CN101940994B - 超声波脉冲共振射流旋转喷头装置 - Google Patents
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Abstract
本发明涉及一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，包括超声波换能器及喷头，超声波换能器本体内开设有纵向脉冲射流入口，超声波换能器本体可转动地安装在换能器中心轴上，换能器中心轴与超声波换能器本体之间设置有高压旋转密封装置，换能器中心轴内开设有与脉冲射流入口相连通的轴向高压水通道，换能器中心轴外设置有超声波换能振子；喷头壳体内设置有振荡腔，喷头壳体的下端设置有多个喷嘴，振荡腔内设置有多头变幅杆，多头变幅杆上固定连接有多个微型变幅头。本发明采用旋转式超声波换能器及喷头设计，在喷头壳体内设置有振动腔，在振动腔内设置多头变幅杆，提高了能量转换效能，提高了其清洗宽度和面积，大大提高其清洗效率。
Description
技术领域
本发明涉及利用超声波振荡脉冲射流进行工业清洗、表面涂层剥离、去毛刺、除锈、除漆或者钢材表面除鳞的超声波脉冲共振射流装置，具体地说是一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置。
背景技术
高压水射流技术及装备是20世纪70年代发展起来的一种广泛地应用于工业清洗、切割、去毛刺、表面涂层剥离、除锈除漆等的高新技术。经过几十年的快速发展，已经形成纯水射流、磨料水射流、非定常水射流及超声波水射流等几大领域。在一般的工业清洗中，绝大多数都是采用连续高压纯水射流。在除锈、除漆及表面涂层剥离等工作领域，纯水高压水射流所需高压水的压力一般都在150~250Mpa，而在清除一些较硬的金属涂层及除毛刺等工作，则更需要高达350~420Mpa的连续高压纯水射流才能完成。近年来，磨料水射流及高压水喷丸技术也逐渐应用到工业清洗中，以取代传统的干式喷丸、超高压水、酸洗等传统工艺。利用磨料水射流技术，可以降低水射流的使用压力，但由于在水射流中加入了磨料，因而会造成二次污染，并且也会由于残留的微细磨料而影响清洗表面的质量。
由于连续高压纯水射流和磨料水射流的缺陷，近年来，开发了一种超声波和脉冲清洗技术，以提供非连续，或称之为“子弹束”的高频脉冲水射流。由于水锤现象引起的打击力，通过水射流的高频震荡脉冲得到的打击力的放大倍率约为3~5倍。所以，为了达到同样的清洗能力，只需要用功率小3~5倍的压力源运转。由于超声波脉冲清洗装置可以与更小和更便宜的高压泵一起使用，所以它比连续流水射流清洗更经济。另外，喷嘴，管道和配件中的水射流压力非常小，系统更为稳定。
在现有的超声波脉冲水射流装置中，尽管加拿大专利 PCT/CA2003/001683，美国专利5154347和中国专利200920009813.1中描述的超声波水射流喷咀和装置代表了水射流切割和清洗技术中的实质性突破，但是，在以上3个专利中描述的超声波水射流喷头装置，由于其单喷嘴的特性，尽管单喷嘴的清洗效果和打击力比传统的高压水射流技术提高了3-5倍，但其工作效率仍然较低，实用证明其不是最佳的，仍然有较大的提升空间。
具体地说，以上专利所描述的超声波脉冲射流装置，由于原理和结构的原因，还存在以下各种问题和缺点：
1、现有的单喷嘴涡流喷头的清洗效果较好，可提高打击力和清洗效果5-7倍左右，但由于其清洗宽度很窄，清洗面积很小，所以，单喷嘴涡流喷头的清洗效率较低；
2、现有的脉冲射流旋转喷头，尽管提高了其清洗宽度和面积，但是由于其脉冲射流的混合腔结构的缺陷，喷嘴出口离多头变幅杆较远，超声衰减能量损失大，无法形成稳定的脉冲振荡射流，其打击力和清洗效果较差，清洗效率仍然较低。
发明内容
本发明针对上述问题，提供一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，该喷头装置的打击力和清洗效果较高，并且清洗效率较高。
按照本发明的技术方案：一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，包括超声波换能器及与其固定连接的喷头，所述超声波换能器包括超声波换能器本体，所述超声波换能器本体内开设有纵向脉冲射流入口，所述超声波换能器本体的上端可转动地安装在换能器中心轴上，所述换能器中心轴与所述超声波换能器本体之间设置有高压旋转密封装置，所述换能器中心轴内开设有轴向高压水通道，所述高压水通道与所述脉冲射流入口相连通，所述换能器中心轴外设置有超声波换能振子，所述超声波换能振子固定连接在所述超声波换能器本体上；所述喷头包括喷头壳体，所述喷头壳体内设置有振荡腔，所述振荡腔与所述脉冲射流入口相连通，所述喷头壳体的上端与所述超声波换能器本体的下端固定连接，所述喷头壳体的下端设置有多个喷嘴，所述振荡腔内设置有多头变幅杆，所述多头变幅杆的上端与所述超声波换能器本体相连接，所述多头变幅杆的下端固定连接有与所述多个喷嘴相对应的多个微型变幅头。
