超聲波顯像管振動清洗機的研制_任金蓮
超聲波顯像管振動清洗機的研制_任金蓮
超聲波顯像管振動清洗機的研制*
任金蓮張明鐸牛勇
(陜西師范大學物理與信息技術學院西安716002)
2100年6月11日收到
摘要本文介紹一種無需任何清洗液且有別于常規超聲波清洗機理的超聲波顯像管振動清洗機。從
理論上分析說明超聲波干振動清洗的機理和方法,闡明各超聲參量的選取標準和超聲振動系統中應
注意的問題。
關鍵詞超聲波,顯像管,振動清洗
AnultrasonievibrationeleaningmaehineofrkineseoPe
Rl二NJinlianZHANGMingduoNIUYong
(Coll呀eofpl大獷sicsand幾ofmra亡jonTeeslnol。助幾ShaanxfNc〕mralUnjvesrj執羌,an710062,)
AbstraetAdry一tyPeultrasonievibrationeleaningmaehineofrkineseope15deseribed.
Itseleaningmeehnaismandmethod15analyzedtheoretieally,thestandardofehoosing
ultrasonieParameterandsomeProblemattentionofultrasonievibrationsystemareex-
pounded.Theultrasonievibrationeleaningmaehineofthedry一typedoesnotneeda叮
kindofeleaningagent,anditseelaningmeehanism15dieffrentfromthatoftheusual
ultrasonieeleaningmaehine.
KeywordsUltrasoniewvea,Kineseope,Vibrationeleaning
1引言
超聲波清洗以它獨特的優勢己廣泛應用于
工業生產的清洗領域,其清洗的主要機理是超
聲波在清洗槽液體介質中傳播時所產生的空
化、輻射壓、聲流等物理效應l[],在這些綜
合效應的作用下,使物件表面及縫隙中的污物
迅速脫落,再經漂洗、沖淋等工序,使物件表
面達到凈化的目的。但對于像顯像管這樣的半
封閉物件及一些特殊物件腔體內壁的清洗,用
這種通用的清洗方法不僅清洗不干凈(不容易
沖淋),而且容易給被洗物件帶來二次污染及表
面腐蝕等缺點z[]。作者根據超聲波在固體介質
(被洗物件)中傳播時,能引起介質質點振動
位移振幅和極大的瞬時加速度這一特點隊4},
研制了一種無需任何清洗液的超聲波顯像管振
動清洗機。本文從理論上分析說明超聲波顯像
管振動清洗的機理和方法,給出超聲參量的選
46
·
21卷3期(2002)取標準和超聲振動系統的結構形式及應注意的
問題。
2顯像管振動清洗的原理和方法
在顯像管自動生產線上,各部件的清潔度
對整機質量有著極其重要的影響。把非常干凈
的管屏與屏錐在400多度高溫爐中燒結成一體
的生產工序中,會使顯像管外壁內腔殘留有玻
璃焊渣、氧化物、塵垢等污物,特別是腔內的污
物在抽真空前必須徹底清理干凈,否則,會引
起電視機高壓打火。而目前普遍采用敲打加吹
風的清洗方式,清洗時間長,且良品率較低。
若改用傳統的超聲波清洗,就必須有液體清洗
介質。若將剛從400多度高溫爐中傳送出來的
顯像管直接送進最高只能達到10o0C的清洗介
質中清洗,其一有可能因熱脹冷縮而使顯像管
炸裂,其二不容易使腔內污物徹底排出。根據
超聲波在固體介質中傳播時,能引起介質質點
在它的平衡位置來回加速振動這一特點,作者
采用如圖1所示的無需任何清洗介質的超聲波
干振動清洗方法,使顯像管在原敲打加吹風的
基礎上再加上超聲波振動,加速與腔內壁結合
比較牢固的玻璃焊渣、氧化物等與內壁表面快
速脫離。
傳遞給顯像管,使顯像管玻璃介質質點在聲波
振幅的作用下與超聲振動系統共振在同一頻率
上。適當調節氣缸加壓系統的行程,給顯像管
一個與超聲振動系統相反方向的推力F,使顯
像管與超聲振動系統之間有緊密的接觸,以便
聲波有效傳遞。此時,顯像管與超聲振動系統
就組成了一個共振體,顯像管玻璃介質質點在
其平衡位置來回加速振動,使附著在顯像管內
腔外壁的玻璃焊渣、氧化物、塵垢等污物能與
腔體快速分離或松動,已經松動了的污物在高
速機械敲打的作用下及時與腔內壁脫離。高壓
熱風通過不銹鋼管進入顯像管內腔,在管腔內
壁表面形成高速漩渦氣流,把脫離腔體的玻璃
焊渣、氧化物、塵垢等污物經過管徑口與不銹
鋼管之間的空隙吹到腔外,達到安全優良、快
速高效的無污染清洗。加熱器給超聲振動頭加
熱,減小與顯像管相接觸時的溫差,保證顯像
管不會因溫差效應而損壞。
超聲波顯像管振動清洗效果的好壞與選擇
合適的超聲波振幅、頻率及功率參數至關重
要。當超聲波在顯像管玻璃介質中傳播時,
玻璃質點在它的平衡位置做如圖2所示的振
A
Am
...
