泥沙顆粒分析專用超聲波洗杯機的研制

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

置方式、網架和水槽尺寸、超聲波探頭密度、清洗溫度等問題，實現了沙杯自動清洗技術。

關鍵詞：洗杯機 超聲波 泥沙顆粒分析

泥沙顆粒級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數，并以此繪制級配曲線的操作過程，是獲取泥沙顆粒級配的斷面分布及隨時間變化過程的基礎，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，是長江航道水文基礎資料，也是為航道整治工程提供的第一手實測資料。

目前泥沙分析工作依據的標準是水利部2010年發布的《河流泥沙顆粒分析規程》（SL42-2010），長江航道中所采用的主要方法為篩分法、粒徑計法，即通過篩分析方法對干樣進行測試，通過粒徑計法對濕樣進行測試。采用粒徑計法進行分析時，需將樣品中不同粒徑顆粒分別沉降到6個沙杯中，通過稱量沙杯重量變化從而獲得該樣品顆粒級配情況。由于長江航道中的樣品主要以濕樣為主，需采用粒徑計法分析的樣品量非常大，所使用的沙杯數量多，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。

原理

超聲波洗杯機的清洗原理主要是利用超聲波在液體中產生空化作用。超聲波在液體中傳播時，當聲波的壓強達到一個標準大氣壓時，其約為0.35W/cm2，此時，在液體中傳播的超聲波壓強峰值時將在液體中將產生一個非常大的力，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。從而使液體因流動而產生數以萬計的微小氣泡，氣泡在周期性的超聲波中，當處于超聲波負壓狀態時，其快速形成和生長，當其處于超聲波正壓狀態時，氣泡則迅速擴大，最后突然閉合消失，同時在氣泡周邊瞬間產生上千個大氣壓的沖擊波，極大的沖擊波將輕易使污漬分散脫落，從而達到清洗效果。該方法具有清洗效果好、無死角、無毒害等特點。

方案設計

泥沙分析沙杯超聲波清洗設備主要由超聲波發生系統、杯身固定裝置、溫度控制系統、進排水系統等組成，設計制造超聲波洗杯機需首先解決超聲波探頭頻率選擇、探頭設置方式、網架和水槽尺寸、超聲波探頭密度、清洗溫度等問題，通過大量試驗，得出以下研究結果：

1、超聲波洗杯機的主要技術指標

通過試驗及需求分析，洗杯機的主要技術指標應滿足表1要求：

2、超聲波探頭頻率的選擇

通過試驗發現，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杯表面標記；頻率高，則清洗效果差，有效清洗距離短，且易產生清洗盲區。將超聲波作用時間設定為2min，對幾種不同頻率的探頭，進行對其作用距離、標志損毀距離、聲音感官進行了反復測試，其試驗結果如下：（見表2）

通過對作用距離、標志損毀情況、聲音感官以及其它方面進行綜合試驗評定，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，放置距離過小可能導致作用力過強從而破壞試驗杯標識，距離過遠則導致清洗不到位。按照經濟、小型化原則，采用沙杯對超聲波探頭放置位置進行試驗，沙杯距探頭距離為18cm，其結果如下：（見表3）

通過綜合分析，最終采用底面放置超聲波探頭形式進行清洗。

4、網架、水槽尺寸確定

依據探頭布置原則，結合實際清洗需求，決定采用四組網架，每組可放置3層，每層8個共計24個試驗杯子，如此一次可清洗96個試驗杯。并以此確定水槽尺寸為（長×寬×高）=65cm×35cm×30cm。（見圖1）

5、超聲波探頭密度的選擇

在水槽尺寸確定的基礎上，為了使水槽中試驗杯放置區域的超聲波作用最強，確保探頭間無作用盲區，需合理安排探頭密度，使其實現在清洗效果的同時達到費用最省的目的。

通過水槽底部放置不同數量探頭，在杯架全滿（即96個試驗杯）的前提下工作2min后觀察清洗效果，每類工況進行兩次試驗取平均值作為評價依據，試驗結果如下：（見表4）

依據以上試驗結果，初步決定采用偏保守的20個探頭，以確保其清潔效果。

6、清洗溫度確定

針對溫度對超聲波清洗效果的影響情況進行了試驗研究，通過對不同溫度下清洗效果進行了試驗，得出以下結果：（見表5、圖2）

表5： 超聲波清洗溫度-時間關系一覽表

因此，溫度控制在45～55℃間可在2min時間內完成試驗杯的清潔工作。

超聲波洗杯機的設計

經過大量試驗，確定了超聲波洗杯機的各項技術指標，并根據其功能及要求，設計出具備生產要求的洗杯機設計圖，并將其進行生產，其主要裝配示意圖見圖3：

完成效果

超聲波洗杯機的研制成功，提高了長江航道泥沙分析沙杯的清洗速度，解決了機械刷頭洗杯的清潔程度低及人工洗杯耗時費力的問題，由設備發送超聲波進行自動清洗，該設備具備自動加熱、自動換水、自動清洗的功能，具有自動化程度高、清洗效果好、運動部件少、工作穩定、能耗低等特點，為長江航道泥沙分析工作貢獻了力量。

（作者單位：長江航道規劃設計研究院）