郭永博， 王洪濤， 尹玉環(huán)， 吳增輝， 劉志川， 杜云龍， 高 晗

(1.哈爾濱工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院， 哈爾濱 150001； 2.上海航天設(shè)備制造總廠有限公司， 上海 200245；3.首都航天機(jī)械有限公司，北京 100076)

1 引言

運(yùn)載火箭貯箱在生產(chǎn)制造和裝配的過程中，不可避免地會(huì)產(chǎn)生各種殘屑多余物，多余物的存在可能引起產(chǎn)品電氣系統(tǒng)短路、裝置損傷、管路阻塞等嚴(yán)重故障，甚至?xí)?dǎo)致發(fā)射任務(wù)的失敗，所以必須對(duì)貯箱內(nèi)多余物進(jìn)行有效地控制。 目前，國內(nèi)傳統(tǒng)的清洗方法是采用人工敲擊的方式，清洗效率低下。 近年來，出現(xiàn)了多種高效的自動(dòng)化清洗方案，主要有高壓水射流、氣液混合清洗以及超聲清洗等。

高壓水射流清洗是利用高壓泵輸出高壓流體介質(zhì)，并經(jīng)過一定的管路噴嘴，形成具備沖擊動(dòng)能的高壓力高流速的射流，連續(xù)不斷地作用在被清洗表面，從而使多余物脫落，最終實(shí)現(xiàn)清洗的目的。 對(duì)于大型回轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)的貯箱，可以采用一種立式的多余物自動(dòng)清理系統(tǒng)，在清理系統(tǒng)末端安裝高壓水射流噴嘴，利用高壓水射流的沖刷，使多余物脫落下來，但對(duì)于大型貯箱內(nèi)部結(jié)構(gòu)較為復(fù)雜，存在大量管路、防晃板等其他設(shè)備，高壓水射流清洗機(jī)構(gòu)展開困難，造成清洗不便。

氣液混合清理貯箱殼體系統(tǒng)采用高壓泵組將氣體和液體加速到音速以上，形成超音速氣液混合流，利用其沖刷貯箱殼體內(nèi)壁表面，將多余物帶走。 與高壓水射流相比，氣液混合清理具有更少的水消耗量，節(jié)省水資源。 同時(shí)具有更小的沖擊壓力，在保證不磨損貯箱殼體表面形貌的前提下，可以通過沖擊去除溶解性顆粒。 氣壓混合清理系統(tǒng)的運(yùn)動(dòng)部件較少，操作便捷，適用于航天貯箱殼體中的一些細(xì)長管道的清洗。 但是氣液混合清洗需要一定壓力、流量的壓縮空氣，清洗過程中會(huì)產(chǎn)生高強(qiáng)度噪聲等問題。

超聲清洗是一種新型的多余物清理方式，利用箱體與多余物的彈性系數(shù)不同，進(jìn)而在振動(dòng)過程中產(chǎn)生的形變位移不同，多余物形成疲勞、裂紋、疏松而脫落，達(dá)到清理的目的。 超聲清洗可大大提高清潔度，清洗快、效率高，適合清洗易碎物品或者結(jié)構(gòu)復(fù)雜，具有狹小縫隙、孔洞的部件，超聲清洗對(duì)于一些結(jié)構(gòu)復(fù)雜的部件，清洗效果十分明顯。

在分析上述各種清洗方法的優(yōu)缺點(diǎn)、應(yīng)用情況的基礎(chǔ)上，同時(shí)考慮到本文研究的貯箱殼體的密閉性，內(nèi)部具有復(fù)雜的結(jié)構(gòu)，本文設(shè)計(jì)一種壓接于殼體外表面的微激振清理方案，不受清洗件內(nèi)部表面復(fù)雜形狀的限制，如貯箱內(nèi)壁表面的環(huán)肋、凹槽、夾縫和深孔、微孔等，以取代傳統(tǒng)人工敲擊的方式，實(shí)現(xiàn)高效自動(dòng)化清洗。

