CN106760418A - 一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，包括机架，机架包括固定机构和锤头机构，所述固定机构内容纳有超声波换能器，所述超声波换能器通过变幅杆连接锤头机构，利用超声波发生器向超声波换能器的输入频率可调的超声波，通过控制超声波频率，使锤头机构传递相应的超声波能量以击碎瓷砖。本发明利用超声波换能器将电流转换成高频低幅的机械振动，变幅杆进一步将振动幅度增大，工具头振动墙面瓷砖，将能量传递到瓷砖，使瓷砖和墙面完整分离，完成瓷砖拆除，并且由于能量传递深度一定，最终破碎后的墙体表面比手工方法平整，解决了墙面瓷砖拆除难的问题。

Description

一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统

技术领域

本发明涉及了一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统。

背景技术

我国人口数量居世界首位，对居民房的需求量很大，现如今房价居高不下，许多人会购买二手房作为过渡房，或者对之前的装修不满意，这就需要对住房进行二次装修，而二次装修过程中的瓷砖拆除是一个费时费力且费用高的过程。若可以将瓷砖完整且快速的拆除下来，拆除下来的瓷砖若形状完整，使用时间不长，则可以继续为其他住房装修时使用，可以节省一定的费用减少材料的浪费。

现阶段，较为高效的手工破碎瓷砖的方法为利用冲击电钻进行碎瓷处理具体方法是，先利用电钻在瓷砖中央钻一个空，使得瓷砖完整性遭到破坏，然后再利用冲击电钻或是钢錾进行敲击，使得墙面上瓷砖脱落。人工拆除瓷砖的方法费力费时，若想快速拆除，则必须将瓷砖破坏掉，并且有可能损坏墙体；若想将瓷砖完整的拆除下来，则需要花费大量的时间和费用。

传统的机械方法是利用锤击的原理，这一方法噪音大，费时费力，并且由于锤击力度不确定，最终获得的墙体表面凹凸不平，并且利用传统的机械方法想要实现瓷砖的脱落必须将瓷砖破坏，不利于二次利用。超声波是一种频率高于20000赫兹的声波，它的方向性好，穿透能力强，易于获得较集中的声能，可用于测距、测速、清洗、焊接、碎石、杀菌消毒等。在医学、军事、工业、农业上有很多的应用。超声波因其频率下限大于人的听觉上限而得名。理论研究表明，在振幅相同的条件下，一个物体振动的能量与振动频率成正比，超声波在介质中传播时，介质质点振动的频率很高，因而能量很大。现阶段市场上的共振碎路机就是利用震动传播能量的原理进行共振碎路。

经检索比较先进的破碎瓷砖机构评述如下：

2013年7月26日沈柯羽申请了一种地面瓷砖破碎机。专利号为：CN 203531336U。该装置属于破碎机的技术领域，具体涉及一种地面瓷砖破碎机，其包括电动机、铁锤曲面圆柱、中间支架以及杠杆结构，所述曲面圆柱顶部表面为曲线面，曲面圆柱底部连接电动机输出轴，曲面圆柱外围设置中间支架，杠杆机构包括杠杆，杠杆的支点设置于中间支架顶部，杠杆的内端连接纵向设置的杆件I，杠件I下端连接可沿曲面圆柱顶部曲面滚动的滚轮，杠杆的外端连接纵向设置的杠件II，杠件II下端连接铁锤。该装置曲面圆柱在电动机的带动下进行旋转运动，进而使与曲面接触的滚轮发生上下往复运动，并通过杠杆作用，时铁锤做上下往复运动，实现击地动作。该装置优点是工作效率高，缺点是锤击对墙体损伤较大，且并不适用于墙面瓷砖。

2014年12月8日陶增林申请了一种超声波破碎一体机，包括底座和固定设置于其上的基座，底座内部设置有温度控制器，温度控制器的顶端设置有温度传输介质，温度传输介质上设置有杯体；基座上设置有全自动的升降臂、液晶显示器和控制面板，升降臂的伸展端固定设置有超声波换能器，超声波换能器的底端设置有变幅杆，变幅杆的一端置于杯体内；控制面板设置有升降按钮、温度设定按钮和时间设定按钮；液晶显示器时时显示工作过程中的参数和数据。通过一体化设计成型，替代了现有技术中的分体式设计，使其占用空间更小、更轻便，其制作成本也比较低。该装置的优点是自动化程度高，过程可控。缺点是多用于乳化分离以及纳米材料的制备，不适用瓷砖类硬脆性材料的破碎，整体工作效率低。

