专利名称：水下构建物的超声清洗装置及方法
技术领域：
本发明涉及一种水下构建物的超声清洗装置及基于超声清洗装置的超声清洗方法，属于超声波技术领域。
背景技术：
大坝闸门或者水管内壁等设备由于工作在水下，长年累月会生水垢而影响正常功能的发挥甚至造成设备损坏，在洪水到来时若闸门无法正常开启后果将不堪设想。目前，闸门或者水管内壁等设备的常用的方法有两种
1、第一种是使用高压射水进行清洗，此方法的缺点在于，若流速过快会造成压力过大，伤及油漆及构建物本身，但若减小流速，清洗效果就会大打折扣；
2、第二种是只有在停工时清洗，在无水的情况下通过人工施以机械振动将水垢松动，然后高压射水进行清洗。使用这样的做法就必须停工，另一方面人工敲击力度大小难以准确把握，容易因用力过猛导致闸门或者水管损伤，还有一些特殊情况的闸门水管，存在施工困难等缺陷。
发明内容
本发明要解决的技术问题是克服现有技术中清理闸门或者水管内壁等设备的水垢存在的一些问题，如使用高压射水进行清洗时，若流速过快会造成压力过大，伤及油漆及构建物本身，但若减小流速，清洗效果就会大打折扣，又如水闸停工后，进行人工敲击，但力度大小难以准确把握，容易因用力过猛导致闸门或者水管的损伤，还有特殊区域的闸门或者水管，不易施工的问题。本发明设计的水下构建物清洗装置及方法，方便、高效，清洗效果更好，无需停工，具有良好的应用前景。为了解决上述技术问题，本发明所采用的技术方案是
一种水下构建物的超声清洗装置，包括电源部分和清洗部分，所述电源部分为两路输出，分别通过电缆与所述清洗机件相连接，所述清洗部分包括清洗机件和用于防止清洗机件进水的防水装置，其特征在于所述清洗机件包括超声波清洗装置和水射流清洗装置，所述超声波清洗装置包括相连接的超声波电能产生装置和超声换能装置，所述射流产生装置包括通过射流管路相连接的高压水泵和喷头。前述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述超声波电能产生装置包括依次联接的信号发生器、功率放大器和阻抗匹配模块，所述超声换能装置包括由换能器和聚焦体模块，所述换能器的电源输入端与超声波电能产生装置的电源输出端相连接，所述换能器的超声波输入端与聚焦体模块的超声波输出端相连接，所述的超声波聚集模块包括固定在一起的柱状压电换能器和变幅杆，所述变幅杆设置在柱状压电换能器的前端，所述柱状压电换能器由若干片压电片并联组成，且将柱状中心设为空心。前述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述防水装置包括外壳及外露于导体表面的耐热绝缘物体，外露的导电部分采用热熔胶密封，外露的非导电的外壳整体用胶皮包裹，且在外壳与导电部分接触区域采用热熔胶密封防水。前述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述若干片压电片的数量为四片，且压电片采用陶瓷制成。前述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述喷头包括若干个喷嘴，所述喷嘴上设有多个喷孔，且喷孔的数量随着喷嘴数量增加而减少。一种水下构建物的超声清洗方法，其特征在于在所述超声清洗装置上进行水下构建物的清洗包括以下步骤 步骤(I )，先将超声波换能装置没入于水中，将超声波清洗装置产生的超声波经超声换能装置中的变幅杆聚焦，控制聚焦后的超声波靠近水下构建物所处的水环境；
步骤(2)，经过超声空化效应后，破坏水下构建物的不溶性污物；
步骤(3)，通过水射流清洗装置中的高压水泵产生高压低速水流，通过变幅杆形成低压高速的射流，冲洗步骤(2)所述破坏水下构建物的不溶性污物后的水下构建，使垢物脱落。本发明的有益效果是采用换能器将超声电源产生的超声波电能转换成机械振动，向闸门或者水管等清洗物件进行辐射超声波，促使超声空化形成，空化所产生的巨大压力能破坏不溶性污物(如水垢浊物)，而使它们分散于溶液，达到清洗难溶物的效果，整个过程都能够在液体环境中进行，装置防水效果好，本发明的清洗方法通过超声波清洗装置产生的超声波经超声换能装置中的变幅杆聚焦后，破坏不溶性污物，并通过水射流清洗装置中的高压水泵形成的低压高速的射流，冲洗被清洗表面，使垢物脱落，与已有人工敲击或者单独的高压射水进行清洗的方法相比，清洗方便、高效、效果更好，无需停工，具有良好的推广前景。
