高能聚焦超声清洗聚能器和工具的有限元分析

　　随着科学技术和工业生产的迅猛发展,对产品的清洁度要求越来越高。例如,对滤芯和连续生产过程中的滤布要能重复使用、寿命长、保证生产过程的正常进行。对一些难清洗产品和连续生产过程,传统的清洗技术和低能量密度超声清洗技术不能满足生产要求,必须使用高能聚焦超声清洗才能达到清洗效果。

　　1 高能聚焦超声清洗原理

　　高能聚焦超声清洗机由超声波发生器、高能聚焦超声清洗声学系统、水槽、机械运动机构等构成,如图1所示。其中,高能聚焦超声清洗声学系统由夹芯式压电换能器、聚能器和工具组成,如图2所示。超声波发生器的作用是将220V、50Hz的交流电转换成14.5kHz以上的高频电振荡信号。压电换能器利用逆压电效应将超声波发生器输出的高压电振荡信号转换成14.5kHz以上的超声频机械振动。由于夹芯式压电换能器的谐振振幅只有4~10μm,必须使用聚能器将振幅放大至16~50μm,然后传输给工具,对放置在水槽中的产品进行清洗。

　　悬链线形变聚能器,如图3所示。坐标原点x=0处的横截面积为A1,x=l处的横截面积为A2,其面积函数为:

　　圆截面时半径函数为

　　作用在聚能器的输入端和输出端的力及振动速度分别为

　　式中,K为圆波数,,c为纵波在细棒中的传播速度,。

　　聚能器两端自由时的频率方程为:

　　位移节点x0由下式确定:

　　放大系数Mp为:

　　输入力阻抗Zi为:

　　2 聚能器和工具的有限元分析

　　上述公式是在聚能器输出端不安装工具即无负载的条件下得出的。聚能器输出端安装工具后,必须用有限元分析软件来分析。

　　经过大量试验后,得到大量加工修正后压电换能器及其变幅杆的谐振频率和等效阻抗的测量数据。

　　(1)不带变幅杆的15kHz压电换能器:

　　(2)带圆锥形变幅杆的15kHz压电换能器:

　　采用阻抗分析仪4294A测试换能器的频率)阻抗、频率)相位曲线。图4为15kHz压电换能器的频率)阻抗、频率)相位曲线,图5为带圆锥形变幅杆的15kHz压电换能器的频率)阻抗、频率)相位曲线。

　　在高能聚焦超声清洗滤芯方案中,由于变幅杆的输出辐射面积太小,为使整个滤芯表面都能得到清洗,须设计声辐射头作为清洗工具,使振动能沿轴向覆盖整个滤芯表面。

　　谐响应分析主要是用于分析持续周期载荷在结构系统中产生持续的周期响应,以及确定线性结构承受随时间按正弦规律变化的载荷时的稳态响应情况。在此将变幅杆的输出振动作用于声辐射头,分析其对此载荷的响应。