2012年5月3日罗程双、程义红等人申请了一种伸缩式支架电动风镐。专利号为CN202622732 U。包括风镐主体结构、动力豸统、支架结构，风镐主体结构从上到下依次由镐把、风镐筒和组成；支架结构包括伸缩套管，伸缩套管上设有制动器，伸缩套设在风镐筒外部，伸缩套管上部和风镐筒之间设有旋转轴，套管下部和风镐筒之间设有保护支座；动力系统包括蓄电池、机和电源线。本实用新型结构风镐，包括风镐主体结构、动力统、支架结构，风镐主体结构从上到下依次由镐把、风镐。该装置优点是简单、经济。缺点是机械破除瓷砖会损坏墙体及墙面防水处理，得不偿失。

至今，国际上还没有能满足将瓷砖完整且快速拆除的设备，拆除墙面瓷砖大多数依然由人工完成。市场上现有的瓷砖拆除设备均为机械式冲击，不仅噪音大，而且会对瓷砖和墙面造成一定的破坏。所以使瓷砖快速完整地拆除且不损坏墙面在二次装修的过程中具有重要意义，亟需一种墙面瓷砖破碎装置。在瓷砖破碎装置中存在的主要问题是不能对墙面瓷砖实现有效破碎，对不同工作环境适应程度低，整体工作效率低。

传统的手工破碎墙体的方法费力费时，若想快速拆除，则必须将瓷砖破坏掉，并且有可能损坏墙体；若想将瓷砖完整的拆除下来，则需要花费大量的时间和费用；地面瓷砖破碎机铁锤做上下往复运动，锤击对墙体损伤较大，并且并不适用于墙面瓷砖；超声波破碎一体机多用于乳化分离以及纳米材料的制备，不适用瓷砖类硬脆性材料的破碎，整体工作效率低；伸缩式支架电动风镐机械破除瓷砖会损坏墙体及墙面防水处理，得不偿失。以上几种方法都采用机械冲击破碎法，想要将瓷砖从墙体上拆除，必须先把瓷砖破坏，不利于瓷砖的二次利用，并且，由于锤击深度不确定，破碎处理后的墙面难以保证平齐，不利于之后瓷砖的二次铺砌。

发明内容

本发明为了解决上述问题，提出了一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，本发明由超声波发生器产生高频电流，超声波换能器将电流转换成高频低幅的机械振动，变幅杆进一步将振动幅度增大，工具头振动墙面瓷砖，将能量传递到瓷砖，使瓷砖和墙面完整分离，完成瓷砖拆除，并且由于能量传递深度一定，最终破碎后的墙体表面比手工方法平整，解决了墙面瓷砖拆除难的问题。

为了实现上述目的，本发明采用如下技术方案：

一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，包括机架，所述机架包括固定机构和锤头机构，所述固定机构内容纳有超声波换能器，所述超声波换能器通过变幅杆连接锤头机构，利用超声波发生器向超声波换能器的输入频率可调的超声波，通过控制超声波频率，利用超声波换能器将电流转换成高频低幅的机械振动，变幅杆进一步将振动幅度增大，使锤头机构传递相应的能量以击碎瓷砖。

优选的，所述固定机构与机架通过法兰盘连接。固定机构具有缓冲振动的作用，可以防止机架与换能器发生共振，减少能量的损耗。

当然，所述法兰盘也可替换为其他连接件，这些简单替换均属于本领域技术人员在本发明的构思基础上能够想到的简单替换，应属于本发明的保护范围。

优选的，所述固定机构为一对半圆环卡扣，卡扣与机架为螺纹连接，卡扣将超声波换能器上的法兰盘固定于机架上，同时卡扣还具有减缓振动的作用，此结构可以方便超声波换能器的拆装。

优选的，所述机架为圆柱形，由两个半圆柱状壳体组合而成，两部分由螺纹连接，此结构方便携带与手持，可以方便超声波换能器的拆装与更换。

优选的，所述机架上设置有手持装置，所述手持装置为人体工程学设计。

进一步的，手持装置形状为长方体，便于手持，不会使人感到不适。

当然，手持装置可设计成为其他形状，如圆柱等，这些简单替换均属于本领域技术人员在本发明的构思基础上能够想到的简单替换，应属于本发明的保护范围。

进一步的，超声波换能器频率为20KHz，超声波换能器做高频低幅的振动，此种振动可以保证能量的集中分布。

优选的，所述超声波发生器为大功率频率可调的装置。频率范围是17-20KHz，功率范围是3-4KW，在此频率和功率范围内，可以保证拆除瓷砖的效率与能量的合理利用，避免能量的浪费。