2 仿真模型的搭建

清理方案采用微激振器與翻轉(zhuǎn)臺(tái)配合的方式，實(shí)現(xiàn)貯箱殼體多角度的清洗，提高了清洗效率。 貯箱多余物微激振清理系統(tǒng)模型如圖1 所示，主要由翻轉(zhuǎn)臺(tái)、微激振器陣列和貯箱3 個(gè)模塊組成。 翻轉(zhuǎn)臺(tái)上裝有可以實(shí)現(xiàn)貯箱圓周方向滾轉(zhuǎn)的伺服電機(jī)和可以實(shí)現(xiàn)微激振器陣列軸向移動(dòng)的運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌；貯箱采取兩端固定的方式安裝在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，同時(shí)向貯箱里面注入適量的水，用于多余物的激振清理；微激振陣列安裝在翻轉(zhuǎn)臺(tái)的軸向運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌上，在每個(gè)微激振器上安裝可以實(shí)現(xiàn)徑向移動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置，實(shí)現(xiàn)微激振器在貯箱殼體表面的壓接。 在多余物清理過程中，通過中央控制系統(tǒng)完成微激振器陣列和翻轉(zhuǎn)臺(tái)不同位置的切換。 首先，調(diào)整微激振器的徑向位置，完成與貯箱表面的脫離；其次通過軸向移動(dòng)導(dǎo)軌實(shí)現(xiàn)貯箱整個(gè)軸向的清洗；最后，通過圓周翻轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)貯箱整個(gè)外圓表面的清洗，實(shí)現(xiàn)微激振器與翻轉(zhuǎn)臺(tái)的配合，從而提高貯箱的清洗效率。

圖1 翻轉(zhuǎn)臺(tái)清理系統(tǒng)Fig.1 Turnover table cleaning system

微激振器主要由換能器和變幅桿兩部分組成，換能器通過壓電效應(yīng)將電信號(hào)轉(zhuǎn)換為機(jī)械振動(dòng)，變幅桿遵循能量守恒理論對(duì)機(jī)械振動(dòng)信號(hào)進(jìn)行位移放大，并將該機(jī)械振動(dòng)作用在工具頭上，同時(shí)向介質(zhì)中輻射聲波。 為適用于貯箱殼體清理所需振幅較大的情形，同時(shí)保證穩(wěn)定的振幅輸出，換能器設(shè)計(jì)為夾心式結(jié)構(gòu)，變幅桿選用放大倍數(shù)較大的階梯形結(jié)構(gòu)。 工具頭將超頻振動(dòng)作用到貯箱表面，引起局部高頻振動(dòng)，超聲波通過固體材料傳到內(nèi)部清洗液中，激發(fā)空化效應(yīng)和剪切效應(yīng)，這2 種效應(yīng)是實(shí)現(xiàn)貯箱多余物超聲清理的重要機(jī)制。

為揭示微激振清理下的貯箱多余物脫落機(jī)理，完成對(duì)微激振器結(jié)構(gòu)參數(shù)的數(shù)值研究，本文借助微激振多余物清理系統(tǒng)的建模，分析剪切效應(yīng)和空化效應(yīng)作用下的2 種動(dòng)力學(xué)模型。 微激振器作用下貯箱剪切效應(yīng)的研究屬于動(dòng)力學(xué)問題，微激振裝置輸出高頻超聲振蕩，屬于波的傳播問題，因此適用于采用顯示動(dòng)力學(xué)的分析方法。 為對(duì)復(fù)雜的動(dòng)力學(xué)模型進(jìn)行參數(shù)分析，得到其等效剪切應(yīng)力，采用ANSYS LS-DYNA 模塊進(jìn)行有限元(Finite Element Method， FEM)仿真；為進(jìn)行貯箱內(nèi)部聲場的研究，可以采用有限元分析軟件COMSOL Multiphysics，該分析軟件可以進(jìn)行多物理場耦合的建模仿真研究，適用于基于空化效應(yīng)下的聲場研究。

