泥沙顆粒分析專用超聲波洗杯機(jī)的研制

摘要：利用超聲波清洗技術(shù)，研制一種專用于泥沙顆粒分析的洗杯機(jī)，通過(guò)試驗(yàn)，確定了洗杯機(jī)超聲波探頭頻率、探頭設(shè)

置方式、網(wǎng)架和水槽尺寸、超聲波探頭密度、清洗溫度等問(wèn)題，實(shí)現(xiàn)了沙杯自動(dòng)清洗技術(shù)。

關(guān)鍵詞：洗杯機(jī) 超聲波 泥沙顆粒分析

泥沙顆粒級(jí)配分析的目的是確定泥沙樣品中各粒徑組泥沙量占樣品總量的百分?jǐn)?shù)，并以此繪制級(jí)配曲線的操作過(guò)程，是獲取泥沙顆粒級(jí)配的斷面分布及隨時(shí)間變化過(guò)程的基礎(chǔ)，是研究河流中的含沙量、輸沙率和含沙顆粒大小分布情況的重要手段，是長(zhǎng)江航道水文基礎(chǔ)資料，也是為航道整治工程提供的第一手實(shí)測(cè)資料。

目前泥沙分析工作依據(jù)的標(biāo)準(zhǔn)是水利部2010年發(fā)布的《河流泥沙顆粒分析規(guī)程》（SL42-2010），長(zhǎng)江航道中所采用的主要方法為篩分法、粒徑計(jì)法，即通過(guò)篩分析方法對(duì)干樣進(jìn)行測(cè)試，通過(guò)粒徑計(jì)法對(duì)濕樣進(jìn)行測(cè)試。采用粒徑計(jì)法進(jìn)行分析時(shí)，需將樣品中不同粒徑顆粒分別沉降到6個(gè)沙杯中，通過(guò)稱量沙杯重量變化從而獲得該樣品顆粒級(jí)配情況。由于長(zhǎng)江航道中的樣品主要以濕樣為主，需采用粒徑計(jì)法分析的樣品量非常大，所使用的沙杯數(shù)量多，因此，沙杯的清洗工作成為提升泥沙分析速度的一大障礙。

為提升泥沙分析速度，特研制了一款專用于泥沙顆粒分析的超聲波洗杯機(jī)。

原理

超聲波洗杯機(jī)的清洗原理主要是利用超聲波在液體中產(chǎn)生空化作用。超聲波在液體中傳播時(shí)，當(dāng)聲波的壓強(qiáng)達(dá)到一個(gè)標(biāo)準(zhǔn)大氣壓時(shí)，其約為0.35W/cm2，此時(shí)，在液體中傳播的超聲波壓強(qiáng)峰值時(shí)將在液體中將產(chǎn)生一個(gè)非常大的力，可以直接將液體拉裂成空洞，而此空洞為真空或非常接近于真空狀態(tài)。從而使液體因流動(dòng)而產(chǎn)生數(shù)以萬(wàn)計(jì)的微小氣泡，氣泡在周期性的超聲波中，當(dāng)處于超聲波負(fù)壓狀態(tài)時(shí)，其快速形成和生長(zhǎng)，當(dāng)其處于超聲波正壓狀態(tài)時(shí)，氣泡則迅速擴(kuò)大，最后突然閉合消失，同時(shí)在氣泡周邊瞬間產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓的沖擊波，極大的沖擊波將輕易使污漬分散脫落，從而達(dá)到清洗效果。該方法具有清洗效果好、無(wú)死角、無(wú)毒害等特點(diǎn)。

方案設(shè)計(jì)

泥沙分析沙杯超聲波清洗設(shè)備主要由超聲波發(fā)生系統(tǒng)、杯身固定裝置、溫度控制系統(tǒng)、進(jìn)排水系統(tǒng)等組成，設(shè)計(jì)制造超聲波洗杯機(jī)需首先解決超聲波探頭頻率選擇、探頭設(shè)置方式、網(wǎng)架和水槽尺寸、超聲波探頭密度、清洗溫度等問(wèn)題，通過(guò)大量試驗(yàn)，得出以下研究結(jié)果：

1、超聲波洗杯機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)

