王友涛，王思安，冯旭，陈阳，潘维浩，宋金龙

（1.中国航发贵州黎阳航空动力有限公司,贵阳 550014；2.大连理工大学精密与特种加工教育部重点实验室,辽宁 大连 116024）

0 引言

机械制造业是工业乃至国民经济的基础，清洗技术与机械制造生产活动息息相关，随着航空航天、铁路电力等领域的高速发展，对工件表面质量提出了更加严格的要求。加上新材料的不断涌现，给传统的表面清洗技术带来了严峻挑战。目前，主要利用汽油、煤油等有机溶剂[1]，通过人工擦拭、刷洗、超声波[2-3]、脉冲冲洗[4-6]等方式对工件表面的污染物进行清洗，但是这种清洗方式存在易燃易爆危险品使用的问题，使用管控成本较高，对操作人员身体带来潜在危害。另外，通过人工清洗和打磨的方式存在操作难、效率低、易刮伤零件等缺点，大大增加了工件表面的清洗成本。因此研究一种高效率、无污染、方便可靠的清洗技术对进一步提升工件表面质量具有重要意义。研究并推广表面清洗加工中的环保清洗方式，减少清洗过程中的环境污染问题，是现代绿色清洗技术的研究热点。目前干冰射流清洗技术较多地应用在油污清洗、模具清洗、高压电椽子清洗等场所，但是在发动机积碳和变速箱表面油垢的清洗方面还没有相关报道。

本文首先利用Fluent软件对干冰射流的运动轨迹和运动速度进行数值模拟。在仿真结果的基础上，利用干冰射流清洗技术分别对发动机活塞顶部积碳和变速箱换挡盖油垢进行了清洗。为了进一步探究干冰射流清洗技术对积碳和油垢清洗效果，对干冰射流清洗前后的表面分别进行了拉曼光谱分析和X射线光电子能谱分析。

1 试验

1.1 试验装置与方法

干冰射流清洗系统主要包括干冰射流清洗机、螺杆式空气压缩机和储气罐，如图1所示。空气压缩机的额定功率为22 kW，额定流量为3.8 m3/s，额定压强为0.8 MPa。干冰射流清洗机的供气压力范围为0.5～1.0 MPa。干冰微粒初始尺寸为：长为1～5 mm，直径为1 mm，硬度约为莫氏1.5。

图1 干冰射流清洗系统示意图

试验时，空气压缩机将空气压缩存储至储气罐中，储气罐可调节供给到干冰射流清洗机中的气压大小。设定的储气罐的输出压力为0.7 MPa，因此干冰射流清洗机的输入压力为0.7 MPa。高速气流携带干冰射流清洗机中的干冰微粒经喷枪喷射出。喷枪末端至工件的距离是10 cm，喷射角度为60°。

1.2 样品表征

利用显微共焦拉曼光谱仪（inVia Qontor，UK）检测干冰射流清洗前后表面的化学成分，采用X射线光电子能谱仪（XPS，Thermo，ESCALAB 250Xi，USA）检测清洗前后样件表面的化学成分，采用尼康数码相机（Nikon D7200）拍摄样件清洗过程中的照片。

2 结果与讨论

2.1 干冰射流仿真分析

2.1.1 模型建立

为了简化计算，本文建立了二维轴对称模型，如图2（a）所示。模型中喷嘴入口边界长度a设定为6 mm，喷嘴出口边界长度d设定为12 mm，喷嘴长度e设定为60 mm，喷嘴外部计算域长度L、G分别设定为450 mm、400 mm。设定的干冰密度为1572 kg/m3，干冰微粒的直径为1 mm，喷射流量为0.028 kg/s。进一步对喷嘴入口、近壁面压力及速度梯度较大的位置进行了网格加密处理，从而更好地分析喷嘴内外部流场的速度、压强。此外，设定了本模型的边界条件，如图2（b）所示。喷嘴入口的压力为0.7 MPa，进口温度为300 K，喷嘴外部计算域的压力为0.1 MPa。其余边界采用默认参数的无滑移壁面边界。

图2 干冰射流仿真模型

2.1.2 仿真结果

图3（a）描述了干冰微粒的运动轨迹。从图中可以看出，干冰微粒从喷嘴加速喷射出后先呈现聚集状态，后呈现发散状态。此外，选取距离对称轴S不同距离的9个干冰微粒进行速度分析，如图3（b）所示。按距离对称轴的距离由近及远对微粒进行编号，距离最近的为微粒1，距离最远的为微粒9。结果表明，随着喷射距离的增加，所有微粒的速度逐渐下降。同时，可以看出，越靠近喷嘴中心位置的微粒的初始速度越快。其中微粒1从喷嘴喷出时的初始速度为612 m/s，当喷出到40 cm处时，速度下降到280 m/s，而靠近喷嘴管壁的微粒9的初始速度仅为390 m/s，这是因为靠近喷嘴管壁处的微粒所受到的摩擦力更大。综上，在喷射距离为5～15 cm时，干冰微粒不仅具有良好的发散性，而且在此范围内速度较快，适合用来对样件表面的污染物进行清洗。因此，在后续试验中选取的干冰微粒的喷射距离为10 cm。