貯箱多余物微激振清理系統(tǒng)模型如圖2 所示，該模型系統(tǒng)包括激振器工具頭和貯箱殼體。其中，微激振器工具頭的材料為45 鋼，接觸面大小為10 cm×5 cm；貯箱內(nèi)壁及其上加強(qiáng)筋的材料為鋁合金，貯箱直徑設(shè)為2900 mm，壁厚5 mm，長3000 mm，貯箱內(nèi)壁的加強(qiáng)筋寬50 mm，厚10 mm，點(diǎn)焊或鉚接在貯箱內(nèi)壁上。 材料屬性如表1 所示，2A14 鋁合金力學(xué)性能參數(shù)如表2 所示。

圖2 貯箱多余物微激振清理幾何模型Fig.2 Geometric model of micro-vibration cleaning of the tank remainder

表1 各材料屬性Table 1 Material properties

表2 2A14 鋁合金力學(xué)性能參數(shù)Table 2 Mechanical properties of aluminum alloy

2.1 貯箱多余物微激振清理剪切模型

剪切效應(yīng)是指超聲振子多余物清理裝置發(fā)出超聲波脈沖振蕩高彈性波在箱體傳播時(shí)，箱體內(nèi)壁多余物跟隨箱體同步振動(dòng)，由于箱體與多余物的彈性系數(shù)不同，產(chǎn)生形變位移不同，超聲波的吸收和傳播速度不同，導(dǎo)致在界面處產(chǎn)生速度差，形成剪切力，使得多余物脫落，達(dá)到清理多余物的目的。 在超聲激振清洗中，剪切效應(yīng)起著主要的作用。

考慮到貯箱的清理模型是對(duì)稱分布，可進(jìn)行簡化分析，如圖3 所示，創(chuàng)建了1/4 的貯箱有限元仿真模型。 貯箱兩端固定在翻轉(zhuǎn)臺(tái)上，對(duì)模型中貯箱內(nèi)壁兩側(cè)施加固定約束，在仿真設(shè)置中加入對(duì)稱邊界條件；貯箱內(nèi)流體壓力和重力作用在貯箱內(nèi)壁上，如圖4 所示。

圖3 1/4 貯箱有限元仿真模型Fig.3 1/4 FEM simulation model of the tank

圖4 貯箱內(nèi)壁施加流體壓力Fig.4 Fluid pressure applied to the inner wall of the tank

貯箱與工具頭的連接位置施加正弦變位移時(shí)間載荷，模擬激振器工具頭發(fā)出的超聲波傳播。圖5 顯示了振動(dòng)位移隨時(shí)間的變化曲線(工具頭的輸出振幅為0.05 mm，頻率為20 kHz)。

圖5 工具頭的輸出波形Fig.5 Output waveform of the tool head

在網(wǎng)格劃分模塊中，選擇Multizone(多區(qū))網(wǎng)格劃分，此方法能將目標(biāo)區(qū)域自動(dòng)分解成多個(gè)可以掃掠或是自由劃分的區(qū)域，再生成高質(zhì)量的網(wǎng)格。 為了得到更加精確的結(jié)果，對(duì)于工具頭作用的部分進(jìn)行局部加密，距離工具頭越近，網(wǎng)格設(shè)置越密，網(wǎng)格劃分如圖6 所示。

圖6 貯箱有限元網(wǎng)格劃分Fig.6 FEM meshing of the tank

為了充分模擬超聲振動(dòng)在貯箱殼體中的傳播情況，仿真時(shí)間為0.005 s(100 個(gè)周期)。 在時(shí)間上等距的設(shè)置200 個(gè)采集點(diǎn)，保證足夠的數(shù)據(jù)點(diǎn)進(jìn)行后續(xù)處理。

