超声波显像管振动清洗机的研制_任金莲

超声波显像管振动清洗机的研制_任金莲

超声波显像管振动清洗机的研制*

任金莲张明铎牛勇

(陕西师范大学物理与信息技术学院西安716002)

2100年6月11日收到

摘要本文介绍一种无需任何清洗液且有别于常规超声波清洗机理的超声波显像管振动清洗机。从

理论上分析说明超声波干振动清洗的机理和方法,阐明各超声参量的选取标准和超声振动系统中应

注意的问题。

关键词超声波,显像管,振动清洗

AnultrasonievibrationeleaningmaehineofrkineseoPe

Rl二NJinlianZHANGMingduoNIUYong

(Coll呀eofpl大犷sicsand几ofmra亡jonTeeslnol。助几ShaanxfNc〕mralUnjvesrj执羌,an710062,)

AbstraetAdry一tyPeultrasonievibrationeleaningmaehineofrkineseope15deseribed.

Itseleaningmeehnaismandmethod15analyzedtheoretieally,thestandardofehoosing

ultrasonieParameterandsomeProblemattentionofultrasonievibrationsystemareex-

pounded.Theultrasonievibrationeleaningmaehineofthedry一typedoesnotneeda叮

kindofeleaningagent,anditseelaningmeehanism15dieffrentfromthatoftheusual

ultrasonieeleaningmaehine.