优选的，所述超声波变幅杆为圆锥形变幅杆，变幅杆随换能器作高频低幅的振动，变幅杆与换能器和机架相连，变幅杆与机架间由减震装置相连，所述减震装置为变幅杆上的法兰盘与机架相连所形成的结构，法兰盘位于变幅杆节点位置，法兰盘与机架为螺栓连接。这样的设计既可以减缓机架的振动，又可以固定变幅杆，此结构可以使能量集中，便于拆除瓷砖。

优选的，所述锤头机构多对锤头中心阵列式对称设计，具有一个锤头为中心，其余锤头以中心锤头为圆心的圆上成对称分布。

优选的，所述锤头机构具有五个锤头，五个锤头有一个中心处，其余四个锤头在以中心锤头为圆心的圆上成对称分布，四个锤头也位于一个正方形的四个顶点位置。这样的结构可以使能量有效的传递，减少能量的损耗。

所述锤头与瓷砖接触部分为尖端设计。

优选的，为圆锥形设计，锤头圆锥面与瓷砖面的夹角为30°—60°，之后部分为一圆柱，再之后为一圆台，最后部分为一圆柱，圆锥角为90°—120°。此结构可以使能量更加有效的传递到瓷砖与水泥的接合处，更好的达到拆除瓷砖的目的。

进一步的，所述变幅杆为变径杆，且一端与换能器相连接，连接方式为卡扣连接，卡扣连接使二者在机器高频振动工作时不易脱落连接紧密，并且拆装简易方便快捷。

进一步的，所述机架顶端设有防护罩，其目的在于保护锤头不会受到已碎瓷砖的冲击破坏，以及防止灰尘进入机器内部。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：

超声波的波长短，能量密度大，可以使能量有效的集中于瓷砖与水泥的接合处，使水泥碎裂，从而使瓷砖因受重力脱落。超声波换能器的频率与功率均可调，可以依据不同的需求来确定不同的功率与频率，既可以满足要求又可以节约能源。

1.本发明采用超声波进行高频低幅振动碎瓷，产生的能量可以使瓷砖与墙面的接触层完整性遭到破坏，使得瓷砖脱落，瓷砖快速完整地被拆除而且能做到不损坏墙面。

2.本发明所采用超声波能量传递深度一定，所以最终获得的墙体表面基本为一个平整的表面，解决了手工拆除瓷砖后二次加工的工序，节约时间和成本，相较于手工方法有很大的提高。

3.本发明采用超声波瓷砖拆除，和瓷砖表面接触时间短，对瓷砖冲击的一瞬间将能量传递到接触层，保证了瓷砖的完整性。填补了目前国际上还没有能满足将瓷砖完整且快速拆除的设备的空白。

4.本发明采用采用多对锤头对称设计，能够一次完整的覆盖破碎区域，可以提高破碎水泥拆除瓷砖的效率，也可以使能量利用最大化，降低消耗节约了资源，缩短劳动时间节约劳动力，解决了瓷砖拆除效率低，拆除后瓷砖不完整的问题。

5.本发明采用超声波换能装置提供能量，超声波的波长短，能量密度大，可以使能量有效的集中于瓷砖与水泥的接合处，使水泥碎裂，从而使瓷砖因受重力脱落。超声波换能器的频率与功率均可调，可以依据不同的需求来确定不同的功率与频率，既可以满足要求又可以节约能源。

6.本发明利用超声波传递能量进行破碎处理，这一方法比传统方法效率更高，能够高效经济的代替人工，将瓷砖更好更快的从墙体上拆除下来，缩短劳动时间节约劳动力，解放了劳动生产力的同时提升了破碎瓷砖墙面的效率，可以大大节省时间。