所述超声波换能振子为压电陶瓷片，所述压电陶瓷片由压紧装置固定，所述压电陶瓷片与安装在所述换能器中心轴上旋转电刷电连接，所述旋转电刷与超声波信号输入电缆电连接。
所述超声波换能器本体上固定连接有换能器护罩。
所述超声波换能器本体的上端设置有凹腔，所述凹腔的上部固定连接有中空的旋转装置，所述旋转装置通过上轴承及下轴承装配在所述换能器中心轴上，所述旋转装置的下端固定连接有旋转体，所述旋转体的下端固定连接在所述凹腔的底部，所述旋转体内设置有中心通孔，所述中心通孔的上端与所述高压水通道相连通，所述中心通孔的下端与所述脉冲射流入口相连通，所述旋转体的上端与所述换能器中心轴的下端之间设置有所述高压旋转密封装置。
所述旋转体的下端所述凹腔的底部之间设置有铜垫。
所述高压旋转密封装置包括安装在所述旋转体内孔台阶上的油封，所述油封的顶端面与所述旋转体的顶端面平齐，所述油封的顶端面与所述旋转体的顶端面上设置有一个下垫圈，所述下垫圈上设置有上垫圈，所述上垫圈与所述下轴承的外圈相连接，所述换能器中心轴下端的内台阶中设置有自紧弹簧，所述自紧弹簧的下端设置有密封填料，所述密封填料的下端抵靠在所述旋转体上。
所述旋转体上设置有旋转体排泄孔，所述旋转体排泄孔的上端与所述油封和所述换能器中心轴的下端之间的空腔相连通，所述旋转体排泄孔的下端与所述凹腔相连通，所述超声波换能器本体上开设有与所述凹腔相连通的换能器本体排泄孔。
所述微型变幅头为外径递减的阶梯状圆柱体，相邻两段圆柱之间通过圆锥面平滑过渡。
所述多头变幅杆及所述微型变幅头的材质为钛合金。
所述喷嘴安装在喷嘴座，所述喷头壳体、所述喷嘴、所述喷嘴座均采用钛合金制成。
本发明的技术效果在于：本发明采用旋转式超声波换能器及喷头设计，在喷头壳体内设置有振动腔，在振动腔内设置多头变幅杆，提高了能量转换效能，提高了其清洗宽度和面积；采用多喷嘴旋转共振脉冲射流喷头技术，能产生稳定的高频振荡共振脉冲旋转射流，大大提高其清洗效率；采用多头变幅杆，能产生高强度多路振荡脉冲源，提高了打击力和清洗效率；多头变幅杆产生的脉冲能量大，传输距离远、寿命长。
附图说明
图1为本发明的结构示意图。
图2为图1中的A处放大图。
具体实施方式
下面结合附图对本发明的具体实施方式作进一步的说明。
图1、图2中，包括喷嘴座1、喷嘴2、多头变幅杆3、喷头壳体4、振荡腔5、脉冲射流入口6、超声波换能器本体7、压电陶瓷片8、高压旋转密封装置9、旋转装置10、换能器护罩11、旋转电刷12、超声波信号输入电缆13、换能器中心轴14、微型变幅头15，下轴承16、自紧弹簧17、密封填料18、油封19、旋转体20、上垫圈21、下垫圈22、旋转体排泄孔23、压紧装置24、上轴承25、高压水通道26、换能器本体排泄孔27、双头螺柱28、凹腔29、中心通孔30、铜垫31等。
如图1所示，本发明是一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，包括超声波换能器及与其固定连接的喷头。
超声波换能器包括超声波换能器本体7，超声波换能器本体7上端大、下端小。超声波换能器本体7上固定连接有起保护作用的换能器护罩11。超声波换能器本体7内开设有纵向脉冲射流入口6。脉冲射流入口6的上部为一条管道，下部为几个分支。超声波换能器本体7的上端可转动地安装在换能器中心轴14上，换能器中心轴14与超声波换能器本体7之间设置有高压旋转密封装置9。换能器中心轴14内开设有轴向高压水通道26，高压水通道26与脉冲射流入口6相连通，换能器中心轴14外设置有超声波换能振子，超声波换能振子固定连接在超声波换能器本体7上。
超声波换能振子优选采用压电陶瓷片8，压电陶瓷片8由压紧装置24固定，压电陶瓷片8与安装在换能器中心轴14上旋转电刷12电连接，旋转电刷12与超声波信号输入电缆13电连接，超声波信号输入电缆13与超声波信号发生装置电连接。
超声波换能器本体7的上端设置有凹腔29，凹腔29的上部固定连接有中空的旋转装置10，旋转装置10通过上轴承25及下轴承16装配在换能器中心轴14上，旋转装置10的下端固定连接有旋转体20，旋转体20的下端固定连接在凹腔29的底部，旋转体20内设置有中心通孔30，中心通孔30的上端与高压水通道26相连通，中心通孔30的下端与脉冲射流入口6相连通，旋转体20的上端与换能器中心轴14的下端之间设置有所述高压旋转密封装置9。