2.2 貯箱多余物微激振清理空化模型

空化效應(yīng)是指當(dāng)液體中有聲波傳播時(shí)，會(huì)產(chǎn)生空化氣泡脈動(dòng)和破裂的現(xiàn)象，空化核在周圍產(chǎn)生上千個(gè)大氣壓，破裂時(shí)具有很高的能量，進(jìn)而破壞不溶性污染物而使其分散在清洗液中。 蒸汽型空化對(duì)污層的反復(fù)沖擊，一方面破壞污物與清洗件表面的吸附，另一方面也會(huì)引起污物層的破壞而脫離。 氣體型氣泡的振動(dòng)能對(duì)固體表面進(jìn)行擦洗，污層一旦有縫可鉆，氣泡就能鉆入裂縫中振動(dòng)，使污層脫落下來。

微激振器作用下的貯箱聲場仿真模型包括貯箱、工具頭和水域3 部分，貯箱尺度相對(duì)于單個(gè)微激振器設(shè)備相對(duì)較大，超聲激振作用范圍主要在貯箱與工具頭接觸附近，為了精確研究換能器作用處的聲場分布，可以將模型的網(wǎng)格中劃分為4個(gè)區(qū)域，如圖7 所示，網(wǎng)格大小按照距離工具頭由近到遠(yuǎn)分別為超細(xì)化、細(xì)化、普通、粗化，網(wǎng)格尺度應(yīng)小于聲波波長的1/5。

圖7 聲場仿真模型網(wǎng)格劃分圖Fig.7 The meshing of sound field simulation model

為了研究穩(wěn)態(tài)下貯箱內(nèi)部聲場的分布，增加頻域下的聲－固相互作用模塊，其中物理場包括固體力學(xué)、壓力聲學(xué)和聲結(jié)構(gòu)邊界。 聲波從水中傳到空氣中其邊界可認(rèn)為是柔軟邊界，并且聲波在水域中傳播時(shí)會(huì)有能量損失，取水中傳播的衰減系數(shù)為5 Np/m，模型輸入溫度設(shè)置為293.15 K，在水域和貯箱殼體的交界處設(shè)置壓力聲學(xué)和固體力學(xué)的耦合邊界，壓力聲學(xué)部分在水域中的邊界設(shè)置如圖8 所示。 微激振器工具頭和貯箱殼體的彈性模量、密度、泊松比等參數(shù)如表1所示，在工具頭與貯箱的接觸面通過設(shè)置指定位移的方式增加0.05 mm 的振幅，同時(shí)在貯箱的兩側(cè)增加固定約束。 在頻域下研究，頻率設(shè)置為20 kHz，穩(wěn)態(tài)求解器使用直接求解器MUMPS。

圖8 水域部分邊界條件Fig.8 The boundary conditions of the water area

3 仿真結(jié)果與分析

3.1 剪切機(jī)理

貯箱殼體在正弦激勵(lì)作用下，其變形云圖隨時(shí)間的變化規(guī)律如圖9 所示。 從圖中可以看出，以工具頭振動(dòng)源為中心，聲波向四周傳播，出現(xiàn)一系列波紋，實(shí)現(xiàn)超聲振動(dòng)傳播的模擬。 為了分析其最大等效應(yīng)力隨時(shí)間的變化情況，繪制其變化關(guān)系曲線如圖10 所示，從圖中可以看出，其最大等效應(yīng)力在一個(gè)周期內(nèi)迅速上升，在時(shí)刻＝T(T為振蕩周期)時(shí)，等效應(yīng)力達(dá)到最大，為130.36 MPa，隨后逐漸下降，等效應(yīng)力在10 個(gè)周期后趨于穩(wěn)定。 考慮到微激振器啟動(dòng)時(shí)沖擊的情形，安全系數(shù)可以選取2.0，則其許用應(yīng)力為188 MPa，其最大等效應(yīng)力低于貯箱的許用應(yīng)力，表明該振幅在許可的范圍內(nèi)，不會(huì)對(duì)貯箱結(jié)構(gòu)造成破壞。