附图说明

构成本申请的一部分的说明书附图用来提供对本申请的进一步理解，本申请的示意性实施例及其说明用于解释本申请，并不构成对本申请的不当限定。

图1为这种实施例的轴侧示意图；

图2为这种实施例的整体剖视图；

图3为这种实施例的外壳主视图；

图4为这种实施例的变幅杆壳体的主视图；

图5为这种实施例的锤头壳体的主视图；

图6为这种实施例的超声波换能器的主视图；

图7为这种实施例的超声波变幅杆的剖视图；

图8为这种实施例的锤体的轴侧图；

图9为这种实施例的锤头的主视图和轴测图；

图10为这种实施例的外壳手柄的主视图；

图11为本发明的目标瓷砖简化示意图；

图12为本发明的瓷砖质量分布均匀示意图；

图13为本发明的自振频率的计算示意图；

图14为本发明的负载下圆锥形变幅杆外形图；

图15为本发明的带有工具头的圆锥形变幅杆外形图。

图中，Ⅰ——超声波发生器外壳、Ⅱ——手柄、Ⅲ——超声波变幅杆机壳、Ⅳ——超声波锤头外壳、Ⅴ——超声波锤头、Ⅵ——超声波换能器、Ⅶ——超声波变幅杆、Ⅰ-1——接线孔、Ⅰ-2——换能器固定卡板、Ⅰ-3——半圆卡扣、Ⅰ-4——螺孔、Ⅰ-5——螺孔、Ⅰ-6——螺孔、Ⅲ-1——螺孔、Ⅲ-2——卡扣、Ⅲ-3——机壳壁、Ⅲ-4——变幅杆法兰盘固定槽、Ⅲ-5——螺孔、Ⅲ-6——螺孔、Ⅲ-7——外壳壁、Ⅲ-8——螺孔、Ⅳ-1——螺孔、Ⅳ-2——螺孔、Ⅳ-3——螺孔、Ⅳ-4——塑料壳、Ⅳ-5——塑料壳、Ⅳ-6——塑料壳、Ⅴ-1——锤头连接杆、Ⅴ-2——卡扣、Ⅴ-3——圆盘式连接杆、Ⅴ-4——圆锥式增幅器、Ⅴ-5——圆锥式锤头、Ⅵ-1——接线柱、Ⅵ-2——换能器外壳、Ⅵ-3——方形卡槽、Ⅵ-4——圆环式卡槽、Ⅵ-5——法兰盘、Ⅵ-6——换能器连接杆、Ⅵ-7——卡扣、Ⅶ-1——法兰盘、Ⅶ-2——卡扣、Ⅶ-3——锤头连接口、Ⅶ-4——换能器连接口、Ⅶ-5——卡扣。

具体实施方式：

下面结合附图与实施例对本发明作进一步说明。

应该指出，以下详细说明都是例示性的，旨在对本申请提供进一步的说明。除非另有指明，本文使用的所有技术和科学术语具有与本申请所属技术领域的普通技术人员通常理解的相同含义。

需要注意的是，这里所使用的术语仅是为了描述具体实施方式，而非意图限制根据本申请的示例性实施方式。如在这里所使用的，除非上下文另外明确指出，否则单数形式也意图包括复数形式，此外，还应当理解的是，当在本说明书中使用术语“包含”和/或“包括”时，其指明存在特征、步骤、操作、器件、组件和/或它们的组合。

首先从瓷砖一端计算拆除瓷砖所需要的最低功率以及超声波振幅和频率。

瓷砖一般由水泥粘结在墙体上，瓷砖的粘结强度在P＝0.43MPa左右，瓷砖规格按照边长为0.1米的正方形计算，其面积为S＝0.1²＝0.01m²，则一块瓷砖的粘结力

F＝P×S＝0.43×10⁶×0.01＝4300N (1)

将瓷砖从墙体上拆除需要克服瓷砖粘结力做功，克服粘结力做功的距离l＝1×10^-3m，则拆除一块瓷砖需要克服粘结力做功

W₁＝F×l＝4.3J (2)

本装置采用超声波(声波)震动传递能量，为此需要计算声波能量。

声波平均能流密度就是用单位时间流经某处单位面积介质的能量的平均值(一个周期内)的多少来表示这个地方声音的能量(强度).

公式为：

w＝ρ×ω²×υ×A²/2，(W/m²) (3)

其中为ρ介质密度，ω声音频率，A为振幅，υ为波速.

推导的方法是，计算出该处单位体积介质在某刻的弹性势能和动能的和，求其一个周期内平均值后除以时间(一个周期)和截面积.

其与基准声强比的对数就是常用的声强单位贝尔(更常用的是十分之贝尔，分贝).

或者希望知道的是发声体的能量，这只需要计算发声体震动的功率即可，要注意计算应在一个周期内取平均值，或者仅仅计算瞬时能量也可.

在本背景下，ρ为空气密度1.29Kg/m³，υ为声速340m/s，ω为超声波振动频率20KHz由上述计算可得，所需的平均能流密度

另ω＝ω_需得出A＝7×10^-5m。

由上述计算可得规格为S＝0.1m×0.1m的正方形瓷砖，其粘结力大小为4300N，在20KHz的超声波震动下，所需振幅为A＝7×10^-5m即70微米。

我们已知外界激励频率与自身固有频率越接近，最终引起的震动振幅会越大，所以我们需要计算出瓷砖固有频率，从而增大振动振幅。

1.原理：

将瓷砖进行简化处理，简化后的模型为结构动力学中“双自由度体系”中两端固定的杆件，计算得到瓷砖的自振频率后，在瓷砖上已经选定好的位置通过驱动装置给瓷砖施加频率等于的周期荷载，使瓷砖在外荷载作用下发生共振，利用共振时破坏最大的特性达到瓷砖自动脱离墙面的目的。

