自适应超声波清洗机

　　第39卷第5期金属制品自适应超声波清洗机吴强，孔瑜（江苏法尔胜泓集团有限公司，江苏江阴214400）计了一种专门用于钢丝、钢丝绳清洗的自适应超声波清洗机。该清洗机对超声波换能器进行动态参数跟踪，根据采集的反馈电压和电流相位进行运算处理，调整超声波电源输出频率，使谐振电感和换能器达到一个新的动态匹配谐振。实践表明，自适应超声波清洗机输出功率达到额定功率的96.8%，清洗效果较好。

　　超声波清洗始于20世纪50年代初，随着技术的进步应用日益扩大，已广泛应用于现代工业。

　　钢丝、钢丝绳生产过程中，常会有灰尘、油脂、铁锈等黏附其表面，这些杂物对钢丝、钢丝绳的后道加工不利。对于钢丝绳，普通清洗很难处理干净，但超声波清洗可以便捷地解决这一问题。普通超声波清洗设备在清洗钢丝、钢丝绳时，随着超声波换能器工作温度升高和使用时间延长，超声波换能器的各方面参数会发生漂移，造成超声波发生器和换能器参数不匹配（输出的电压、电流信号不同相），使超声波输出功率衰减，清洗效果受到影响。为此江苏法尔胜泓集团有限公司工程装备中心设计并制造了一种可以自动跟踪超声波换能器参数，自动调整超声波谐振频率，重新达到最佳输出功率的自适应超声波清洗机。

　　1超声波清洗机原理及优点超声波频率是高于20kHz，―般人耳听不到的声波，主要有横向振荡和纵向振荡2种形式。横向振汤只能在固体中形成，纵向振汤在固体、液体、气体中均可产生。

　　1.1超声波清洗的主要作用原理空化作用。空化作用就是超声波以每秒2万次以上的压缩力和减压力交互性的高频变换方式向液体进行透射。在减压力作用时，液体中产生真空核群泡现象；在压缩力作用时，真空核群泡受压力压碎时产生强大的冲击力，由此剥离被清洗物表面的污垢，从而达到洗净目的。超声波清洗空化作用如所示。

　　直进流作用。超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流。声波强度在。5W/cm2时，肉眼能看到直进流垂直于振动面产生流动，流速约为10cm/s，此直进流促使被清洗物表面的油污被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快。

　　加速度。由液体粒子推动而产生加速度。

　　ft能然l>SI伸制电路W能泞制中心超声波清洗空化作用示意图对于频率较高的超声波清洗机，其空化作用很不显著，这时的清洗主要靠液体粒子在超声作用下加速撞击粒子从而对污物进行清洗。这种加速度在28kHz时是重力加速度的103倍，在950kHz时是重力加速度的105倍，但950kHz的超声波不产生空化作用，不适合钢丝、钢丝绳的超声波清洗。

　　1.2超声波清洗优点超声波清洗效果好，清洁度高，清洗速度快，不需人手接触清洗剂，安全可靠，对缝隙、凹凸面、深孔处亦可清洗干净，对工件表面无损伤，节省热能、清洗剂、场地和人工等。特别对工件表面比较复杂的、凹凸不平的、有盲孔的机械零部件、钢丝绳、异型钢丝等，使用超声波清洗都能达到较理想的效果。超声波清洗已显示出巨大的优越性，将逐步取代传统的清洗方法。

　　2自适应超声波清洗机的原理与构成2.1自适应超声波清洗机原理普通的超声波清洗机由超声波发生器、超声波换能器、超声清洗槽构成。超声波发生器将工频交流电转换为高频（20~25kHz）交流电，并通过阻抗匹配电感传输给超声波换能器；超声波换能器将超声波电能转换为高频机械振动并传入清洗液中，在清洗液中产生空化作用，从而达到超声波清洗的目的。

　　自适应超声波清洗机的关键是对超声波换能器进行参数跟踪，超声波换能器参数的变化体现在超声波换能器动态容抗的变化，使阻抗匹配电感和超声波换能器动态容抗发生不完全谐振，在电性能上体现为电压与电流发生相位偏移。只要能实时捕获该电压与电流信号的相位关系就可以做到超声波清洗机的自适应跟踪。

　　2.2超声波发生器结构超声波发生器也称为超声波电源，是一种产生并向换能器提供超声波电能的装置。在钢丝、钢丝绳清洗中，要求超声波发生器的功率较大，一般需要大于1.5kW，故采用半桥逆变型电源超声波发生器，其结构框图如所示，外形如所示。

　　波发生烀结构框智能控制中心采用德克萨斯仪器公司的TMS320LF2407A处理器。该处理器是专门为工业控制提供的一个功能增强型低功耗和高性能芯片，由数字马达提供的一个单芯片DSP控制。该芯片具有较高的数据运算能力和强力的PWM控制性能，完全胜任智能控制。

　　电压采样可直接采集数字PWM电路的PWM信号作为电压相位；电流采样用AllegroMicrosystems性霍尔电路传感器，该传感器响应快，线性度好，稳定性高，可以认为该电流传感器的输出电压信号相位就是实际电流相位。

　　智能控制中心采集电压和电流相位进行运算处理后，得到合适频率的PWM信号给数字PWM电路，进行处理后提供给半桥逆变电路中IGBT的驱动电路来驱动IGBT工作。IGBT和逆变电路中的隔离变压器把整流得到的直流电转换成20 ~25kHz交流电频率，使谐振电感和超声波换能器谐振，从而产生超声波电能。

　　用于超声清洗的换能器有2种类型。一是金属制品磁致伸缩换能器，另一种是压电陶瓷换能器。磁致伸缩换能器因价格昂贵，制造工艺复杂而很少被采用。还有一种用铁氧体材料做成的磁致伸缩换能器，其机械强度低，所能承受的电功率容量小，因而国内也很少应用。我国主要采用压电陶瓷换能器，电声转换效率高，原材料价格便宜，而且便于制造不同的结构来适应不同的清洗要求。压电陶瓷换能器有很多种，如圆柱形、喇叭形等。经过对比，最后确定选用喇叭形夹心压电陶瓷换能器作为自适应超声波清洗机换能器。

　　粘有换能器的辐射板所承受的电功率强度一般低于1~2W/cm2，对于压电陶瓷换能器一般取0.5~1W/cm2.过高的强度会加速辐射板表面的空化腐蚀，损坏辐射板。为提高换能器使用年限，辐射板采用316L不锈钢，表面镀铬处理。为使用2年半的超声波换能器表面发生的空化腐蚀。

　　使用2年半的超声波换能器实样3实际使用情况为自适应超声波清洗机在钢丝绳超声波清洗过程中，钢丝绳中的污渍、油渍被超声波产生的空化效应冲击后形成的雾状析出，清洗效果较好。

　　钢丝绳实际清洗效果4结语江苏法尔胜泓集团有限公司工程装备中心设计并制造的自适应超声波清洗机，已成功应用于法尔胜集团生产悬索桥主缆用S型钢丝超声波清洗生产线上。该清洗机和普通超声波清洗机分别使用2年半后进行比较，普通超声波清洗机输出功率仅为额定功率的70%左右，而自适应超声波清洗机输出功率是额定功率的96.8%左右，清洗效果更好。