圖9 不同時(shí)刻的變形云圖Fig.9 Deformed cloud images at different moments

圖10 最大等效應(yīng)力隨時(shí)間變化曲線Fig.10 Time curve of maximum equivalent stress

為了分析貯箱與多余物界面處剪切應(yīng)力的變化，定義從振動(dòng)源作用點(diǎn)出發(fā)的軸向和圓周兩條路徑。 基于ABSYS/DYNA 顯示動(dòng)力學(xué)分析，模擬超聲波在貯箱殼體和多余物界面的剪切效應(yīng)，如圖11 和圖12 所示，分別顯示了＝100 T 時(shí)的軸向路徑和圓周向路徑上、、平面上的剪切應(yīng)力隨著不同位置的變化曲線。 軸向路徑曲線中的橫坐標(biāo)為到微激振器作用點(diǎn)的距離，圓周向路徑曲線中的橫坐標(biāo)為從微激振器作用點(diǎn)沿著圓周方向的角度偏移。

圖11 軸向路徑上不同平面剪切應(yīng)力曲線Fig.11 Shear stress curves of different planes on theaxial path

圖12 圓周向路徑上不同平面剪切應(yīng)力曲線Fig.12 Different plane shear stress curves on the circumferential path

圓周向路徑剪切應(yīng)力曲線在軸向剪切應(yīng)力分布圖中可以看出平面和平面的剪切應(yīng)力相近，最大分別為22.096 MPa、20.119 MPa，平面的剪切應(yīng)力較大，最大為69.792 MPa。 3 個(gè)平面的剪切應(yīng)力在距離工具頭250 mm 處都明顯下降低。 在圓周向剪切應(yīng)力分布圖中，平面和平面的剪切應(yīng)力相近， 最大分別為11.581 MPa、10.176 MPa，平面的剪切應(yīng)力較大，最大為76.479 MPa。平面相對(duì)于軸向路徑，平面相對(duì)于圓周向路徑，均沿超聲波振動(dòng)方向傳播，振動(dòng)方向上的剪切應(yīng)力起主要清洗作用。

3.2 空化機(jī)理

貯箱中的液體在超聲振動(dòng)的激勵(lì)下，超聲波使液體內(nèi)部的壓強(qiáng)不斷發(fā)生周期性改變，產(chǎn)生正負(fù)壓，當(dāng)壓力減小時(shí)，液體內(nèi)部或液體與固體界面上會(huì)出現(xiàn)結(jié)構(gòu)斷裂，形成空腔，只有當(dāng)聲波的幅度足夠大時(shí)，所產(chǎn)生的負(fù)壓足夠低，才能滿足上述條件，發(fā)生空化現(xiàn)象，并具有清洗效果，將這種聲波壓力所必須超過的閾值稱為空化閾值。 本文清洗液體采用的是去離子水，空化核較多，取空化閾值為5×10Pa，作為微激振器作用下貯箱內(nèi)產(chǎn)生空化效應(yīng)區(qū)域的判斷基準(zhǔn)。

貯箱內(nèi)水域聲壓仿真分布如圖13 所示，從圖中可以看出，由換能器激振產(chǎn)生的聲壓分布大致呈簇狀，隨著時(shí)間的推移聲壓分布逐漸趨于穩(wěn)定。以激振源為中心，聲壓逐漸變小，形成正負(fù)相間的壓強(qiáng)分布其最大聲壓達(dá)到6.11 MPa。 圖14 所示為貯箱內(nèi)水域聲壓級(jí)圖，可出看出超聲波產(chǎn)生的能量主要集中在激振源附近，以激振源為中心，沿著貯箱殼體和水域界面的軸向和圓周2 個(gè)方向進(jìn)行傳播。

圖13 貯箱內(nèi)水域聲壓分布圖Fig.13 Distribution of sound pressure in the water area of the tank

圖14 貯箱內(nèi)水域聲壓級(jí)圖Fig.14 Sound pressure level diagram in the water area of the tank