2.计算模型：

目标瓷砖可简化为如图11所示n段等截面直杆，两端为固定约束且仅受自重的竖向压杆模型，现取出其中一段来研究，其简化模型如图12，相邻段瓷砖对刚度的影响可用刚度放大系数来调整。

3.计算假定

①假定该段瓷砖质量分布均匀

②假定该段瓷砖质量分别集中在上段形心和下段形心处，即该段瓷砖等效为两个集中质量为1m和2m且分别位于距离上下端为l的直杆，且1m＝2m＝2/m(m为该段瓷砖的质量)，如图13所示。

瓷砖的密度为ρ，截面尺寸为b×t，瓷砖高度为h(h＝4l)，

混凝土的弹性模量为E。

因此令

得i_AB＝i_cd＝2i_BC＝2i。

4.自振频率的计算：

刚度系数的计算如图13所示

同理可得

因此，由公式

其中m＝ρbth，解得

可得，自震频率为1700-2100HZ。

本发明提供了一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，包括设于机架的超声波换能器固定机构和锤头机构，超声波换能器被置于特殊的固定机构之中，超声波换能器固定机构与机架相连，机架上有经过特殊设计的手持装置和超声波换能器的开关，超声波换能器的输入源为频率可调的超声波发生器，通过调节超声波发生器的频率，来提供合适的能量，使装置的效果达到最佳；锤头机构为多个锤头，通过变幅杆与超声波换能器相连，锤头的设计形状便于超声波能量的传递与瓷砖下水泥的破碎与拆除。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述超声波换能器固定装置与机架通过法兰盘连接，固定装置具有缓冲振动的作用，可以防止机架与换能器发生共振，减少能量的损耗。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述超声波换能器固定装置为一对半圆环卡扣，卡扣与机架为螺纹连接，卡扣可以将超声波换能器上的法兰盘固定于机架上，卡扣还具有减缓振动的作用，此结构可以方便超声波换能器的拆装。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述机架为圆柱形，由两个半圆柱状壳体组合而成，两部分由螺纹连接，长度为200mm，直径为80mm，此结构方便携带与手持，可以方便超声波换能器的拆装与更换。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述机架上的手持装置为人体工程学设计，手持装置形状为长方体，长度为50mm，宽度为20mm，高度为100mm，便于手持，不会使人感到不适。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述超声波换能器频率为20KHz，超声波换能器做高频低幅的振动，此种振动可以保证能量的集中分布，换能器长度为182mm，直径约为60mm。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述超声波发生器为大功率频率可调的装置。频率范围是17-20KHz，功率范围是3-4KW，在此频率和功率范围内，可以保证拆除瓷砖的效率与能量的合理利用，避免能量的浪费。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述超声波变幅杆为圆锥形变幅杆，变幅杆随换能器作高频低幅的振动，变幅杆与换能器和机架相连，变幅杆与机架间由减震装置相连，此装置为变幅杆上的法兰盘与机架相连所形成的结构，法兰盘位于变幅杆节点位置，法兰盘与机架为螺栓连接，此结构既可以减缓机架的振动，又可以固定变幅杆，变幅杆长度为90mm，大径为50mm，小径为20mm，此结构可以使能量集中，便于拆除瓷砖。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述锤头机构多对锤头阵列式对称设计，即五个锤头有一个中心处，其余四个锤头在以中心锤头为圆心的圆上成对称分布，四个锤头也位于一个正方形的四个顶点位置，锤头机构的直径为80mm，圆柱直径为10mm，此结构可以使能量有效的传递，减少能量的损耗。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述锤头与瓷砖接触部分为圆锥形设计，设作用在瓷砖“V”形坑破裂面上的拉应力F，

式中，σ为瓷砖的张应力。

向着自由面方向的冲击力N为：

式中，N为滚齿作用在压实体周围瓷砖上压应力所产生的向着自由面的冲击力的合力；dN为在微元弧上的冲击力在卜方向的投影；θ为微圆弧角度。

锤头圆锥面与瓷砖便面的夹角为30°—60°，之后部分为一圆柱，再之后为一圆台，最后部分为一圆柱，锤头整体长度为13mm，大径为10mm，小径为6mm，圆锥角为90°—120°。此结构可以使能量更加有效的传递到瓷砖与水泥的接合处，更好的达到拆除瓷砖的目的。

