彭松，杨成，牛焱，邵崇杰

（北京奔驰汽车有限公司，北京 100176）

1 概述

水射流的应用可简单概括为：通过转能装置（泵或增压器）将发动机（电机或内燃机）的机械能转变成水的压力能，再通过喷嘴小孔喷出高速射流，将压力势能转换成动能；当高速水射流冲击被切材料时，动能又重新变成作用于材料表面的压力能。如果压力超过材料的破坏强度（门限压力）即可切断材料。实际应用的水射流大致可以分为3种类型：连续射流、脉冲射流、空化射流，本文所述内容为连续射流。根据射流压力又分为低压射流、高压射流和超高压射流。由于水射流作业的高压化、大型化发展趋势，高压水射流的概念逐渐认同到150～200MPa；超高压水射流的概念则已认同到工作压力不小于200MPa。

北京奔驰汽车有限公司MRA-II涂装车间滑橇清洗站超高压水射流清洗项目由德国DURR-Ecoclean公司承建，采用两台KUKA特种清洗机器人，两台HammelmannHDP124柱塞式高压泵，通过PID控制系统操作250MPa的高压水清洗车间内所有电泳滑橇（2种）以及面漆滑橇（1种），以保证车间内运行滑橇的清洁度，保障涂装车间内生产车辆的涂装质量。目前为止，北京奔驰汽车有限公司MRA-II涂装车间滑橇清洗站在设备部门的维护下已经顺利运行了接近4年，期间我们已经在清洗站顺利导入了新型号的滑橇，掌握了压力自动调节技术，针对现场机器人、高压旋转喷枪、高压泵、带式过滤机等一系列设备制作并执行了预防性维修计划。

1.1 国内外研究状况

我国清洗行业多年来一直处于化学和手工清洗的状态，工业清洗目前80%是用化学方法。无论化学清洗还是人工清洗都存在着清洗成本高、效率低、污染环境等问题，远不能满足现代社会日益增长的工业及民用清洗要求。高压水射流技术自20世纪80年代中期传入我国后，在90年代中期得到迅速普及。目前，高压水射流清洗在我国工业清洗中已超过10%，并正在迅速增长。随着现代社会对清洗行业提出的效率、洁净率及环保要求的不断提高，高压水射流清洗技术在我国的普及应用是趋势。

研究和生产实践表明高压水射流清洗技术是一项可靠、经济实用的清洗技术。与化学清洗相比，高压水射流清洗技术具有如下优点。

（1）清洗质量好。高压水射流切割是一种先进的冷态切割技术。切割作用所产生的热被水带走，这样对工件材料无热影响，也不会产生热影响区。

（2）清洗效率高。由于水射流的冲刷、楔劈、剪切、磨削等复合破碎作用，可迅速将结垢物打碎脱落，比传统的化学方法、喷砂抛丸方法、简单机械及手工方法清洗速度快几倍到十几倍。同时，采用高压水射流清洗后的部件，无需进行二次洁净处理；而化学清洗后，则需用清水将表面的化学药剂清洗掉。

（3）无环境污染。高压水射流切割的介质是水，工作中不会产生尘埃、特殊气味、气体和火花等，而且切割过程中是清洁的、无污染的。

（4）适用范围广。高压水射流具有很大的打击力，几乎没有材料和切割尺寸的限制。

（5）自动化。切割设备可以利用计算机控制，实现自动化加工，可以改善操作人员工作环境，也可以减少人力的输出。

（6）节能、省水、清洗成本低。高压水射流使用的介质是自来水，它来源容易，普遍存在。在清洗过程中，由于能量强大，不需加任何填充物及洗涤剂即可清洗干净，故清洗成本低，大约只有化学清洗的1/3左右。

2 滑橇清洗站简介

MRA-II涂装车间滑橇清洗站高压水射流自动清洗项目采用两台KUKA机器人（KR210-2FExclusive2000），通过PID控制系统操作250MPa的高压水去清洗车间内所有类型电泳滑橇（两种）及面漆滑橇（一种），以保证在车间内运行滑橇的清洁度，有效保障涂装车间内生产车辆的涂装质量。

如图1所示，滑橇清洗站缓存区（A）接收达到设定清洗圈数的滑橇，然后输送系统将滑橇送至高压水射流清洗室体（B）清洗，最后滑橇在清洗站出口吹干装置（图2）吹干后直接上线。如果滑橇存在变形等缺陷则可不经过清洗程序，直接旁通并送至滑橇离线检测工位（C）。

图1 滑橇清洗站布局图

图2 滑橇清洗站吹干装置

图3 机器人工作示意图

图4 清洗站全景

图5 清洗站出口

图6 高压泵

图7 KR 210-2 F Exclusive 2000

图8 滑橇清洗站水循环工艺流程

2.1 滑橇清洗站水循环工艺简介

如图2～8所示，滑橇清洗站机器人高压旋转喷枪的用水依次经过10μm及1μm袋式过滤器（图9）过滤的工业水，在过滤装置的前后装有压差及温度传感器，以防过滤袋损坏后较大颗粒进入高压泵对泵体造成损坏。清洗滑橇后的水回流到室体回收水池，经过带式过滤机过滤之后可用来冲洗室体，直至带式过滤机（图10）蓄水的池液位达到最高工作液位时，污水泵抽水到地坑，地坑中的水位达到设定的液位时，地坑泵抽水到污水站。现场水循环系统实时状态如图11所示。