图I是本发明的水下构建物的超声清洗装置的示意图。图2是本发明的喷嘴数、打击力及射流面积的关系图。附图含义如下
I :压电片；2 :变幅杆；3 :电源部分的输入端；4 :喷头。
具体实施例方式下面将结合说明书附图，对本发明作进一步的说明。如图I所示，本发明的水下构建物的超声清洗装置采用超声空化进行清洗，超声空化是液体中由于超声的物理作用，在液体内的某一区域会形成局部的暂时的负压区，于是在液体中产生空穴或气泡，这些充有蒸气或空气的气泡处于非稳定状态，当它们突然闭合时，会产生激波。因而在局部微小区域产生很大的压力，从而把聚集起来的声场能量在液体中极小的空间内迅速释放出来，形成异乎寻常的高温(可高达5000K以上)、高压(可高达5xl07pa)以及强冲击波和射流等极端的物理条件。本发明通过超声波清洗装置产生的超声波，经超声换能装置中的变幅杆(聚焦体)聚焦后，进入水中，使空化效应进行，破坏不溶性污物，然后通过水射流清洗装置中的高压水泵产生高压低速水流，通过变幅杆4 (聚焦体)圆心处的空间到达换能器变幅杆前端，形成低压高速的射流，冲洗被清洗表面，使垢物脱落，两者协同作用达到清洗目的。
本发明的水下构建物的超声清洗装置，包括电源部分和清洗部分，清洗部分包括清洗机件，电源部分的输入端3为标准市电(220V/50HZ AC)，输出部分分两路输出，一路500ff/28kHz的交流信号输至超声波换能器，一路给高压水泵供电的电源，并分别通过电缆与清洗机件相连接，清洗机件包括超声波清洗装置和水射流清洗装置，超声波清洗装置包括相连接的超声波电能产生装置和超声换能装置，水射流产生装置包括通过射流管路相连接的高压水泵和喷头，通过高压水泵产生高压水射流，利用水射流直接冲刷、剥离污垢，具有无污染、无腐蚀，清洗成本低的特点。水射流清洗使用高压水泵打出高压水，并经过射流管路到达喷嘴，把高压力、低流速的水转换为低压、高流速的射流，然后射流以其很高的冲击动能，连续不断地作用在被清洗表面，从而使垢物脱落，最终实现清洗目的。喷头4包括若干个喷嘴，喷嘴上设有多个喷孔，且喷孔的数量随着喷嘴数量增加而减少，喷嘴是高压水射流清洗设备对外做功的最直接执行部件，喷嘴的优劣直接影响高 压水射流清洗设备的性能及清洗效果，喷嘴个数n与打击力F以及射流面积S的关系如图2所示，清洗部分在额定压力和流量状态下工作时，随着喷嘴孔数的增加，各喷孔处的流量减少，喷孔出口最大射流打击力和各喷孔射流作用面积也随之减小，但在同样的射流靶距情况下，多个喷孔的总射流面积增加，且喷嘴个数的增加与喷孔射流打击力的减小和射流面积的增加呈近似线性关系。所述超声波电能产生装置包括依次联接的信号发生器、功率放大器和阻抗匹配模块，信号发生器产生相应的超声信号，通过功率放大器进行功率放大后输入匹配模块进行匹配，使之与电源达到阻抗匹配，保证换能器获得最大的功率与效率。其中信号发生器采用单片机DDS的形式。单片机使用MSP430F149，单片机来控制DDS的工作、停止、频率、功率，DDS使用集成电路，型号为SG3525，SG3525的震荡形式为RC震荡，单片机通过控制R的值来改变DDS的输出频率。控制R的方式为使用数字电位器，数字电位器的型号为X9C102，输出为两路同频反相的方波信号。根据BTL电路输入的信号的需要，共产生了两路同频反相的信号，使两只功放管交替饱和与截止，高效完成功率放大任务。所述超声换能装置包括由换能器和聚焦体模块，换能器的电源输入端与超声波电能产生装置的电源输出端相连接，换能器的超声波输入端与聚焦体模块的超声波输出端相连接，超声波聚集模块包括固定在一起的柱状压电换能器和变幅杆2，变幅杆2设置在柱状压电换能器的前端，柱状压电换能器由若干片压电片I并联组成，且将柱状中心设为空心，换能器在超声波电能产生装置的驱动下产生超声波，换能器和聚焦体模块固定在一起，能够使超声波能量聚集，使超声空化的效果更明显，对构建物清洗效果更好，其中换能器的外形对于本发明来说也非常重要，由于在这个水下构建物清洗机是集超声清洗和水射流清洗为一体的，这样超声换能器和高压水射流通道就要在同一个机械结构中实现，因此选择的换能器如图I所示，若干片压电片I的数量为四片，且压电片采用陶瓷制成，震动方向与水射流流向一致，压电陶瓷片两银层面的放置方向与水射流方向相垂直。在上述的超声清洗装置上进行水下构建物的超声清洗包括以下步骤
第一步，先将超声波换能装置没入于水中，将超声波清洗装置产生的超声波经超声换能装置中的变幅杆聚焦，控制聚焦后的超声波靠近水下构建物所处的水环境；
