干冰射流除積碳/油垢試驗與仿真模擬研究

王友濤，王思安，馮旭，陳陽，潘維浩，宋金龍

（1.中國航發貴州黎陽航空動力有限公司,貴陽 550014；2.大連理工大學精密與特種加工教育部重點實驗室,遼寧 大連 116024）

0 引言

機械制造業是工業乃至國民經濟的基礎，清洗技術與機械制造生產活動息息相關，隨著航空航天、鐵路電力等領域的高速發展，對工件表面質量提出了更加嚴格的要求。加上新材料的不斷涌現，給傳統的表面清洗技術帶來了嚴峻挑戰。目前，主要利用汽油、煤油等有機溶劑[1]，通過人工擦拭、刷洗、超聲波[2-3]、脈沖沖洗[4-6]等方式對工件表面的污染物進行清洗，但是這種清洗方式存在易燃易爆危險品使用的問題，使用管控成本較高，對操作人員身體帶來潛在危害。另外，通過人工清洗和打磨的方式存在操作難、效率低、易刮傷零件等缺點，大大增加了工件表面的清洗成本。因此研究一種高效率、無污染、方便可靠的清洗技術對進一步提升工件表面質量具有重要意義。研究并推廣表面清洗加工中的環保清洗方式，減少清洗過程中的環境污染問題，是現代綠色清洗技術的研究熱點。目前干冰射流清洗技術較多地應用在油污清洗、模具清洗、高壓電椽子清洗等場所，但是在發動機積碳和變速箱表面油垢的清洗方面還沒有相關報道。

本文首先利用Fluent軟件對干冰射流的運動軌跡和運動速度進行數值模擬。在仿真結果的基礎上，利用干冰射流清洗技術分別對發動機活塞頂部積碳和變速箱換擋蓋油垢進行了清洗。為了進一步探究干冰射流清洗技術對積碳和油垢清洗效果，對干冰射流清洗前后的表面分別進行了拉曼光譜分析和X射線光電子能譜分析。

1 試驗

1.1 試驗裝置與方法

干冰射流清洗系統主要包括干冰射流清洗機、螺桿式空氣壓縮機和儲氣罐，如圖1所示。空氣壓縮機的額定功率為22 kW，額定流量為3.8 m3/s，額定壓強為0.8 MPa。干冰射流清洗機的供氣壓力范圍為0.5～1.0 MPa。干冰微粒初始尺寸為：長為1～5 mm，直徑為1 mm，硬度約為莫氏1.5。

圖1 干冰射流清洗系統示意圖

試驗時，空氣壓縮機將空氣壓縮存儲至儲氣罐中，儲氣罐可調節供給到干冰射流清洗機中的氣壓大小。設定的儲氣罐的輸出壓力為0.7 MPa，因此干冰射流清洗機的輸入壓力為0.7 MPa。高速氣流攜帶干冰射流清洗機中的干冰微粒經噴槍噴射出。噴槍末端至工件的距離是10 cm，噴射角度為60°。

1.2 樣品表征

利用顯微共焦拉曼光譜儀（inVia Qontor，UK）檢測干冰射流清洗前后表面的化學成分，采用X射線光電子能譜儀（XPS，Thermo，ESCALAB 250Xi，USA）檢測清洗前后樣件表面的化學成分，采用尼康數碼相機（Nikon D7200）拍攝樣件清洗過程中的照片。

2 結果與討論

2.1 干冰射流仿真分析

2.1.1 模型建立

為了簡化計算，本文建立了二維軸對稱模型，如圖2（a）所示。模型中噴嘴入口邊界長度a設定為6 mm，噴嘴出口邊界長度d設定為12 mm，噴嘴長度e設定為60 mm，噴嘴外部計算域長度L、G分別設定為450 mm、400 mm。設定的干冰密度為1572 kg/m3，干冰微粒的直徑為1 mm，噴射流量為0.028 kg/s。進一步對噴嘴入口、近壁面壓力及速度梯度較大的位置進行了網格加密處理，從而更好地分析噴嘴內外部流場的速度、壓強。此外，設定了本模型的邊界條件，如圖2（b）所示。噴嘴入口的壓力為0.7 MPa，進口溫度為300 K，噴嘴外部計算域的壓力為0.1 MPa。其余邊界采用默認參數的無滑移壁面邊界。

圖2 干冰射流仿真模型

2.1.2 仿真結果

圖3（a）描述了干冰微粒的運動軌跡。從圖中可以看出，干冰微粒從噴嘴加速噴射出后先呈現聚集狀態，后呈現發散狀態。此外，選取距離對稱軸S不同距離的9個干冰微粒進行速度分析，如圖3（b）所示。按距離對稱軸的距離由近及遠對微粒進行編號，距離最近的為微粒1，距離最遠的為微粒9。結果表明，隨著噴射距離的增加，所有微粒的速度逐漸下降。同時，可以看出，越靠近噴嘴中心位置的微粒的初始速度越快。其中微粒1從噴嘴噴出時的初始速度為612 m/s，當噴出到40 cm處時，速度下降到280 m/s，而靠近噴嘴管壁的微粒9的初始速度僅為390 m/s，這是因為靠近噴嘴管壁處的微粒所受到的摩擦力更大。綜上，在噴射距離為5～15 cm時，干冰微粒不僅具有良好的發散性，而且在此范圍內速度較快，適合用來對樣件表面的污染物進行清洗。因此，在后續試驗中選取的干冰微粒的噴射距離為10 cm。