KeywordsUltrasoniewvea,Kineseope,Vibrationeleaning

1引言

超声波清洗以它独特的优势己广泛应用于

工业生产的清洗领域,其清洗的主要机理是超

声波在清洗槽液体介质中传播时所产生的空

化、辐射压、声流等物理效应l[],在这些综

合效应的作用下,使物件表面及缝隙中的污物

迅速脱落,再经漂洗、冲淋等工序,使物件表

面达到净化的目的。但对于像显像管这样的半

封闭物件及一些特殊物件腔体内壁的清洗,用

这种通用的清洗方法不仅清洗不干净(不容易

冲淋),而且容易给被洗物件带来二次污染及表

面腐蚀等缺点z[]。作者根据超声波在固体介质

(被洗物件)中传播时,能引起介质质点振动

位移振幅和极大的瞬时加速度这一特点队4},

研制了一种无需任何清洗液的超声波显像管振

动清洗机。本文从理论上分析说明超声波显像

管振动清洗的机理和方法,给出超声参量的选

46

·

21卷3期(2002)取标准和超声振动系统的结构形式及应注意的

问题。

2显像管振动清洗的原理和方法

在显像管自动生产线上,各部件的清洁度

对整机质量有着极其重要的影响。把非常干净

的管屏与屏锥在400多度高温炉中烧结成一体

的生产工序中,会使显像管外壁内腔残留有玻

璃焊渣、氧化物、尘垢等污物,特别是腔内的污

物在抽真空前必须彻底清理干净,否则,会引

起电视机高压打火。而目前普遍采用敲打加吹

风的清洗方式,清洗时间长,且良品率较低。

若改用传统的超声波清洗,就必须有液体清洗

介质。若将刚从400多度高温炉中传送出来的

显像管直接送进最高只能达到10o0C的清洗介

质中清洗,其一有可能因热胀冷缩而使显像管

炸裂,其二不容易使腔内污物彻底排出。根据

超声波在固体介质中传播时,能引起介质质点

在它的平衡位置来回加速振动这一特点,作者

采用如图1所示的无需任何清洗介质的超声波

干振动清洗方法,使显像管在原敲打加吹风的

基础上再加上超声波振动,加速与腔内壁结合

比较牢固的玻璃焊渣、氧化物等与内壁表面快

速脱离。

传递给显像管,使显像管玻璃介质质点在声波

振幅的作用下与超声振动系统共振在同一频率

上。适当调节气缸加压系统的行程,给显像管

一个与超声振动系统相反方向的推力F,使显

像管与超声振动系统之间有紧密的接触,以便

声波有效传递。此时,显像管与超声振动系统

就组成了一个共振体,显像管玻璃介质质点在

其平衡位置来回加速振动,使附着在显像管内

腔外壁的玻璃焊渣、氧化物、尘垢等污物能与

腔体快速分离或松动,已经松动了的污物在高

速机械敲打的作用下及时与腔内壁脱离。高压

热风通过不锈钢管进入显像管内腔,在管腔内

壁表面形成高速漩涡气流,把脱离腔体的玻璃

焊渣、氧化物、尘垢等污物经过管径口与不锈

钢管之间的空隙吹到腔外,达到安全优良、快

速高效的无污染清洗。加热器给超声振动头加

热,减小与显像管相接触时的温差,保证显像

管不会因温差效应而损坏。

超声波显像管振动清洗效果的好坏与选择

合适的超声波振幅、频率及功率参数至关重

要。当超声波在显像管玻璃介质中传播时,

玻璃质点在它的平衡位置做如图2所示的振

A

Am

...

超声波波波.自动控控

发发生器器器制系统统

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图2介质质点的振动波形

图1显像管振动清洗原理结构图

超声波电发生器输出一方波电信号,经电

感匹配后变成正弦波送至压电陶瓷超声振动

系统,超声振动系统将声波经变幅杆与振动头

动,其振动的最大位移振幅的绝对值为A。。

A=A,。sin(2公t一必)(1)

式中、=2T7f为角频率,f为超声波的振动频

率,功是相位常数。对于显像管玻璃材质,其

位移振幅不能太大,否则会使显像管玻璃材料

的振动超过它的可伸缩范围而损坏显像管。超

声波引起玻璃质点的振动速度v是玻璃质点位

dA

勺=丽

换能器发热,工作不稳定。

二A?oc(s2`卜司(z)3超声波发生器和换能振动系统

A矶为玻璃质点振动速度的振幅。从而得到玻璃

一AmoZ51。(2。艺一价)(3)

从(3)式中可以清楚地看出,玻璃质点加速

度振幅的绝对值为A。护,即A。(2T7)f2,也

就是说,玻璃质点振动的加速度的增加与超声

波频率的平方成正比,如果超声波频率选得比

较高,玻璃质点振动的加速度也就相当高,若

超出了玻璃的疲劳强度范围,同样会振裂显像

管。

根据19英寸显像管形状大小、玻璃材料

的性质及污染物与工件接触的紧密程度,经反

复实验比较,选取超声波显像管振动清洗机的

频率f=19.ksHz,功率在O一300W范围内连续

可调,随着功率的变动,振动系统的振动位移

振幅从O一20群m连续可变。当振动位移振幅为

10拼。时,显像管玻璃介质质点加速度的绝对

“=Am护二a。(2T7)f“

=10、10一6x(2x3.14火19.5x103)2

=1.5x105(m/52)