為了直觀地看到內(nèi)部的聲壓分布，分別截取垂直于軸線的圓周向界面和平行于軸線的截面，如圖15 所示，從圖中可以看出，聲壓主要集中在沿著貯箱殼體和水域界面處，在遠(yuǎn)離界面的水域中衰減速度很快，因此，空化效應(yīng)更容易在界面位置產(chǎn)生，空化泡在貯箱內(nèi)壁上不斷生成、膨脹、破裂，沖擊貯箱內(nèi)壁表面夾雜的多余物，達(dá)到多余物清理的目的。

圖15 不同界面上的聲壓分布Fig.15 Sound pressure distribution on different interfaces

3.3 微激振器影響參數(shù)分析

微激振器輸出的是超聲正弦振動(dòng)波，其主要設(shè)計(jì)參數(shù)為振幅和頻率。 更大的振幅意味著更高的輸出功率，攜帶更多的能量，作用于多余物上的剪切應(yīng)力更大，使其更容易脫落；同時(shí)聲壓幅值越大，空化泡的數(shù)量也會(huì)越多，可以獲得更好的空化清洗效果。 但另一方面，輸出振幅的增加也會(huì)消耗更多的能源，同時(shí)貯箱也會(huì)受到更大的振動(dòng)沖擊，甚至于對(duì)貯箱造成損傷，因此振幅選取必須適度。

頻率主要影響空化效應(yīng)，頻率越高，空化閾值越高，需要的所需聲壓也就越大，才能激發(fā)空化效應(yīng)。 同時(shí)，頻率越高意味著單位時(shí)間內(nèi)振動(dòng)的次數(shù)越多，攜帶更多的能量，提高了空化效果。 但另一方面，頻率太高會(huì)使超聲波在管壁上傳播時(shí)，聲壓的衰減變得很快，所以為獲得最佳的清洗效果，頻率必須選取適當(dāng)值。

3.3.1 振幅

為了分析振幅對(duì)剪切效應(yīng)的影響，對(duì)上述剪切模型分別施加不同的激振振幅，得到貯箱的Mises 云圖如圖16 所示。 分別施加振幅從10 ～80 μm 的8 組數(shù)據(jù)，其最大等效應(yīng)力曲線如圖17 所示，從圖中可以看出當(dāng)輸入振幅越大時(shí)，貯箱殼體的等效應(yīng)力越大，且呈現(xiàn)出正比關(guān)系，產(chǎn)生的剪切效應(yīng)越明顯。 但當(dāng)激振源振幅達(dá)到60 μm 時(shí)，等效應(yīng)力達(dá)到了184.6 MPa，接近于貯箱材料的許用應(yīng)力188 MPa，不能保證激振器安全的工作，因此，設(shè)計(jì)時(shí)振幅應(yīng)小于等于50 μm。

圖16 貯箱的Mises 云圖Fig.16 Mises cloud map of the tank

圖17 不同振幅下的最大應(yīng)力曲線Fig.17 Maximum stress curve under different amplitudes

為了分析振幅對(duì)空化效果的影響，選取不同聲壓幅值下的空化作用區(qū)域作為衡量指標(biāo)。 為計(jì)算單個(gè)微激振器作用下的空化區(qū)域大小，在微激振空化模型COMSOL 仿真分析中，得到貯箱界面處軸向和周向?qū)?yīng)的聲壓變化曲線如圖18 所示。從曲線中可以看出，沿著軸向和圓周方向上，隨著距離的增大，聲壓逐漸變小，且圓周方向上衰減的更快，即軸向的清洗范圍要比圓周方向的清洗范圍更大。 對(duì)仿真結(jié)果進(jìn)行處理，將空化閾值分別與軸向位置和圓周位置聲壓變化曲線相比較，可以得出軸向和圓周方向的空化距離分別為322 mm和254 mm，對(duì)空化區(qū)域進(jìn)行表面積分可得，貯箱內(nèi)壁的空化效應(yīng)面積為0.678 m。

