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(kuò)大，已廣泛應(yīng)用于現(xiàn)代工業(yè)。鋼絲、鋼絲繩生產(chǎn)過(guò)程中，常會(huì)有灰塵、油脂、鐵銹等黏附其表面，這些雜物對(duì)鋼絲、鋼絲繩的后道加工不利。對(duì)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問(wèn)題。普通超聲波清洗設(shè)備在清洗鋼絲、鋼絲繩時(shí)，隨著超聲波換能器工作溫度升高和使用時(shí)間延長(zhǎng)，超聲波換能器的各方面參數(shù)會(huì)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(hào)不同相)，使超聲波輸出功率衰減，清洗效果受到影響。為此江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司工程裝備中心設(shè)計(jì)并制造了種可以自動(dòng)跟蹤超聲波換能器參數(shù)，自動(dòng)調(diào)整超聲波諧振頻率，重新達(dá)到輸出功率的自適應(yīng)超聲波清洗機(jī)。1 超聲波清洗機(jī)原理及優(yōu)點(diǎn)    超聲波頻率是高于20 kHz，般人耳聽(tīng)不到的聲波，主要有橫向振蕩和縱向振蕩2 種形式。橫向振蕩只能在固體中形成，縱向振蕩在固體、液體、氣體中均可產(chǎn)生。1． 1 超聲波清洗的主要作用原理(1)空化作用。空化作用就是超聲波以每秒2萬(wàn)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(shí)，液體中產(chǎn)生真空核群泡現(xiàn)象;在壓縮力作用時(shí)，真空核群泡受壓力壓碎時(shí)產(chǎn)生強(qiáng)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。(2)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(dòng)的現(xiàn)象稱(chēng)為直進(jìn)流。聲波強(qiáng)度在0． 5W/cm2 時(shí)，肉眼能看到直進(jìn)流垂直于振動(dòng)面產(chǎn)生流動(dòng)，流速約為10 cm/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(duì)流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快。(3)加速度。    由液體粒子推動(dòng)而產(chǎn)生加速度。對(duì)于頻率較高的超聲波清洗機(jī)，其空化作用很不顯著，這時(shí)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(duì)污物進(jìn)行清洗。這種加速度在28kHz 時(shí)是重力加速度的103 倍，在950 kHz 時(shí)是重力加速度的105 倍，但950 kHz 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(diǎn)    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(duì)縫隙、凹凸面、深孔處亦可清洗干凈，對(duì)工件表面無(wú)損傷，節(jié)省熱能、清洗劑、場(chǎng)地和人工等。特別對(duì)工件表面比較復(fù)雜的、凹凸不平的、有盲孔的機(jī)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(jī)的原理與構(gòu)成2． 1 自適應(yīng)超聲波清洗機(jī)原理    普通的超聲波清洗機(jī)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 ～25 kHz)交流電，并通過(guò)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(jī)械振動(dòng)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(jī)的關(guān)鍵是對(duì)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(dòng)態(tài)容抗的變化，使阻抗匹配電感和超聲波換能器動(dòng)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(shí)時(shí)捕獲該電壓與電流信號(hào)的相位關(guān)系就可以做到超聲波清洗機(jī)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(chēng)為超聲波電源，是種產(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，般需要大于1． 5 kW，故采用半橋逆變型電源超聲波發(fā)生器(1) 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(zhuān)門(mén)為工業(yè)控制提供的個(gè)功能增強(qiáng)型低功耗和高性能芯片，由數(shù)字馬達(dá)提供的個(gè)單芯片DSP 控制。該芯片具有較高的數(shù)據(jù)運(yùn)算能力和強(qiáng)力的PWM 控制性能，完全勝任智能控制。(2) 電壓采樣可直接采集數(shù)字PWM 電路的PWM 信號(hào)作為電壓相位;電流采樣用Allegro Microsystems公司的ACS712ELCTＲ － 30A － T 的集成線性霍爾電路傳感器，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(hào)相位就是實(shí)際電流相位。(3)智能控制中心采集電壓和電流相位進(jìn)行運(yùn)算處理后，得到合適頻率的PWM 信號(hào)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(dòng)電路來(lái)驅(qū)動(dòng)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。(4)用于超聲清洗的換能器有2 種類(lèi)型。是磁致伸縮換能器，另種是壓電陶瓷換能器。磁致伸縮換能器因價(jià)格昂貴，制造工藝復(fù)雜而很少被采用。還有種用鐵氧體材料做成的磁致伸縮換能器，其機(jī)械強(qiáng)度低，所能承受的電功率容量小，因而內(nèi)也很少應(yīng)用。我主要采用壓電陶瓷換能器，電聲轉(zhuǎn)換效率高，原材料價(jià)格便宜，而且便于制造不同的結(jié)構(gòu)來(lái)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(guò)對(duì)比，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(jī)換能器。(5)粘有換能器的輻射板所承受的電功率強(qiáng)度般低于1 ～ 2 W/cm2，對(duì)于壓電陶瓷換能器般取0． 5 ～ 1 W/cm2。過(guò)高的強(qiáng)度會(huì)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。4 結(jié)語(yǔ)    江蘇法爾勝泓昇集團(tuán)有限公司工程裝備中心設(shè)計(jì)并制造的自適應(yīng)超聲波清洗機(jī)，已成功應(yīng)用于法爾勝集團(tuán)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(jī)和普通超聲波清洗機(jī)分別使用2 年半后進(jìn)行比較，普通超聲波清洗機(jī)輸出功率僅為額定功率的70% 左右［7］，而自適應(yīng)超聲波清洗機(jī)輸出功率是額定功率的96． 8%左右，清洗效果更好。