“V”形破碎坑的形成在破碎冲击力的作用下，瓷砖裂纹的扩展主要三种类型裂纹在形成过程中不是单独的，而是这三种裂纹的综合。因破碎冲击力向着自由面，故裂纹的扩展主要以张开型裂纹为主。瓷砖在破碎冲击力的作用下，一层一层的从面上崩离，和爆炸的效果类似。最终形成了"V"型坑，从单齿破碎瓷砖机理可知，在滚齿作用下将产生大量的裂纹。除少数的张开型裂纹扩展到瓷砖的自由面形成破碎块，瓷砖中存在大量的未发展瓷砖表面的错开型裂纹、撕裂型裂纹。这些裂纹的存在导致相邻沟槽裂纹的贯通而形成大块破碎。我们在变幅杆的节点位置设置法兰盘，机架上设有法兰盘固定装置，从而实现变幅杆的固定以及变幅杆与其他机构的有效连接。

作为优选，上述的一种瓷砖破碎拆除系统，所述变幅杆大头的一端与换能器相连接，连接方式为卡扣连接，卡扣连接使二者在机器高频振动工作时不易脱落连接紧密，并且拆装简易方便快捷。

超声变幅杆外形通常为变截面杆，是超声加工处理设备中超声振动系统的重要组成部分之一。变幅杆是一个无源器件，它本身不产生振动，只是将输入的振动改变振幅后再传递出去，同时也完成了阻抗变换。超声波换能器在合适的电场激励下能产生有规律的振动，其振幅一般在10μm左右，这样的振幅要直接完成焊接和加工工序是不够的。通过合理设计变幅杆，超声波的振幅可以在很大的范围内变化。只要材料强度足够，振幅可以超过100μm。

在实际应用中，变幅杆不可能没有负载。当变幅杆有负载时，其共振频率将发生变化，如果要保持共振频率不变，要适当改变变幅杆的长度。变幅杆的负载随应用场合的不同差别很大，而且在工作过程中负载始终是在变化的。在变幅杆末端负载为机械阻抗，有负载力抗XL时的频率方程为：

当负载力抗XL＝0时，上式与圆锥形变幅杆两端自由时的频率方程式相同。

当XL—∞时，上式与小端为节点的1/4波长圆锥形变幅杆的频率公式相同，输出端的位移等于零。

节点在窄端时，频率公式为

由此解得K_l＝0.97

共振长度：

应变(应力)极大点：由式

解得

θ＝0.022，x_m＝18mm

放大系数：

形状因数：

负载下圆锥形变幅杆外形如图14所示。

当XL可以用等效质量表示时，XL＝wM，M为等效质量，频率方程简化为：

在超声加工应用中，变幅杆的末端需要连接不同形状的工具，用以对材料或零件进行分工处理。有工具头的圆锥形变幅杆共振频率为：

考虑到工具头尺寸比较小，将变幅杆的直径变小，大端直径D1＝60mm，小端直径D2＝20mm，小端上附加工具头直径10mm，材料为45钢，进而求变幅杆长度。

工具头的圆锥形变幅杆的共振长度为：

式中一般取Λ<0.25；S2为变幅杆小端面积；ρ为变幅杆材料密度；c为变幅杆材料中的声速。

工具质量

代入共振频率公式得：

由得：A＝3.99×10^-2

k_l＝3.45,k＝2.34×10^-2,l＝142mm

带有工具头的圆锥形变幅杆外形如图15所示。

有工具头的变幅杆，工具杆的一侧与变幅杆相连，一侧裸露在空气中。在工具杆与空气分界面中，超声波全部反射，在工具杆中形成纯粹的驻波。工具和变幅杆连接的基本要求是：声能传递效率高，使连接部分在连续工作时不发热或发热较少，连接部分不发出尖叫声；架构简单、连接可靠、易于更换。所以当选择工具和变幅杆做成一体的连接方法时，由于没有分离面的存在，能量损失小，有良好的连接强度，适合于工具做大振幅时使用。

换能器与机架通过卡环连接，可以缓冲振动，此外在换能器的中部还设有卡扣连接装置，此双重固定装置目的在于锁死换能器的位置，以减少不必要的能量损失。

变幅杆的小头一端与工作锤头相连接，连接方式为卡扣连接，其目的在于使二者在机器高频振动工作时不易脱落连接紧密，并且拆装简易，方便于更换工具头。

工具头采用多对锤头阵列式对称设计，即五个锤头有一个中心处，其余四个锤头在以中心锤头为圆心的圆上成对称分布，四个锤头亦位于一个正方形的四个顶点位置，此工具头仿照手工拆除瓷砖的方法设计，且工具头采用圆盘式设计，可以有效减缓工具头工作变形，具有覆盖面广，不易变形，同步效果好等优点。