圖3 干冰射流仿真結果

2.2 積碳/油垢清理試驗

2.2.1 積碳清理試驗

本節利用干冰射流進行發動機活塞頂部積碳清理試驗。圖4為干冰射流清洗不同時間的積碳表面，我們可以看到積碳在干冰射流的撞擊下快速脫落，清除面積為62 cm2的積碳僅需11 s，清洗效率（積碳去除面積和總面積的比值）達95%以上。圖5為清洗前后活塞頂部的照片，可以看出槽內積碳清洗和未清洗部位的分界線很明顯，經干冰射流清洗過的區域顯示出金屬光澤。

圖4 干冰射流清洗積碳過程

圖5 干冰射流清洗前后發動機活塞頂部照片

為了檢測干冰射流對積碳的清洗效果，我們用顯微共焦拉曼光譜儀對清洗前后的表面進行了成分檢測，圖6所示為干冰射流清洗前后表面的拉曼光譜圖。干冰射流清洗前，被積碳覆蓋的表面光譜強度明顯，在1350 cm-1和1580 cm-1附近出現了明顯的C峰。干冰射流清洗后，樣品表面未檢測到任何吸收峰，表明積碳已經被清除。

圖6 干冰射流清洗積碳前后的拉曼光譜

2.2.2 油垢清洗試驗

隨后，我們進行了干冰射流對變速箱換擋蓋表面油垢清洗試驗。長年累月積累形成的油垢和基體結合強度較大，很難通過非化學清洗的方式清洗。圖7是干冰射流清洗不同時間的油垢表面，我們可以看出油垢在干冰微粒的撞擊下極易脫落，僅需約131 s的時間就可以把面積為50 cm2的油垢清洗干凈。圖8為變速箱換擋蓋清洗前后的照片，油垢清洗和未清洗部位的分界線很明顯。

圖7 干冰射流清洗油垢過程

圖8 干冰射流清洗后變速箱換擋蓋照片

為了檢測干冰射流對油垢的清洗效果，我們用X射線光電子能譜儀對清洗前后的表面進行了成分檢測。如表1所示，經干冰清洗后，C元素的含量由91.31%降至66.25%，同時O元素的含量則由8.69%增至33.75%。從圖9（a）中也可以看出，干冰清洗后C元素對應的峰強明顯降低，表面還有C元素的油垢已被清除。為了進一步研究干冰清洗前后表面化學成分的變化，對高分辨率C 1s峰進行擬合，如圖9（b）和表1所示。結果表明，清洗前后樣品表面的高分辨率C 1s峰均被分解為C-C/C-H（284.6 eV）、C-O（（285.8 ± 0.1）eV）和O-C=O（（288 ± 0.05）eV）。干冰射流清洗后，樣品表面的C-C/C-H官能團含量減少，而含氧官能團（C-O和O-C=O）含量增加。這是因為在干冰射流清洗過程中，以烷烴等碳氫化合物為主要成分的油垢在高速粒子沖擊作用下被快速去除，其分子鏈被打斷，并形成新的含氧官能團。

表1 干冰射流清洗前后樣件表面元素及含C官能團含量

圖9 XPS圖譜

3 結論

1）基于流體力學理論及Fluent數值模擬分析，研究了干冰微粒的運動軌跡和運動速度，結果表明，干冰微粒在噴射距離為5～15 cm時不僅具有良好的發散性，而且在此范圍內速度較快，適合用來對樣件表面的污染物進行清洗。

2）研究了0.7 MPa氣體壓強、60°干冰噴射角度、10 cm噴射距離下干冰射流清洗發動機活塞頂部積碳和變速箱換擋蓋油垢的效果。發現積碳在干冰射流的撞擊下極易脫落，僅需約11 s的時間就可以把面積為62 cm2的積碳清除干凈，清洗效率（積碳去除面積和總面積的比值）達95%以上；油垢在干冰射流的撞擊下也極易脫落，僅需約131 s的時間就可以把面積為50 cm2的油垢清除干凈。

3）干冰射流清洗前后發動機活塞頂部的拉曼光譜表明，干冰射流清洗技術可以有效地去除發動機表面沉積的積碳，不會產生新物質或帶入污染物，具有良好的清洗效果。通過X射線光電子能譜儀對干冰射流清洗油垢前后樣件表面化學成分進行了分析，結果表明干冰射流清洗技術具有良好的除油垢效果。