第二步，经过超声空化效应后，破坏水下构建物的不溶性污物；
第三步，通过水射流清洗装置中的高压水泵产生高压低速水流，通过射流管路形成低压高速的射流，冲洗步骤第二步所述破坏水下构建物的不溶性污物后的水下构建，使垢物脱落。由于整个清洗机工作环境在水下，因此机械以及电源的防水就成为一个关键的问题。为了防水，清洗部分设有用于防止清洗机件进水的防水装置，其中防水装置包括外壳及外露导体表面的耐热绝缘物体，外露的导电部分采用热熔胶密封，外漏的非导电的外壳整体用 胶皮包裹，且在外壳与导电部分接触区域采用热熔胶密封防水。电缆由绝缘胶皮包裹，并在接口处滴入融胶以达到防水的目的。以上描述了本发明的基本原理、主要特征及优点。本行业的技术人员应该了解，本发明不受上述实施例的限制，上述实施例和说明书中描述的只是说明本发明的原理，在不脱离本发明精神和范围的前提下，本发明还会有各种变化和改进，这些变化和改进都落入要求保护的本发明范围内。本发明要求保护范围由所附的权利要求书及其等效物界定。
权利要求
1.水下构建物的超声清洗装置，包括电源部分和清洗部分，所述电源部分为两路输出，分别通过电缆与所述清洗机件相连接，所述清洗部分包括清洗机件和用于防止清洗机件进水的防水装置，其特征在于所述清洗机件包括超声波清洗装置和水射流清洗装置，所述超声波清洗装置包括相连接的超声波电能产生装置和超声换能装置，所述射流产生装置包括通过射流管路相连接的高压水泵和喷头。
2.根据权利要求书I所述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述超声波电能产生装置包括依次联接的信号发生器、功率放大器和阻抗匹配模块，所述超声换能装置包括由换能器和聚焦体模块，所述换能器的电源输入端与超声波电能产生装置的电源输出端相连接，所述换能器的超声波输入端与聚焦体模块的超声波输出端相连接，所述的超声波聚集模块包括固定在一起的柱状压电换能器和变幅杆，所述变幅杆设置在柱状压电换能器的前端，所述柱状压电换能器由若干片压电片并联组成，且将柱状中心设为空心。
3.根据权利要求I所述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述防水装置包括外壳及外露于导体表面的耐热绝缘物体，外露的导电部分采用热熔胶密封，外露的非导电的外壳整体用胶皮包裹，且在外壳与导电部分接触区域采用热熔胶密封防水。
4.根据权利要求I或2所述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述若干片压电片的数量为四片，且压电片采用陶瓷制成。
5.根据权利要求I所述的水下构建物的超声清洗装置，其特征在于所述喷头包括若干个喷嘴，所述喷嘴上设有多个喷孔，且喷孔的数量随着喷嘴数量增加而减少。
6.水下构建物的超声清洗方法，其特征在于在所述超声清洗装置上进行水下构建物的清洗包括以下步骤， 步骤(I)、先将超声波换能装置没入于水中，将超声波清洗装置产生的超声波经超声换能装置中的变幅杆聚焦，控制聚焦后的超声波靠近水下构建物所处的水环境； 步骤(2)、经过超声空化效应后，破坏水下构建物的不溶性污物； 步骤(3 )、通过水射流清洗装置中的高压水泵产生高压低速水流，通过射流管路形成低压高速的射流，冲洗步骤(2)所述破坏水下构建物的不溶性污物后的水下构建，使垢物脱落。
全文摘要
本发明公开了一种水下构建物的超声清洗装置及方法，清洗装置包括电源部分和清洗部分，清洗部分包括清洗机件和用于防止清洗机件进水的防水装置，清洗机件包括超声波清洗装置和水射流清洗装置，超声波清洗装置包括相连接的超声波电能产生装置和超声波换能装置，射流产生装置包括通过射流管路相连接的高压水泵和喷头。本发明的清洗方法通过超声波清洗装置产生的超声波经超声换能装置中的变幅杆聚焦后，破坏不溶性污物，并通过水射流清洗装置中的高压水泵及射流管路形成的低压高速的射流，冲洗被清洗表面，使垢物脱落。清洗方便、高效，无需停工，具有良好的推广前景。
文档编号B08B3/12GK102626700SQ20121013828
公开日2012年8月8日 申请日期2012年5月7日 优先权日2012年5月7日
发明者刘建松, 刘进宇, 单鸣雷, 张秀平, 张辛楠, 朱昌平, 汤一彬, 陈娅珺, 韩庆邦, 龚润航 申请人:河海大学常州校区