在机器顶端设有防护罩，其目的在于保护锤头不会受到已碎瓷砖的冲击破坏，以及防止灰尘进入机器内部。

超声波的波长短，能量密度大，可以使能量有效的集中于瓷砖与水泥的接合处，使水泥碎裂，从而使瓷砖因受重力脱落。超声波换能器的频率与功率均可调，可以依据不同的需求来确定不同的功率与频率，既可以满足要求又可以节约能源。

本发明工作过程如下：

通电后超声波发生器开始工作，将220V市电转换成与超声波换能器相匹配的高频交流信号，经导线传入到超声波换能器之中，超声波换能器工作，将输入的电功率转化为机械功率即超声波，超声波换能器能把高频电能转化为机械能，一般有磁致伸缩式和压电陶瓷式。电源输出到超声波发生器，再到超声波换能器，一般还要经过超声波导出装置就可以产生超声波了。超声波换能器的组成：包括外壳、匹配层即声窗、压电陶瓷圆盘换能器、背衬、引出电缆，其特征在于它还包括阵列接收器，它由引出电缆、换能器、金属圆环、橡胶垫圈组成。超声波换能器即是谐振于超声频率的压电陶瓷，由材料的压电效应将电信号转换为机械振动.超声波换能器是一种能量转换器件，它的功能是将输入的电功率转换成机械功率(即超声波)再传递出去，而它自身消耗很少的一部分功率。超声波换能器与机架间由一对具有减震作用的半圆环卡扣相连接，可防止机架因超声波换能器而发生振动，从而防止对操作者造成伤害；超声波换能器辐射面所产生的振幅较小，只有几微米，无法直接利用，随后通过超声波变幅杆的放大与聚能作用，将机械振动质点的位移量与运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上。变幅杆与超声波换能器采用卡扣式连接，变幅杆与机架间留有几毫米的间隙，既可以防止干涉，又可以节约空间；变幅杆的振动带动锤头机构的振动，变幅杆与锤头机构为一体式结构。

整台设备工作后，经由人工手持将此设备与瓷砖面垂直放置，并且将锤头与瓷砖面紧密贴合，锤头可以将超声波振动能量传递到瓷砖与水泥中，超声波的机械作用可促使固体的分散，使瓷砖和水泥作受迫振动，使高密度的表面能量转换成一个小的粉碎活性区域，致使瓷砖和水泥的接合处发生碎裂，因使用频率很高的应力，可直接使破碎率得到提高，使瓷砖与水泥之间产生缝隙，当整块瓷砖与水泥之间均有缝隙时，瓷砖可以因重力作用脱落下来，达到快速拆除瓷砖的目的。

如图1-图7所示，我们在Ⅶ——超声波变幅杆的节点位置设置Ⅶ-1——法兰盘，机架上设有Ⅲ-2——卡扣固定装置，从而实现Ⅶ——超声波变幅杆的固定以及Ⅶ——超声波变幅杆与其他机构的有效连接。Ⅶ——超声波变幅杆大头的一端与Ⅵ——超声波换能器相连接，连接方式为卡扣连接，Ⅰ-2——换能器固定卡板与Ⅵ-3——方形卡槽配合连接使二者在机器高频振动工作时不易脱落连接紧密，并且拆装简易方便快捷。Ⅰ-2——换能器与Ⅰ——超声波发生器外壳通过卡环连接，可以缓冲振动，此外在换能器的中部还设有卡扣连接装置，此双重固定装置目的在于锁死换能器的位置，以减少不必要的能量损失。Ⅶ——超声波变幅杆的小头一端Ⅶ-3——锤头连接口与Ⅴ-1——锤头连接杆相连接，连接方式为卡扣连接，其目的在于使二者在机器高频振动工作时不易脱落连接紧密，并且拆装简易，方便于更换工具头。

如图1，图2所示，通电后超声波发生器开始工作，将220V市电转换成与Ⅵ——超声波换能器相匹配的高频交流信号，经导线传入到Ⅵ——超声波换能器之中，Ⅵ——超声波换能器工作，将输入的电功率转化为机械功率即超声波，Ⅵ——超声波换能器与Ⅰ——超声波发生器外壳间由一对具有减震作用的Ⅰ-3——半圆卡扣相连接，可防止Ⅰ——超声波发生器外壳因Ⅵ——超声波换能器而发生振动，从而防止对操作者造成伤害；Ⅵ——超声波换能器辐射面所产生的振幅较小，只有几微米，无法直接利用，随后通过Ⅶ——超声波变幅杆的放大与聚能作用，将机械振动质点的位移量与运动速度放大，并将超声能量集中在较小的面积上。Ⅶ——超声波变幅杆与Ⅵ——超声波换能器采用卡扣式连接，Ⅶ——超声波变幅杆与Ⅱ——手柄间留有几毫米的间隙，既可以防止干涉，又可以节约空间；Ⅶ——超声波变幅杆的振动带动Ⅴ——超声波锤头的振动，Ⅶ——超声波变幅杆与Ⅴ——超声波锤头为一体式结构。