图9 袋式过滤器

图10 带式过滤机

图11 滑橇清洗站水循环系统状态监控Integra界面

在液压元件特别是液压控制阀中，对液流压力、流量及方向的控制通常是通过一些特定的孔口实现的，它们对流过的液体形成阻力，使其产生压力降，其作用类似电路中的电阻，因此被称为液阻。本文中所述的滑橇清洗站机器人高压喷枪选用的喷嘴直径为φ0.5mm，孔口流动方式为薄壁小孔，每台机器人喷枪断面装有3个喷嘴（图12），共2台机器人，根据薄壁小孔流量公式（1）可算出该小孔每分钟的流量，进而可算出滑橇清洗站在不同工作压力条件下的流量。

式中：q ——流量，m³/s；A0——小孔截面积，m²；Cd——流量系数；Δp ——喷口直径，m；Δp——压强，Pa；ρ——密度，kg/m³。

根据公式（1）以及产品喷嘴的流量系数值0.7，可得出工作压强为250MPa时每个喷嘴的流量约为5.8L/min，滑橇清洗站总流量为2.088m³/h，该数值与实际流量表计数值基本一致。

图12 机器人高压旋转喷嘴

2.2 滑橇识别系统与输送系统

利用电泳滑橇（图13）与面漆滑橇（图14）前部定位销所在位置及形状结构存在的差异，在滑橇清洗站入口设置了相应的传感器对滑橇类型进行识别（图15），识别成功的滑橇将被传送至清洗室体内的链式输送机（图16）上，然后机器人根据滑橇类型以及滑橇在链式输送设备上的工位选择相应的机器人程序。

图13 电泳滑橇

图14 面漆滑橇

图15 滑橇识别原理图

图16 链式输送机

图17中分别显示了各类型滑橇清洗的总计数、当前清洗的滑橇类型以及清洗工位，实时监测输送系统的传感器以及电机状态，同时在界面中加入了各工位对应的传感器正常状态表，方便维修工及时判别故障。由于清洗站工作环境恶劣，滑橇的清洗工位较多（正常双机器人清洗滑橇需停靠4个工位，单机器人降级程序清洗滑橇需停靠6个工位），当现场传感器损坏时需花费较多时间判断故障传感器，所以从加快维修的角度出发，根据现场的传感器布局情况制作了滑橇清洗室体的输送监控系统图。

图17 滑橇清洗站输送监控系统图

2.3 滑橇清洗机器人

滑橇清洗站采用两台库卡KR 210-2 F exclusive机器人。该机器人有特殊的表面处理、优质的盖板及无腐蚀的不锈钢组件，有效防止了水分和灰粒的侵入。机器人所有轴向电机和手臂外壳中均装有密封空气系统，高度可靠地防止了液体的侵入。通过对表面进行特殊处理以及密封空气系统的使用，最大程度地保证了机器人不受喷射水、持续空气湿度及灰粒的影响。

3 滑橇清洗站运行情况简介

北京奔驰汽车有限公司为国内首次采用高压水射流自动清洗技术的汽车企业，目前已清洗了面漆滑橇约15000个，电泳滑橇约8000个（清洗时间面漆滑橇约20min/个，电泳滑橇约10min/个）。如图18所示，以面漆滑橇为例，其清洗前后除漆效果明显。

图18 面漆滑橇清洗前、后对比图

为便于国内同行进一步了解高压水射流清洗技术的特点，现将奔驰维修团队在MRA-II涂装车间滑橇清洗站近1年运营时遇到的问题总结如下。

（1）设备运行期间水雾大（图19），不便于肉眼观察。措施：针对该问题维修制作了滑橇清洗站输送监控系统（图17），这样便于操作者实时监控当前清洗滑橇的类型以及滑橇所在清洗工位。

图19 滑橇清洗站开启前、后效果图

（2）除滑橇外，水射流清洗室体内易被水溅射到的其他设备容易损坏（如图20）。措施：优化机器人轨迹，定期更换输送机护板。

图20 滑橇清洗站设备损坏情况

（3）机器人高压旋转喷枪内部喷嘴经常发生破损失效情况（如图21），导致无法达到运行压力。措施：安装新喷嘴之前需深度清洁喷嘴及其喷嘴托盘内部螺纹，喷嘴正常工作时喷出的水应为与喷嘴口截面垂直的一条直线，否则喷嘴安装有问题或喷嘴口存在微裂纹缺陷；监控运行压力，防止出现超压运行导致喷嘴过快失效。

（4）机器人超高压软管寿命短，管子接头处经常损坏（如图22）。措施：优化机器人轨迹避免运行中管子出现拉扯或拧麻花的情况，同时可选用更耐用的新型号高压软管。

图21 旋转喷枪失效喷嘴

图22 滑橇清洗站高压软管损坏情况

4 结语

目前来说，我国高压水射流清洗技术的应用不够广泛，高压水射流的核心技术落后于德、美、日等发达国家，但高压水射流技术独特的优点仍然值得我们进一步去研发其核心技术。除此之外，可通过优化高压水射流清洗的工艺来提高加工速度，改善加工精度，为高压水射流清洗的推广应用奠定基础，提高我国在材料清洗特别是特种材料清洗领域的加工水平，使水射流清洗技术逐渐广泛应用于各领域，并朝着超高压和智能化方向发展。