圖18 貯箱內(nèi)聲壓的變化曲線Fig.18 Variation curve of sound pressure of the tank

為分析振幅對(duì)空化效應(yīng)的影響，將振幅從10～70 μm 的7 組振幅分別作用于空化效應(yīng)模型，并繪制其周向和軸向的聲壓變化曲線，通過表面積分計(jì)算得到其空化區(qū)域在不同的振幅作用下的分布曲線如圖19 所示，可以看出，當(dāng)振幅越大時(shí)，空化區(qū)域面積越大，即聲壓傳播越遠(yuǎn)。 因此，空化效應(yīng)會(huì)隨著振幅的增大而增強(qiáng)，微激振的清洗效果也就越好。

圖19 不同振幅下貯箱內(nèi)空化區(qū)域面積變化曲線Fig.19 Variation curve of cavitation area in the tank under different amplitude

3.3.2 頻率

超聲清洗設(shè)備常用的頻率有20 kHz、28 kHz、40 kHz 等。 超聲頻率的增加會(huì)使空化閾值增加，空化閾值和頻率近似為線性關(guān)系，比例系數(shù)為0.05，計(jì)算這3 個(gè)頻率下的空化閾值分別為500 kPa、500.4 kPa 和501 kPa，空化閾值的差別微小，因此，在研究頻率對(duì)空化效應(yīng)的影響時(shí)，將聲壓幅值設(shè)定為相同值，得到不同頻率作用下的空化區(qū)域面積時(shí)，可以僅考慮頻率的影響。

在COMSOL Multiphysics 進(jìn)行貯箱內(nèi)部聲場的研究中，保持微激振器的輸入幅值不變，分別進(jìn)行20，28 和40 kHz 頻率的仿真，通過上文所述的計(jì)算，得到不同頻率下貯箱內(nèi)固－液界面上發(fā)生空化效應(yīng)的面積如圖20 所示，從圖中數(shù)據(jù)可以看出，隨著超聲振動(dòng)頻率的增加，貯箱和水域界面處發(fā)生空化效應(yīng)的面積增加，即微激振器清理貯箱內(nèi)多余物的效果更好。 但是，空化區(qū)域從28 ～40 kHz提高的比率要明顯小于從20 ～28 kHz提高的比率，增加的幅度是逐漸衰減的，即證明了更高的頻率會(huì)使超聲波在貯箱內(nèi)壁上傳播時(shí)，聲壓的衰減變得更快，并不會(huì)得到成比例清理效果的增加，且頻率越高時(shí)功率越不容易保證，因此激振頻率不能過高。

圖20 不同頻率下的貯箱內(nèi)空化區(qū)域面積Fig.20 Cavitation area in the tank under different frequencies

3.4 排列布置方式

從上文中分析可以得出，超聲波的頻率較高時(shí)，其沿著貯箱和水域界面?zhèn)鞑r(shí)衰減速度很快，單個(gè)激振器的振幅受制于貯箱許用應(yīng)力的限制，因此為了提高貯箱的清洗效率，可以采用多個(gè)激振器配合的清洗方式，以計(jì)算得出的空化區(qū)域面積為依據(jù)，分別沿著貯箱表面的軸向和周向進(jìn)行布置。

3.4.1 周向布置

從3.3.1 節(jié)中可以得出，當(dāng)微激振器的輸出振幅是50 μm、頻率20 kHz 時(shí)，單個(gè)激振器的周向的空化區(qū)域面積為0.678 m，為完成本方案中直徑為2900 mm 貯箱的清洗，需要周向滾轉(zhuǎn)20次以上，因此必須在周向合理布置微激振器陣列，提高清洗效率。 在貯箱外徑2900 mm、壁厚5 mm時(shí)，為保證兩激振器之間區(qū)域都可以發(fā)生空化效應(yīng)，通過計(jì)算，微激振器的間距不應(yīng)大于18.3°，本文選取激振器間周向間距為15°，以3 個(gè)微激振器為例，微激振器陣列的聲壓分布圖如圖21 所示，從圖中可以看出，不同微激振器的聲場疊加到一起形成干涉條紋，最大聲壓為7.14 MPa，與單個(gè)微激振器聲壓相比相差不大，此時(shí)空化區(qū)域面積達(dá)到1.74 m，是單個(gè)激振器作用下的2.5 倍，因此若在周向布置6 個(gè)微激振器時(shí)，僅需貯箱周向轉(zhuǎn)動(dòng)4 次，提高了清洗效率。

