第39卷第5期金屬制品自適應(yīng)超聲波清洗機吳強，孔瑜（江蘇法爾勝泓集團有限公司，江蘇江陰214400）計了一種專門用于鋼絲、鋼絲繩清洗的自適應(yīng)超聲波清洗機。該清洗機對超聲波換能器進(jìn)行動態(tài)參數(shù)跟蹤，根據(jù)采集的反饋電壓和電流相位進(jìn)行運算處理，調(diào)整超聲波電源輸出頻率，使諧振電感和換能器達(dá)到一個新的動態(tài)匹配諧振。實踐表明，自適應(yīng)超聲波清洗機輸出功率達(dá)到額定功率的96.8%，清洗效果較好。

　　超聲波清洗始于20世紀(jì)50年代初，隨著技術(shù)的進(jìn)步應(yīng)用日益擴大，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。

　　鋼絲、鋼絲繩生產(chǎn)過程中，常會有灰塵、油脂、鐵銹等黏附其表面，這些雜物對鋼絲、鋼絲繩的后道加工不利。對于鋼絲繩，普通清洗很難處理干凈，但超聲波清洗可以便捷地解決這一問題。普通超聲波清洗設(shè)備在清洗鋼絲、鋼絲繩時，隨著超聲波換能器工作溫度升高和使用時間延長，超聲波換能器的各方面參數(shù)會發(fā)生漂移，造成超聲波發(fā)生器和換能器參數(shù)不匹配（輸出的電壓、電流信號不同相），使超聲波輸出功率衰減，清洗效果受到影響。為此江蘇法爾勝泓集團有限公司工程裝備中心設(shè)計并制造了一種可以自動跟蹤超聲波換能器參數(shù)，自動調(diào)整超聲波諧振頻率，重新達(dá)到最佳輸出功率的自適應(yīng)超聲波清洗機。

　　1超聲波清洗機原理及優(yōu)點超聲波頻率是高于20kHz，―般人耳聽不到的聲波，主要有橫向振蕩和縱向振蕩2種形式。橫向振湯只能在固體中形成，縱向振湯在固體、液體、氣體中均可產(chǎn)生。

　　1.1超聲波清洗的主要作用原理空化作用�？栈�作用就是超聲波以每秒2萬次以上的壓縮力和減壓力交互性的高頻變換方式向液體進(jìn)行透射。在減壓力作用時，液體中產(chǎn)生真空核群泡現(xiàn)象；在壓縮力作用時，真空核群泡受壓力壓碎時產(chǎn)生強大的沖擊力，由此剝離被清洗物表面的污垢，從而達(dá)到洗凈目的。超聲波清洗空化作用如所示。

　　直進(jìn)流作用。超聲波在液體中沿聲的傳播方向產(chǎn)生流動的現(xiàn)象稱為直進(jìn)流。聲波強度在。5W/cm2時，肉眼能看到直進(jìn)流垂直于振動面產(chǎn)生流動，流速約為10cm/s，此直進(jìn)流促使被清洗物表面的油污被攪拌，污垢表面的清洗液也產(chǎn)生對流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快。

　　加速度。由液體粒子推動而產(chǎn)生加速度。

　　ft能然l>SI伸制電路W能濘制中心超聲波清洗空化作用示意圖對于頻率較高的超聲波清洗機，其空化作用很不顯著，這時的清洗主要靠液體粒子在超聲作用下加速撞擊粒子從而對污物進(jìn)行清洗。這種加速度在28kHz時是重力加速度的103倍，在950kHz時是重力加速度的105倍，但950kHz的超聲波不產(chǎn)生空化作用，不適合鋼絲、鋼絲繩的超聲波清洗。

　　1.2超聲波清洗優(yōu)點超聲波清洗效果好，清潔度高，清洗速度快，不需人手接觸清洗劑，安全可靠，對縫隙、凹凸面、深孔處亦可清洗干凈，對工件表面無損傷，節(jié)省熱能、清洗劑、場地和人工等。特別對工件表面比較復(fù)雜的、凹凸不平的、有盲孔的機械零部件、鋼絲繩、異型鋼絲等，使用超聲波清洗都能達(dá)到較理想的效果。超聲波清洗已顯示出巨大的優(yōu)越性，將逐步取代傳統(tǒng)的清洗方法。

　　2自適應(yīng)超聲波清洗機的原理與構(gòu)成2.1自適應(yīng)超聲波清洗機原理普通的超聲波清洗機由超聲波發(fā)生器、超聲波換能器、超聲清洗槽構(gòu)成。超聲波發(fā)生器將工頻交流電轉(zhuǎn)換為高頻（20~25kHz）交流電，并通過阻抗匹配電感傳輸給超聲波換能器；超聲波換能器將超聲波電能轉(zhuǎn)換為高頻機械振動并傳入清洗液中，在清洗液中產(chǎn)生空化作用，從而達(dá)到超聲波清洗的目的。