如此大的加速度使显像管玻璃质点在平衡

位置来回加速振动,使附着在显像管腔内壁表

面上的焊渣、氧化物等污物快速松动或与表面

脱离,通过高压吹风和快速机械敲打,使已松

动的污物及时脱落并排到腔外。当然,在频率

一定时,增大振幅方可提高振动清洗的速度,

但振幅不能过大,否则会使显像管玻璃材料的

振动超过玻璃材料的伸缩范围而损坏显像管。

同样,当位移振幅一定,增加频率时,可大幅

度提高质点的加速度和作用力,同样也能加快

振动清洗的速度。但作用力若超出玻璃材料的

疲劳强度范围同样也会损坏显像管。而且频率

提高后,振动能量的损耗也会相对增大,导致

在超声波显像管振动清洗系统中,系统的

稳定性是一个至关重要和不容忽视的问题。为

了能确保声波振幅的恒定及系统频率的调谐,

在超声波发生器中,采用了具有恒振幅自动控

制及锁相环路(PLL)频率自动跟踪系统,使

超声波振动系统始终具有恒定的功率输出,且

谐振于整个系统的共振频率上。超声振动系统

是显像管振动清洗稳定性的核心部分,由换能

器、变幅杆和振动头(工具头)组成一维纵向

振动,如图3所示。四片砂50x价20`6的PZT

二dv一dt一一

4片压电晶片夹芯式换能器复合变幅杆

传振面

加紧螺帽

臀分分

图3超声振动系统结构图

压电陶瓷晶片通过级联并接方式组成夹芯式换

能器,阶梯形复合变幅杆把换能器转换而来的

机械振动放大2.5倍后传送给等截面直杆式振

动头。由于显像管屏玻璃的外表面不是一个平

面,振动头与显像管的接触不是面接触,基本

上属于点接触,所以振动头的端面采用圆弧结

构。因环形加热器紧套在超声振动系统的振动

头上,并且温度较高,使超声振动系统因内耗

发热导致整个清洗系统工作性能不稳定。为了

提高超声振动系统的转换效率及稳定性,一方

面采用了足够的冷却系统,另一方面在超声振

动系统的设计、选材及材料的预处理方面作了

精心考虑。鉴于变幅杆和振动头在振动系统中

的力学条件,为了防止变幅杆和振动头由于金

属疲劳及局部过热而损坏,变幅杆采用内部功

率损耗小、抗疲劳性能好、刚度高并有一定韧

性的45号钢经过特殊高温调制而成,振动头

采用耐磨损、低内耗发热的钦合金材料制作,

(下转第20页)

21卷3期(2002)厚度不变的情况下,改变长、宽、高中的

任意一尺寸,其同相振动模态谐振频率的变化

小,谐振频率将增高,以高度方向尺寸变化对

谐振频率影响为最小。

表1同相振动模态谐振频率随尺寸的变化关系

值的影响,又以改变前者为最明显。

3结论与讨论

壁厚度换能器尺一寸

(mm)

谐振频率

(kHz)

1.0564

1.0621

1.1137

12187

1.4700

1.4872

1.1137

1.5820

1.8267

18754

1.9836

1.8290

寸不变时,若换能器的壁厚度值增大,则换能

器的刚度增大,谐振频率值会上升;厚度不变

的情况下,减小长与宽尺寸,其自由振动的波

长缩短,频率也会有所增高;而高度变化基本

不影响共振波长,仅对刚度和共振质量稍有影

响。

不一定所有的尺寸都具有理想的同相振动

模态,即呼吸模态。因而,实际设计中,必须

进行优选。

参考文献

长、宽、高尺寸不变时,换能器壁厚的改

变,与换能器壁厚不变时,改变长与宽尺寸中

的任意一个,对换能器同相振动模态谐振频率

OswinJ,DunJ.Frequene叭PowerandDePthPerofr-

maneeofClassIVFlextensional尸Yransdueers.Power

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ternationalworkshoP,Mya26and27,HeldinLille,

尸、创尸、剑产、副厂、护八韶产、刹产、州广、别产、沪产、夕尸、护产叼产、曰产、日广、J广、产产俐户侧尸、创产、.尹沪、侧广、州尹、刹产、夕产侧产、尹广、洲产侧产夕产、叼广、刹产、奋产、`沪尸、产、洲产、口产、韶乃勿沪八剑尸、侧产、口尸、曰广、日产、以产、曰了、曰产、曰产、曰产、广、沪厂、侧尸、韶了、侧产、侧尸、曰

(上接第48页)

从而提高了系统的稳定性和耐磨性。

4结论

线两年多,连续工作160小时不关机,操作简

单,性能稳定,清洗效果良好,清洗时间305,

比原来的清洗效率提高了两倍,且产品的优良

品率大大提高。

在超声波显像管振动清洗系统中,由于显

像管玻璃材料比较脆,抗拉强度底,所以振动

的位移振幅选为5一10拼m,频率f=19.ksHz,

相应的加速度则为75000一150000m/52范围。该

清洗系统已用于企业19英寸显像管自动生产

参考文献

大出版社,1993,13一18.

20卷3期(2002)

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