一、选题的目的及意义

随着工业自动化的进步，传统的清洗的方法和设备满足不了现代工业的要求。许多清洗方式如生物化学、蒸汽、高压冲击、机械摩擦、氧化剂清洗不仅工人劳动强度大，效率低下，不能满足工业清洗要求的状况而且会对工件造成二次损伤。但是干冰清洗机给予制造业带来了福音，它由于是干冰清洗，对电线，控制元件，开关都没有损伤。清洗后，设备生锈的可能性与水清洗相比也大大降低。在食品行业应用中，干冰清洗与水清洗相比大大降低了细菌滋生的可能性。并且CO2本身就是一种无毒的惰性气体不易产生化学反应，而且干冰清洗可以进行在线清洗，避免了传统方法所需要的遮护、冷却、拆卸及污水、污沙的处理工作，减少了停车的时间，间接的提高了生产效率。针对在食品制药业、印刷业、铸造厂模具和设备不易清洁且没有针对性较强的比较环保的清洗设备，而市面上大多清洗设备都是用化学试剂污染很大不环保，但是干冰清洗机本身功率又太高且机身结构太大，不太便携。于是，想针对以上的问题做一个机身小巧便于携带的便携型干冰清洗机。之所以选择干冰清洗机是因为它所使用的二氧化碳全部来自于工业废气，干冰清洗机本身并没有产生任何二氧化碳废弃，干冰清洗机利用自身的切割机将大的干冰切割成小的干冰粒，然后，通过高压空气将干冰粒喷射到需要清洗的工件表面产生急速的热交换利用不同的物质不同的收缩速度而产生脱离。当干冰被喷射到共建表面时，干冰气化体积急剧膨胀，会产生800倍的强大剥离力，从而使工件表面的杂质 污垢脱落^[12]。干冰清洗机拥有着快速、高效、安全、节能的清洗效果。更深层地，干冰清洗取代了有毒化学物质的使用，从而从源头上减少了伤害与浪费。而由液态二氧化碳制成的干冰粒最终无任何痕迹的挥发到大气中，因此干冰清洗也被冠之环保的干洗。干冰清洗机的问世给工业发展带来了福音，由于其清洗方式跟化学剂清洗不一样，对被清洗的物品不会造成损坏，并且干冰对于地球是无污染的^[10]。