　　自適應(yīng)超聲波清洗機的關(guān)鍵是對超聲波換能器進(jìn)行參數(shù)跟蹤，超聲波換能器參數(shù)的變化體現(xiàn)在超聲波換能器動態(tài)容抗的變化，使阻抗匹配電感和超聲波換能器動態(tài)容抗發(fā)生不完全諧振，在電性能上體現(xiàn)為電壓與電流發(fā)生相位偏移。只要能實時捕獲該電壓與電流信號的相位關(guān)系就可以做到超聲波清洗機的自適應(yīng)跟蹤。

　　2.2超聲波發(fā)生器結(jié)構(gòu)超聲波發(fā)生器也稱為超聲波電源，是一種產(chǎn)生并向換能器提供超聲波電能的裝置。在鋼絲、鋼絲繩清洗中，要求超聲波發(fā)生器的功率較大，一般需要大于1.5kW，故采用半橋逆變型電源超聲波發(fā)生器，其結(jié)構(gòu)框圖如所示，外形如所示。

　　波發(fā)生烀結(jié)構(gòu)框智能控制中心采用德克薩斯儀器公司的TMS320LF2407A處理器。該處理器是專門為工業(yè)控制提供的一個功能增強型低功耗和高性能芯片，由數(shù)字馬達(dá)提供的一個單芯片DSP控制。該芯片具有較高的數(shù)據(jù)運算能力和強力的PWM控制性能，完全勝任智能控制。

　　電壓采樣可直接采集數(shù)字PWM電路的PWM信號作為電壓相位；電流采樣用AllegroMicrosystems性霍爾電路傳感器，該傳感器響應(yīng)快，線性度好，穩(wěn)定性高，可以認(rèn)為該電流傳感器的輸出電壓信號相位就是實際電流相位。

　　智能控制中心采集電壓和電流相位進(jìn)行運算處理后，得到合適頻率的PWM信號給數(shù)字PWM電路，進(jìn)行處理后提供給半橋逆變電路中IGBT的驅(qū)動電路來驅(qū)動IGBT工作。IGBT和逆變電路中的隔離變壓器把整流得到的直流電轉(zhuǎn)換成20 ~25kHz交流電頻率，使諧振電感和超聲波換能器諧振，從而產(chǎn)生超聲波電能。

　　用于超聲清洗的換能器有2種類型。一是金屬制品磁致伸縮換能器，另一種是壓電陶瓷換能器。磁致伸縮換能器因價格昂貴，制造工藝復(fù)雜而很少被采用。還有一種用鐵氧體材料做成的磁致伸縮換能器，其機械強度低，所能承受的電功率容量小，因而國內(nèi)也很少應(yīng)用。我國主要采用壓電陶瓷換能器，電聲轉(zhuǎn)換效率高，原材料價格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)來適應(yīng)不同的清洗要求。壓電陶瓷換能器有很多種，如圓柱形、喇叭形等。經(jīng)過對比，最后確定選用喇叭形夾心壓電陶瓷換能器作為自適應(yīng)超聲波清洗機換能器。

　　粘有換能器的輻射板所承受的電功率強度一般低于1~2W/cm2，對于壓電陶瓷換能器一般取0.5~1W/cm2.過高的強度會加速輻射板表面的空化腐蝕，損壞輻射板。為提高換能器使用年限，輻射板采用316L不銹鋼，表面鍍鉻處理。為使用2年半的超聲波換能器表面發(fā)生的空化腐蝕。

　　使用2年半的超聲波換能器實樣3實際使用情況為自適應(yīng)超聲波清洗機在鋼絲繩超聲波清洗過程中，鋼絲繩中的污漬、油漬被超聲波產(chǎn)生的空化效應(yīng)沖擊后形成的霧狀析出，清洗效果較好。

　　鋼絲繩實際清洗效果4結(jié)語江蘇法爾勝泓集團有限公司工程裝備中心設(shè)計并制造的自適應(yīng)超聲波清洗機，已成功應(yīng)用于法爾勝集團生產(chǎn)懸索橋主纜用S型鋼絲超聲波清洗生產(chǎn)線上。該清洗機和普通超聲波清洗機分別使用2年半后進(jìn)行比較，普通超聲波清洗機輸出功率僅為額定功率的70%左右，而自適應(yīng)超聲波清洗機輸出功率是額定功率的96.8%左右，清洗效果更好。