通過(guò)試驗(yàn)及需求分析，洗杯機(jī)的主要技術(shù)指標(biāo)應(yīng)滿足表1要求：

2、超聲波探頭頻率的選擇

通過(guò)試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，超聲波探頭頻率直接決定了超聲波的有效工作距離、清洗效果等。頻率低，清洗效果好、清洗有效距離大，但存在噪音大，甚至有可能破壞試驗(yàn)杯表面標(biāo)記；頻率高，則清洗效果差，有效清洗距離短，且易產(chǎn)生清洗盲區(qū)。將超聲波作用時(shí)間設(shè)定為2min，對(duì)幾種不同頻率的探頭，進(jìn)行對(duì)其作用距離、標(biāo)志損毀距離、聲音感官進(jìn)行了反復(fù)測(cè)試，其試驗(yàn)結(jié)果如下：（見(jiàn)表2）

通過(guò)對(duì)作用距離、標(biāo)志損毀情況、聲音感官以及其它方面進(jìn)行綜合試驗(yàn)評(píng)定，最終選擇40kHz頻率探頭。

3、超聲波探頭布置方式

由于超聲波作用效果與被清洗物作用距離有關(guān)，放置距離過(guò)小可能導(dǎo)致作用力過(guò)強(qiáng)從而破壞試驗(yàn)杯標(biāo)識(shí)，距離過(guò)遠(yuǎn)則導(dǎo)致清洗不到位。按照經(jīng)濟(jì)、小型化原則，采用沙杯對(duì)超聲波探頭放置位置進(jìn)行試驗(yàn)，沙杯距探頭距離為18cm，其結(jié)果如下：（見(jiàn)表3）

通過(guò)綜合分析，最終采用底面放置超聲波探頭形式進(jìn)行清洗。

4、網(wǎng)架、水槽尺寸確定

依據(jù)探頭布置原則，結(jié)合實(shí)際清洗需求，決定采用四組網(wǎng)架，每組可放置3層，每層8個(gè)共計(jì)24個(gè)試驗(yàn)杯子，如此一次可清洗96個(gè)試驗(yàn)杯。并以此確定水槽尺寸為（長(zhǎng)×寬×高）=65cm×35cm×30cm。（見(jiàn)圖1）

5、超聲波探頭密度的選擇

在水槽尺寸確定的基礎(chǔ)上，為了使水槽中試驗(yàn)杯放置區(qū)域的超聲波作用最強(qiáng)，確保探頭間無(wú)作用盲區(qū)，需合理安排探頭密度，使其實(shí)現(xiàn)在清洗效果的同時(shí)達(dá)到費(fèi)用最省的目的。

通過(guò)水槽底部放置不同數(shù)量探頭，在杯架全滿（即96個(gè)試驗(yàn)杯）的前提下工作2min后觀察清洗效果，每類工況進(jìn)行兩次試驗(yàn)取平均值作為評(píng)價(jià)依據(jù)，試驗(yàn)結(jié)果如下：（見(jiàn)表4）

依據(jù)以上試驗(yàn)結(jié)果，初步?jīng)Q定采用偏保守的20個(gè)探頭，以確保其清潔效果。

6、清洗溫度確定

針對(duì)溫度對(duì)超聲波清洗效果的影響情況進(jìn)行了試驗(yàn)研究，通過(guò)對(duì)不同溫度下清洗效果進(jìn)行了試驗(yàn)，得出以下結(jié)果：（見(jiàn)表5、圖2）

表5： 超聲波清洗溫度-時(shí)間關(guān)系一覽表

因此，溫度控制在45～55℃間可在2min時(shí)間內(nèi)完成試驗(yàn)杯的清潔工作。

超聲波洗杯機(jī)的設(shè)計(jì)

經(jīng)過(guò)大量試驗(yàn)，確定了超聲波洗杯機(jī)的各項(xiàng)技術(shù)指標(biāo)，并根據(jù)其功能及要求，設(shè)計(jì)出具備生產(chǎn)要求的洗杯機(jī)設(shè)計(jì)圖，并將其進(jìn)行生產(chǎn)，其主要裝配示意圖見(jiàn)圖3：

完成效果

超聲波洗杯機(jī)的研制成功，提高了長(zhǎng)江航道泥沙分析沙杯的清洗速度，解決了機(jī)械刷頭洗杯的清潔程度低及人工洗杯耗時(shí)費(fèi)力的問(wèn)題，由設(shè)備發(fā)送超聲波進(jìn)行自動(dòng)清洗，該設(shè)備具備自動(dòng)加熱、自動(dòng)換水、自動(dòng)清洗的功能，具有自動(dòng)化程度高、清洗效果好、運(yùn)動(dòng)部件少、工作穩(wěn)定、能耗低等特點(diǎn)，為長(zhǎng)江航道泥沙分析工作貢獻(xiàn)了力量。

（作者單位：長(zhǎng)江航道規(guī)劃設(shè)計(jì)研究院）