)節(jié)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(guān)閉，而噴嘴已達(dá)到其溫度，則所有7個噴嘴的加熱器關(guān)閉[6]。如圖1所示。

圖1 增塑劑系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

2 增塑劑系統(tǒng)管路的堵塞造成增塑劑霧化不良，引起濾棒產(chǎn)生膠孔質(zhì)量缺陷

增塑劑的作用是使濾棒達(dá)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(kuò)散到絲束纖維結(jié)合點上，最后使得濾棒內(nèi)成千上萬根單絲通過一個個結(jié)合點粘連在一起，并固化，最終形成符合生產(chǎn)標(biāo)準(zhǔn)的濾棒[7]。但是當(dāng)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(nèi)部滲透，逐步擴(kuò)大到絲束的其他區(qū)域，隨著增塑劑的更進(jìn)一步滲透，整根絲束形成黏性流層，絲束數(shù)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(dāng)增塑劑系統(tǒng)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(nèi)，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(xiàn)。因此，操作者需要定期對增塑劑系統(tǒng)進(jìn)行清潔保養(yǎng)，減少管道堵塞的問題[9]。通過對增塑劑系統(tǒng)的工作原理進(jìn)行分析，增塑劑系統(tǒng)增塑劑輸送過程包含過濾器、壓力傳感器、進(jìn)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(zhì)，像壓力傳感器、進(jìn)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(xiàn)堵塞問題。主要是過濾網(wǎng)、增塑劑加熱器和增塑劑噴嘴，這些結(jié)構(gòu)是致密小孔，當(dāng)設(shè)備停止運行時，增塑劑黏附在小孔內(nèi)側(cè)壁上，絲束飛花和增塑劑內(nèi)的雜質(zhì)等形成表面污垢，需要定期進(jìn)行清潔。正常的浸泡、氣槍吹洗都很難將零件內(nèi)孔內(nèi)側(cè)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(jìn)行更換，造成了極大的浪費。研究表明，超聲波清洗技術(shù)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(shù)應(yīng)用到增塑劑系統(tǒng)清洗工藝上。

3 超聲波清洗技術(shù)在AF設(shè)備增塑劑系統(tǒng)清洗工藝上的應(yīng)用

3.1 超聲波清洗技術(shù)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(chǎn)生許多特殊效應(yīng)。而超聲波清洗機(jī)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(chǎn)生巨大的壓強(qiáng)差，從而產(chǎn)生巨大的熱能，形成局部的強(qiáng)壓力，從而實現(xiàn)液體的變化。因此， 通過超聲空化作用產(chǎn)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(chǎn)生的微流化效應(yīng)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(jié)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(nèi)部的致密小孔又細(xì)又長，通過浸泡和氣槍清洗的話，孔內(nèi)壁與液體和氣體碰撞的能量不斷減弱，很難將孔內(nèi)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(dá)到疏通管道的目的[11-14]。

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

3.2 超聲波清洗的工藝參數(shù)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(qū)。

第二，清洗溫度和清洗液的選擇。溫度的升高能夠強(qiáng)化清洗液的活性，降低污物的表面張力，增強(qiáng)清洗效果。但是并不是溫度越高越好，需要根據(jù)清洗液的實際情況進(jìn)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(jù)三醋酸甘油酯的性質(zhì)和零件特性進(jìn)行選擇。首先，對噴嘴加熱器組件的清洗溫度和清洗液進(jìn)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(nèi)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(jìn)行選擇，過濾器內(nèi)通過膠水進(jìn)行黏合固定，過高的溫度會產(chǎn)生脫膠現(xiàn)象，溫度不宜過高。過濾器是網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，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(jìn)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(shè)定工藝參數(shù)下，清洗過濾網(wǎng)、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器

為了準(zhǔn)確地測定超聲波清洗對過濾網(wǎng)、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(wǎng)、增塑劑噴嘴和噴嘴加熱器的清洗效果進(jìn)行論證。清洗的時間設(shè)定為1個小時。

1）實驗一：對噴嘴加熱器的清洗效果進(jìn)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(shè)備上，當(dāng)設(shè)備運行時，管道內(nèi)的壓力傳感器將檢測到的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值10 MPa），超過設(shè)備的報警線，設(shè)備無法運行，說明噴嘴加熱器內(nèi)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(jìn)行二次清潔，清洗完后安裝到設(shè)備上。再次運行設(shè)備，管道內(nèi)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(dá)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(dǎo)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(shè)定好的溫度進(jìn)行清洗。清洗完后安裝到設(shè)備上。再次運行設(shè)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(jìn)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(shè)備上，當(dāng)設(shè)備運行時，管道內(nèi)的壓力傳感器將檢測到的數(shù)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(biāo)準(zhǔn)值10 MPa），且增塑劑噴灑呈柱狀，說明增塑劑噴嘴內(nèi)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(jìn)行二次清潔，清洗完后安裝到設(shè)備上。再次運行設(shè)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(dá)到要求。

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

3）實驗三：對過濾器的清洗效果進(jìn)行論證。

將之前堵塞的廢棄的過濾器安裝到設(shè)備上，當(dāng)設(shè)備運行時，由于過濾器堵塞，導(dǎo)致管道內(nèi)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(biāo)準(zhǔn)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(nèi)增塑劑供給壓力不足，造成噴灑壓力不足，需要對過濾器進(jìn)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(dǎo)致脫膠。因此，使用清水浸泡1天后，通過氣槍對過濾網(wǎng)進(jìn)行二次清潔。清洗完后安裝到設(shè)備上。再次運行設(shè)備，管道內(nèi)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(dá)到要求。

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

4 總結(jié)

通過實驗數(shù)據(jù)得到超聲波清洗技術(shù)很好地解決了增塑劑系統(tǒng)的過濾網(wǎng)、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(shù)不僅方便了設(shè)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。