超聲波波波.自動控控
發發生器器器制系統統
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圖2介質質點的振動波形
圖1顯像管振動清洗原理結構圖
超聲波電發生器輸出一方波電信號,經電
感匹配后變成正弦波送至壓電陶瓷超聲振動
系統,超聲振動系統將聲波經變幅桿與振動頭
動,其振動的最大位移振幅的絕對值為A。。
A=A,。sin(2公t一必)(1)
式中、=2T7f為角頻率,f為超聲波的振動頻
率,功是相位常數。對于顯像管玻璃材質,其
位移振幅不能太大,否則會使顯像管玻璃材料
的振動超過它的可伸縮范圍而損壞顯像管。超
聲波引起玻璃質點的振動速度v是玻璃質點位
dA
勺=麗
換能器發熱,工作不穩定。
二A?oc(s2`卜司(z)3超聲波發生器和換能振動系統
A磯為玻璃質點振動速度的振幅。從而得到玻璃
一AmoZ51。(2。藝一價)(3)
從(3)式中可以清楚地看出,玻璃質點加速
度振幅的絕對值為A。護,即A。(2T7)f2,也
就是說,玻璃質點振動的加速度的增加與超聲
波頻率的平方成正比,如果超聲波頻率選得比
較高,玻璃質點振動的加速度也就相當高,若
超出了玻璃的疲勞強度范圍,同樣會振裂顯像
管。
根據19英寸顯像管形狀大小、玻璃材料
的性質及污染物與工件接觸的緊密程度,經反
復實驗比較,選取超聲波顯像管振動清洗機的
頻率f=19.ksHz,功率在O一300W范圍內連續
可調,隨著功率的變動,振動系統的振動位移
振幅從O一20群m連續可變。當振動位移振幅為
10拼。時,顯像管玻璃介質質點加速度的絕對
“=Am護二a。(2T7)f“
=10、10一6x(2x3.14火19.5x103)2
=1.5x105(m/52)
如此大的加速度使顯像管玻璃質點在平衡
位置來回加速振動,使附著在顯像管腔內壁表
面上的焊渣、氧化物等污物快速松動或與表面
脫離,通過高壓吹風和快速機械敲打,使已松
動的污物及時脫落并排到腔外。當然,在頻率
一定時,增大振幅方可提高振動清洗的速度,
但振幅不能過大,否則會使顯像管玻璃材料的
振動超過玻璃材料的伸縮范圍而損壞顯像管。
同樣,當位移振幅一定,增加頻率時,可大幅
度提高質點的加速度和作用力,同樣也能加快
振動清洗的速度。但作用力若超出玻璃材料的
疲勞強度范圍同樣也會損壞顯像管。而且頻率
提高后,振動能量的損耗也會相對增大,導致
在超聲波顯像管振動清洗系統中,系統的
穩定性是一個至關重要和不容忽視的問題。為
了能確保聲波振幅的恒定及系統頻率的調諧,
在超聲波發生器中,采用了具有恒振幅自動控
制及鎖相環路(PLL)頻率自動跟蹤系統,使
超聲波振動系統始終具有恒定的功率輸出,且
諧振于整個系統的共振頻率上。超聲振動系統
是顯像管振動清洗穩定性的核心部分,由換能
器、變幅桿和振動頭(工具頭)組成一維縱向
振動,如圖3所示。四片砂50x價20`6的PZT
二dv一dt一一
4片壓電晶片夾芯式換能器復合變幅桿
傳振面
加緊螺帽
臀分分
圖3超聲振動系統結構圖
壓電陶瓷晶片通過級聯并接方式組成夾芯式換
能器,階梯形復合變幅桿把換能器轉換而來的
機械振動放大2.5倍后傳送給等截面直桿式振
動頭。由于顯像管屏玻璃的外表面不是一個平
面,振動頭與顯像管的接觸不是面接觸,基本
上屬于點接觸,所以振動頭的端面采用圓弧結