旋转体20的下端凹腔29的底部之间设置有铜垫31，起密封作用。
如图2所示，高压旋转密封装置9包括安装在旋转体20内孔台阶上的油封19，油封19的顶端面与旋转体20的顶端面平齐，油封19的顶端面与旋转体20的顶端面上设置有一个下垫圈22，下垫圈22上设置有上垫圈21，上垫圈21与下轴承16的外圈相连接，换能器中心轴14下端的内台阶中设置有自紧弹簧17，自紧弹簧17的下端设置有密封填料18，密封填料18的下端抵靠在旋转体20上。
旋转体20上设置有旋转体排泄孔23，旋转体排泄孔23的上端与油封19和换能器中心轴14的下端之间的空腔相连通，旋转体排泄孔23的下端与凹腔29相连通，超声波换能器本体7上开设有与凹腔29相连通的换能器本体排泄孔27。高压旋转密封装置9出现故障时，可通过旋转体排泄孔23及换能器本体排泄孔27将高压水及时排出。
喷头包括喷头壳体4，喷头壳体4内设置有振荡腔5，振荡腔5与脉冲射流入口6相连通。喷头壳体4的上端与超声波换能器本体7的下端固定连接，喷头壳体4的下端设置有多个喷嘴2，振荡腔5内设置有多头变幅杆3，多头变幅杆3的上端通过双头螺柱28与超声波换能器本体7相连接，多头变幅杆3的下端固定连接有与多个喷嘴2相对应的多个微型变幅头15。喷嘴2安装在喷嘴座1，喷头壳体4、喷嘴2、喷嘴座1均采用高强度钛合金材料制成。多头变幅杆3及微型变幅头15的材质也为高强度钛合金材料。
微型变幅头15为外径递减的阶梯状圆柱体，相邻两段圆柱之间通过圆锥面平滑过渡。
本发明的工作过程如下：高压水经高压水通道26和脉冲射流入口6 进入喷头壳体4的振荡腔5中，超声波信号通过超声波信号输入电缆13经旋转电刷12 输给超声波振子压电陶瓷片8，压电陶瓷片8产生超声波振动，通过多头变幅杆3在振荡腔5中与高压水进行能量转换，多头变幅杆3将传输过来的超声波电脉冲转换成高频机械振动，在振荡腔5中与高压水产生共振，把引入的高压水强力扰动，从而产生强力共振脉冲射流；该脉冲射流通过超声波振荡喷嘴2喷射至待加工的工件表面以达到高效的切割、破碎、剥离、清洗及除毛刺的目的。
本发明具有以下优点：
1、采用旋转式超声波换能器及喷头设计，在喷头壳体内设置有振动腔，在振动腔内设置多头变幅杆，提高了能量转换效能，提高了其清洗宽度和面积；
2、采用多喷嘴旋转共振脉冲射流喷头技术，能产生稳定的高频振荡共振脉冲旋转射流，大大提高其清洗效率；
3、采用多头变幅杆，能产生高强度多路振荡脉冲源，提高了打击力和清洗效率；多头变幅杆产生的脉冲能量大，传输距离远、寿命长。
本发明采用涡流脉冲共振射流喷头技术，产生的多头高频振荡共振脉冲射流，提高能量转换效能，大大降低使用压力，节能减排。
Claims (10)
1.一种超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，包括超声波换能器及与其固定连接的喷头，其特征是：所述超声波换能器包括超声波换能器本体（7），所述超声波换能器本体（7）内开设有纵向脉冲射流入口（6），所述超声波换能器本体（7）的上端可转动地安装在换能器中心轴（14）上，所述换能器中心轴（14）与所述超声波换能器本体（7）之间设置有高压旋转密封装置（9），所述换能器中心轴（14）内开设有轴向高压水通道（26），所述高压水通道（26）与所述脉冲射流入口（6）相连通，所述换能器中心轴（14）外设置有超声波换能振子，所述超声波换能振子固定连接在所述超声波换能器本体（7）上；所述喷头包括喷头壳体（4），所述喷头壳体（4）内设置有振荡腔（5），所述振荡腔（5）与所述脉冲射流入口（6）相连通，所述喷头壳体（4）的上端与所述超声波换能器本体（7）的下端固定连接，所述喷头壳体（4）的下端设置有多个喷嘴（2），所述振荡腔（5）内设置有多头变幅杆（3），所述多头变幅杆（3）的上端与所述超声波换能器本体（7）相连接，所述多头变幅杆（3）的下端固定连接有与所述多个喷嘴（2）相对应的多个微型变幅头（15）。
2.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述超声波换能振子为压电陶瓷片（8），所述压电陶瓷片（8）由压紧装置（24）固定，所述压电陶瓷片（8）与安装在所述换能器中心轴（14）上旋转电刷（12）电连接，所述旋转电刷（12）与超声波信号输入电缆（13）电连接。
3.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述超声波换能器本体（7）上固定连接有换能器护罩（11）。
