电解锰阴极板超声波清洗机的声场研究

　　1 电解锰行业的清洗现状

　　为了提高电解锰的产量，电解锰的生产工艺中重要的一道工序就是对阴极板进行清洗。根据生产规模的不同，每个电解车间每天需要清洗5000～10000块阴极板。阴极板的结构与尺寸如图1所示。阴极板由2mm厚的不锈钢板与两块40mm宽的铜条组成，重量为6kg/块。目前，绝大部分清洗由人工手洗完成，极少部分企业采用机械式的清洗机进行刷洗。以上两种清洗方式的缺陷在于工人的劳动强度很大，效率低，清洗不彻底，残留物比较多。

　　2 电解锰阴极板超声波清洗机的设计

　　2.1 超声波清洗原理

　　针对目前阴极板清洗的缺陷，利用超声波产生的空化效应对工件进行清洗。超声波在液体中传播时，会使介质以一个标准大气压为中心产生交替变化的压力。增大超声波的声强，压力振幅也随之增加，并形成负压区。介质处于负压周期时，真空气泡产生并迅速增长; 进入正压周期，气泡受挤压而迅速闭合，产生上千个大气压的压力，即产生“超声空化效应”[1-5]。超声波清洗就是利用介质内部空化产生的高压冲击波而达到清洗工件表面的目的。超声波清洗速度快，效率高，清洗效果好，清洁度高，工件清洁度一致，不存在盲点，不受清洗件表面复杂形状的限制 ，凡是清洗液能浸到、空化能产生的地方都有清洗作用[5]。

　　2.2 清洗机设计

　　根据阴极板的尺寸，设计出阴极板超声波清洗机，如图2所示。外观尺寸为1600mm×1200mm×850mm。根据电解锰生产的特点，用行车将一槽阴极板(59块)一次性吊装放入清洗槽内，清洗2min～3min后吊出，完成一个清洗周期，大大提高了工作效率。

　　3 超声波清洗机的声场分析

　　3.1 空化理论

　　空化过程当中，气泡闭合产生的最大压力可按以下公式来计算[5]:

　　式中Rm为气泡膨胀时的最大半径，R为最小半径，P0为一个标准大气压。由此可知，当R趋于0时，Pmax趋于无穷大，由上式估算，空化过程中局部可产生上千个大气压的压力。取P0=101kPa，空化产生时，气泡在负压区开始膨胀，在正压区迅速闭合，当气泡闭合到初始半径的1/20时[6]，由上式可算出最大压力:

　　3.2 ANSYS声场分析

　　在ANSYS/Multiphysics和ANSYS/Mechanical中可以进行声场分析，通过执行一个谐波响应分析可以解决许多声学问题。分析计算流体 -结构界面上的谐波载荷(正弦变化)引起流体中的压力分布。通过指定载荷的频率范围，可以观察到在不同的频率时压力的分布。

　　3.2.1 建立有限元模型、定义材料属性与单元类型