構。因環形加熱器緊套在超聲振動系統的振動
頭上,并且溫度較高,使超聲振動系統因內耗
發熱導致整個清洗系統工作性能不穩定。為了
提高超聲振動系統的轉換效率及穩定性,一方
面采用了足夠的冷卻系統,另一方面在超聲振
動系統的設計、選材及材料的預處理方面作了
精心考慮。鑒于變幅桿和振動頭在振動系統中
的力學條件,為了防止變幅桿和振動頭由于金
屬疲勞及局部過熱而損壞,變幅桿采用內部功
率損耗小、抗疲勞性能好、剛度高并有一定韌
性的45號鋼經過特殊高溫調制而成,振動頭
采用耐磨損、低內耗發熱的欽合金材料制作,
(下轉第20頁)
21卷3期(2002)厚度不變的情況下,改變長、寬、高中的
任意一尺寸,其同相振動模態諧振頻率的變化
小,諧振頻率將增高,以高度方向尺寸變化對
諧振頻率影響為最小。
表1同相振動模態諧振頻率隨尺寸的變化關系
值的影響,又以改變前者為最明顯。
3結論與討論
壁厚度換能器尺一寸
(mm)
諧振頻率
(kHz)
1.0564
1.0621
1.1137
12187
1.4700
1.4872
1.1137
1.5820
1.8267
18754
1.9836
1.8290
寸不變時,若換能器的壁厚度值增大,則換能
器的剛度增大,諧振頻率值會上升;厚度不變
的情況下,減小長與寬尺寸,其自由振動的波
長縮短,頻率也會有所增高;而高度變化基本
不影響共振波長,僅對剛度和共振質量稍有影
響。
不一定所有的尺寸都具有理想的同相振動
模態,即呼吸模態。因而,實際設計中,必須
進行優選。
參考文獻
長、寬、高尺寸不變時,換能器壁厚的改
變,與換能器壁厚不變時,改變長與寬尺寸中
的任意一個,對換能器同相振動模態諧振頻率
OswinJ,DunJ.Frequene叭PowerandDePthPerofr-
maneeofClassIVFlextensional尸Yransdueers.Power
sonieandultrasonie腸ansdueersDesign.Ed.勿
B
.
Hamonie,J.N.DeearPiglly.Proeeedingsofthei-n
ternationalworkshoP,Mya26and27,HeldinLille,
尸、創尸、劍產、副廠、護八韶產、剎產、州廣、別產、滬產、夕尸、護產叼產、曰產、日廣、J廣、產產俐戶側尸、創產、.尹滬、側廣、州尹、剎產、夕產側產、尹廣、洲產側產夕產、叼廣、剎產、奮產、`滬尸、產、洲產、口產、韶乃勿滬八劍尸、側產、口尸、曰廣、日產、以產、曰了、曰產、曰產、曰產、廣、滬廠、側尸、韶了、側產、側尸、曰
(上接第48頁)
從而提高了系統的穩定性和耐磨性。
4結論
線兩年多,連續工作160小時不關機,操作簡
單,性能穩定,清洗效果良好,清洗時間305,
比原來的清洗效率提高了兩倍,且產品的優良
品率大大提高。
在超聲波顯像管振動清洗系統中,由于顯
像管玻璃材料比較脆,抗拉強度底,所以振動
的位移振幅選為5一10拼m,頻率f=19.ksHz,
相應的加速度則為75000一150000m/52范圍。該
清洗系統已用于企業19英寸顯像管自動生產
參考文獻
大出版社,1993,13一18.
20卷3期(2002)
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