4.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述超声波换能器本体（7）的上端设置有凹腔（29），所述凹腔（29）的上部固定连接有中空的旋转装置（10），所述旋转装置（10）通过上轴承（25）及下轴承（16）装配在所述换能器中心轴（14）上，所述旋转装置（10）的下端固定连接有旋转体（20），所述旋转体（20）的下端固定连接在所述凹腔（29）的底部，所述旋转体（20）内设置有中心通孔（30），所述中心通孔（30）的上端与所述高压水通道（26）相连通，所述中心通孔（30）的下端与所述脉冲射流入口（6）相连通，所述旋转体（20）的上端与所述换能器中心轴（14）的下端之间设置有所述高压旋转密封装置（9）。
5.按照权利要求4所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述旋转体（20）的下端与所述凹腔（29）的底部之间设置有铜垫（31）。
6.按照权利要求4或5所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述高压旋转密封装置（9）包括安装在所述旋转体（20）内孔台阶上的油封（19），所述油封（19）的顶端面与所述旋转体（20）的顶端面平齐，所述油封（19）的顶端面与所述旋转体（20）的顶端面上设置有一个下垫圈（22），所述下垫圈（22）上设置有上垫圈（21），所述上垫圈（21）与所述下轴承（16）的外圈相连接，所述换能器中心轴（14）下端的内台阶中设置有自紧弹簧（17），所述自紧弹簧（17）的下端设置有密封填料（18），所述密封填料（18）的下端抵靠在所述旋转体（20）上。
7.按照权利要求6所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述旋转体（20）上设置有旋转体排泄孔（23），所述旋转体排泄孔（23）的上端与所述油封（19）和所述换能器中心轴（14）的下端之间的空腔相连通，所述旋转体排泄孔（23）的下端与所述凹腔（29）相连通，所述超声波换能器本体（7）上开设有与所述凹腔（29）相连通的换能器本体排泄孔（27）。
8.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述微型变幅头（15）为外径递减的阶梯状圆柱体，相邻两段圆柱之间通过圆锥面平滑过渡。
9.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述多头变幅杆（3）及所述微型变幅头（15）的材质为钛合金。
10.按照权利要求1所述的超声波脉冲共振射流旋转喷头装置，其特征是：所述喷嘴（2）安装在喷嘴座（1）上，所述喷头壳体（4）、所述喷嘴（2）、所述喷嘴座（1）均采用钛合金制成。
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Effective date of registration: 20130201 Address after: 214174, room 168, 802 Olympic Garden, Zhenghe Avenue, Huishan District, Jiangsu, Wuxi Patentee after: Chen Xin Address before: 214174, No. 20, Feng Feng Road, weir Town, Huishan District, Jiangsu, Wuxi Patentee before: Ren Baolin |
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Denomination of invention: Ultrasonic pulse resonance jet rotary spray-head device Effective date of registration: 20150410 Granted publication date: 20120418 Pledgee: Shaanxi credit re Company Limited by Guarantee Pledgor: XI'AN YUANCHENG ELECTRONICS & TECHNOLOGY CO., LTD. Registration number: 2015980000039 |
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Granted publication date: 20120418 Termination date: 20181018 |
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