图8所示，Ⅴ——超声波锤头采用多对锤头阵列式对称设计，即五个Ⅴ-5——圆锥式锤头有一个中心处，其余四个Ⅴ-5——圆锥式锤头在以中心锤头为圆心的圆上成对称分布，Ⅴ-5——圆锥式锤头亦位于一个正方形的四个顶点位置，此工具头仿照手工拆除瓷砖的方法设计，且工具头采用圆盘式设计，可以有效减缓工具头工作变形，具有覆盖面广，不易变形，同步效果好等优点。

图5所示，在机器顶端设有Ⅳ——超声波锤头外壳，其目的在于保护锤头不会受到已碎瓷砖的冲击破坏，以及防止灰尘进入机器内部。

整台设备工作后，经由人工手持将此设备与瓷砖面垂直放置，并且将Ⅴ-5——圆锥式锤头与瓷砖面紧密贴合，Ⅴ-5——圆锥式锤头可以将超声波振动能量传递到瓷砖与水泥中，超声波的机械作用可促使固体的分散，使瓷砖和水泥作受迫振动，使高密度的表面能量转换成一个小的粉碎活性区域，致使瓷砖和水泥的接合处发生碎裂，因使用频率很高的应力，可直接使破碎率得到提高，使瓷砖与水泥之间产生缝隙，当整块瓷砖与水泥之间均有缝隙时，瓷砖可以因重力作用脱落下来，达到快速拆除瓷砖的目的。

以上所述仅为本申请的优选实施例而已，并不用于限制本申请，对于本领域的技术人员来说，本申请可以有各种更改和变化。凡在本申请的精神和原则之内，所作的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本申请的保护范围之内。

上述虽然结合附图对本发明的具体实施方式进行了描述，但并非对本发明保护范围的限制，所属领域技术人员应该明白，在本发明的技术方案的基础上，本领域技术人员不需要付出创造性劳动即可做出的各种修改或变形仍在本发明的保护范围以内。

Claims (10)

1.一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：包括机架，所述机架包括固定机构和锤头机构，所述固定机构内容纳有超声波换能器，所述超声波换能器通过变幅杆连接锤头机构，利用超声波发生器向超声波换能器的输入频率可调的超声波，通过控制超声波频率，利用超声波换能器将电流转换成高频低幅的机械振动，变幅杆进一步将振动幅度增大，使锤头机构传递相应的能量以击碎瓷砖。

2.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述固定机构与机架通过法兰盘连接；

或，所述固定机构为一对半圆环卡扣，卡扣与机架为螺纹连接，卡扣将超声波换能器上的法兰盘固定于机架上。

3.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述机架为圆柱形，由两个半圆柱状壳体组合而成，两部分由螺纹连接。

4.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述机架上设置有手持装置，所述手持装置为人体工程学设计。

5.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：超声波换能器频率为19-21KHz，超声波换能器做高频低幅的振动；

或，所述超声波发生器为大功率频率可调的装置，频率范围是17-20KHz，功率范围是3-4KW。

6.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述超声波变幅杆为圆锥形变幅杆，变幅杆随换能器作高频低幅的振动，变幅杆与换能器和机架相连，变幅杆与机架间由减震装置相连，所述减震装置为变幅杆上的法兰盘与机架相连所形成的结构，法兰盘位于变幅杆节点位置，法兰盘与机架为螺栓连接。

7.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述锤头机构多对锤头中心阵列式对称设计，具有一个锤头为中心，其余锤头以中心锤头为圆心的圆上成对称分布。

8.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述锤头与瓷砖接触部分为尖端设计；

或所述锤头与瓷砖接触部分为圆锥形设计，锤头圆锥面与瓷砖面的夹角为30°—60°，之后部分为一圆柱，再之后为一圆台，最后部分为一圆柱，圆锥角为90°—120°。

9.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述变幅杆为变径杆，且一端与换能器相连接，连接方式为卡扣连接。

10.如权利要求1所述的一种基于超声波振动的瓷砖破碎拆除系统，其特征是：所述机架顶端设有防护罩。