图3 干冰射流仿真结果

2.2 积碳/油垢清理试验

2.2.1 积碳清理试验

本节利用干冰射流进行发动机活塞顶部积碳清理试验。图4为干冰射流清洗不同时间的积碳表面，我们可以看到积碳在干冰射流的撞击下快速脱落，清除面积为62 cm2的积碳仅需11 s，清洗效率（积碳去除面积和总面积的比值）达95%以上。图5为清洗前后活塞顶部的照片，可以看出槽内积碳清洗和未清洗部位的分界线很明显，经干冰射流清洗过的区域显示出金属光泽。

图4 干冰射流清洗积碳过程

图5 干冰射流清洗前后发动机活塞顶部照片

为了检测干冰射流对积碳的清洗效果，我们用显微共焦拉曼光谱仪对清洗前后的表面进行了成分检测，图6所示为干冰射流清洗前后表面的拉曼光谱图。干冰射流清洗前，被积碳覆盖的表面光谱强度明显，在1350 cm-1和1580 cm-1附近出现了明显的C峰。干冰射流清洗后，样品表面未检测到任何吸收峰，表明积碳已经被清除。

图6 干冰射流清洗积碳前后的拉曼光谱

2.2.2 油垢清洗试验

随后，我们进行了干冰射流对变速箱换挡盖表面油垢清洗试验。长年累月积累形成的油垢和基体结合强度较大，很难通过非化学清洗的方式清洗。图7是干冰射流清洗不同时间的油垢表面，我们可以看出油垢在干冰微粒的撞击下极易脱落，仅需约131 s的时间就可以把面积为50 cm2的油垢清洗干净。图8为变速箱换挡盖清洗前后的照片，油垢清洗和未清洗部位的分界线很明显。

图7 干冰射流清洗油垢过程

图8 干冰射流清洗后变速箱换挡盖照片

为了检测干冰射流对油垢的清洗效果，我们用X射线光电子能谱仪对清洗前后的表面进行了成分检测。如表1所示，经干冰清洗后，C元素的含量由91.31%降至66.25%，同时O元素的含量则由8.69%增至33.75%。从图9（a）中也可以看出，干冰清洗后C元素对应的峰强明显降低，表面还有C元素的油垢已被清除。为了进一步研究干冰清洗前后表面化学成分的变化，对高分辨率C 1s峰进行拟合，如图9（b）和表1所示。结果表明，清洗前后样品表面的高分辨率C 1s峰均被分解为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，样品表面的C-C/C-H官能团含量减少，而含氧官能团（C-O和O-C=O）含量增加。这是因为在干冰射流清洗过程中，以烷烃等碳氢化合物为主要成分的油垢在高速粒子冲击作用下被快速去除，其分子链被打断，并形成新的含氧官能团。

表1 干冰射流清洗前后样件表面元素及含C官能团含量

图9 XPS图谱

3 结论

1）基于流体力学理论及Fluent数值模拟分析，研究了干冰微粒的运动轨迹和运动速度，结果表明，干冰微粒在喷射距离为5～15 cm时不仅具有良好的发散性，而且在此范围内速度较快，适合用来对样件表面的污染物进行清洗。

2）研究了0.7 MPa气体压强、60°干冰喷射角度、10 cm喷射距离下干冰射流清洗发动机活塞顶部积碳和变速箱换挡盖油垢的效果。发现积碳在干冰射流的撞击下极易脱落，仅需约11 s的时间就可以把面积为62 cm2的积碳清除干净，清洗效率（积碳去除面积和总面积的比值）达95%以上；油垢在干冰射流的撞击下也极易脱落，仅需约131 s的时间就可以把面积为50 cm2的油垢清除干净。

3）干冰射流清洗前后发动机活塞顶部的拉曼光谱表明，干冰射流清洗技术可以有效地去除发动机表面沉积的积碳，不会产生新物质或带入污染物，具有良好的清洗效果。通过X射线光电子能谱仪对干冰射流清洗油垢前后样件表面化学成分进行了分析，结果表明干冰射流清洗技术具有良好的除油垢效果。