二、课题的研究现状

干冰清洗技术发源于美国 , 最初应用于美国空军飞机的维护清洗 , 20 世纪 80 年代后期进入民用工业领域 , 并获得迅速发展。CO2 常态下是一种无色无味的气体, 自然存在于空气中。在-78 ℃低温下, CO2 以固体形式存在, 称之为干冰。在常压下 , 固体 CO2 直接升华, 没有液化过程, 这一特性意味着干冰清洗中喷射介质彻底消失, 只留下原有污垢待处理^[1]。美国的coldjet ，它的SDI Selecttrade; 系列使 Cold Jet 保持领先地位，该系列多功能干冰清洁机可提供精密的清洁和高强度清洗。 此次课题就效仿SDI Select系列。原有技术中的干冰喷射清洗机多是采用“文丘里”负压原理，将干冰颗粒吸出并送入喷枪喷射或吸出后在喷枪部位再增加一个“文丘里”喷射加速，这样在旋转供料器处产生的是负压吸料，旋转供料器不用密封，解决了无密封能力的旋转供料器供干冰颗粒的问题，制造也很简单。而此次研究的干冰清洗机采用了特殊的旋转供料器，定子和转子无接触摩擦，寿命极长，能实现长距离( 50 m) 输冰喷射。该方式避免了 “文丘里”负压原理的缺陷。以低气压和低耗气量获得高效打击效果。冰量大小可无级调节，而且是直接供冰法，避免采用二步供冰法需要洁净气源的缺陷。清洗机气源可直接采用机务段原有的动力配气气源^[2]。借鉴Cold Jet 的设计将分段放到喷嘴尾段，可以避免堵塞。目前，通过我调查发现干冰清洗机中的喷嘴技术非常影响干冰清洗的效率与寿命。在干冰清洗喷嘴技术中，由于喷嘴是干冰颗粒被加速到最大速度的地方，所以在空气压力、温度、干冰颗粒大小等相同的条件下，单喉管喷嘴比双喉管喷嘴效果更明显。这个差别是与双喉管的特点有直接关系的。 在双喉管机型中，供给喷射机的能量不仅仅只用来加速干冰颗粒，同时还要产生真空，从另一根管道洗出干冰颗粒。 因此，双喉管中用来加速的干冰颗粒的能量就大大的减少了， 那是由于一部分能量将干冰颗粒和压缩空气气流混合的过程中损失了^[3]。通过调查了解到德国凯驰Karcher干冰清洗机IP 55可以在现场迅速制作出干冰颗粒。不但专用于铸造厂、打印店、注塑成型工厂等工业部门，而且还广泛用于其它各行各业，尤其是需要用干冰冷却的热敏产品^[11]。知道了德国ICS的干冰清洗机专业性强，所有设备机身小，干冰清洗机最小机身15kg，干冰造粒机最小粒径1.5mm，但是机身仍有500kg^[8]。有全气动干冰清洗机，适合民用干冰清洗及移动式野外清洗。目前，主流的干冰清洗机分为两种类型，一种按干冰输送方法分，；另一种按动力供应分。干冰输送分的主要可分为两大类: 单喉管喷射机和双喉管喷射机。在任何一种机型中，恰当的选择干冰喷射管都是很重要的。因为干冰温度很低，并且在管道输送中要保持干冰颗粒的完整性。双喉管机型中，干冰颗粒用不同的方法输至喷管入口，并由喷嘴产生的真空吸力将干冰吸至喷嘴。本次研究的干冰清洗机的干冰输送方式是从机器引出两根管道，一个输送压缩空气，一个输送干冰颗粒，两管在喷枪处汇合。汇合处，压缩空气管道产生真空，将干冰粒从干冰管道中^[4]。目前研究的干冰清洗机的机械系统主要包含底盘、绝缘升降装置、绝缘水平伸缩装置、绝缘直线滑轨、绝缘齿圈装置。升降装置满足了机器清洗不同高度绝缘子的要求；水平伸缩装置增大了机器的清洗范围，可实现一次定位，清洗多个位置；绝缘直线滑轨简化了绝缘子的清洗流程，使用时只要滑轨对准，即可实现绝缘子的清洗；绝缘齿圈带动干冰喷嘴对绝缘子进行360°的清洗。为保证绝缘部件的绝缘效果，在变压器油箱内设置了磁性颗粒过滤器，能过滤变压器油中可能存在的铁质磁性颗粒，保证变压器油的绝缘效果^[5]。通过我普遍的研究调查发现，干冰清洗受工件表面温度的影响。例如防锈漆铁板的初始温度越低，去除防锈漆涂层的质量越多，去污效果越好，但超低温度下对基地层铁板表面产生一定破坏。所以，在实际应用干冰清洗过程中，首先要考虑超低温度是否对基地材质产生破坏，但是，在实际应用中，一般对去污表面清洗时间少于30 s，并且干冰对材料的性能影响较小，因此在干冰喷射去污过程中，控制较低的初始温度更加有利于去污效果的提高，能够提高应用效果和范围^[6]。本次课题借助Solidworks软件,利用其实体建模模块提供的功能,如拉伸、旋转、阵列、扫描、混合、倒角、螺纹孔等,建立各个零件三维实体模型;并将建立好的各个零件的三维实体模型保存在工作目录,然后进入装配模式后按设计要求正确装配零部件, 并根据连接方式对每个零件进行约束 ^[7]。 本次课题从绝缘子清洗效果和环保的方向出发, 考虑到机器能完成更大范围的清洗作业。采用了单喷嘴的喷射系统并且给机器装上平移机构方便作业和携带^[9]。

三、课题研究内容介绍

1、 根据干冰清洗机工作的特点和结构要求,结合当前市场相关产品的基本结构和功能特点，设计干冰清洗机的机构。

2、根据机械设计手册及相关资料，对干冰清洗机的关键零部件进行设计计算和结构选型。

3、学习三维建模软件Solidworks的操作和使用^[14]，实现干冰清洗机的建模，验证装配的合理性，实现干冰清洗机的模拟工作^[13]。

4、根据模拟工作状况的结果进行分析和参数计算，对干冰清洗机中的关键零件，气缸，标准件等进行选型确定。