圖21 微激振器陣列作用下的貯箱內(nèi)聲場分布Fig.21 Sound field distribution in tank under the action of the micro-vibration array

3.4.2 軸向布置

為了減少微激振器陣列在軸向沿運(yùn)動(dòng)導(dǎo)軌移動(dòng)的次數(shù)，可以將其布置成雙列的方式。 提高清洗效率。 沿軸向可以采用矩陣形式和三角形式來布置。 同樣利用前文得到的單個(gè)微激振器產(chǎn)生的空話區(qū)域，周向間隔15°，對(duì)矩形和三角形的空化區(qū)域仿真模擬圖如圖22 所示，可以看出三角形排布比矩形排布的空化區(qū)域更大，矩形排布的聲場發(fā)生更多的重疊，而三角形排布的聲場分布更加均勻。 同時(shí)，矩形排布中有空化作用空缺的區(qū)域，會(huì)增加微激振器陣列的移動(dòng)次數(shù)，因此軸向采用三角形布置的方式。

圖22 不同排列方式下微激振器的空化區(qū)域分布Fig.22 Distribution of cavitation area of micro-vibration in different arrangements

在三角形排列布置方式中，前文得到在振幅50 μm、頻率20 kHz 的條件下，軸向空化的最長距離為322 mm，考慮到上圖所示的空化區(qū)域作用范圍，通過仿真計(jì)算，并結(jié)合微激振器的外部尺寸，將兩列微激振器的軸向距離設(shè)置為160 mm，此時(shí)，圖示的三角形排布空化區(qū)域面積為3.79 m，完成本文軸向尺寸3000 mm 的貯箱清理，需要軸向移動(dòng)8 次，提高了清洗效率。

4 結(jié)論

本文通過對(duì)剪切效應(yīng)和空化效應(yīng)2 種動(dòng)力學(xué)模型的分析，揭示了貯箱內(nèi)多余物脫落的機(jī)理，結(jié)合對(duì)影響清理效果的微激振器參數(shù)進(jìn)行研究，獲得到最佳設(shè)計(jì)參數(shù)，最終完成微激振器的排列布置方案，結(jié)論如下:

1)貯箱在微激振器作用下，多余物的脫落是剪切效應(yīng)和空化效應(yīng)共同作用的結(jié)果。 沿著振動(dòng)方向上的剪切應(yīng)力起主要清洗作用，聲波主要集中在沿著貯箱內(nèi)壁和水域界面處，并沿著貯箱內(nèi)壁和水域界面的軸向和圓周兩個(gè)方向進(jìn)行傳播。

2)影響微激振器清理效果的主要參數(shù)是輸出的振幅和頻率，在確保貯箱結(jié)構(gòu)安全的前提下，最大振幅為50 μm，當(dāng)頻率為20 kHz 時(shí)，空化區(qū)域面積為0.678 m。 振幅越大，清洗效果越好；頻率在20～40 kHz 變化時(shí)，空化區(qū)域面積隨著頻率的增加而增大，但增加幅度減少。

3)為提高清洗效率可以采用微激振器軸向和周向的排列布置方式，采用三角形布置可以得到最佳的清洗區(qū)域，本文模型沿周向布置角度間隔為15° ，周向布置6 個(gè)激振器陣列時(shí)，需貯箱圓周轉(zhuǎn)動(dòng)4 次；軸向布置間隔為160 mm 的2 列微激振器時(shí)，微激振器陣列軸向移動(dòng)8 次即可完成貯箱內(nèi)壁多余物的自動(dòng)化清理。