超聲波清洗機的正交試驗分析與設計

劉文波， 項士江， 高建東

（1.沈陽理工大學，沈陽 110168；2.沈陽工學院 機器人研究所，遼寧 撫順 113122）

0 引言

隨著石油鉆井行業的不斷發展，鉆井用具相關零部件的污垢處理成為時下熱門話題，鉆井過程中使用的管道、泵體、井口等相關零部件的污垢通常采用熱水清洗、振動攪拌、清洗劑清洗等物理、化學方法去除。管道相關零部件清洗方法的選擇，不僅影響清洗的質量、效率和成本，而且直接影響鉆井工作效率和質量。

1 石油管道常用的清洗方式

1.1 物理、化學清洗方法

物理清洗方法的原理是借助物理力作用于被清洗零件表面上，使污垢脫離，達到清洗的目的。常用的物理清洗方法主要有液體沖洗、蒸汽吹洗、氣體吹掃、機械清理等。化學清洗方法是借助化學清洗劑、緩蝕劑等的化合、氧化還原、絡合等化學反應，并應用化學溶解力、皂化力、中和力、氧化還原力、絡合力、離子交換力等將管道內的污垢清洗干凈的方法。

1.2 其他清洗方法

除此之外，還有高壓射流技術、吹珠、通球吹掃技術、噴丸、噴砂技術和超聲波技術等清洗方法。超聲波清洗方法綜合運用了化學、物理清洗方法，其原理是：通過信號發生器產生與換能器頻率相符合的信號，再經由換能器將功率超聲頻源的聲能轉換為機械振動，進而通過清洗槽壁將超聲波輻射到清洗槽內的清洗液中。由于清洗液受到超聲波輻射的作用，使液體中的微氣泡能夠在聲波的作用下保持振動，以去除污垢的方法。本文就是采用超聲波清洗的方法。

表1 正交試驗結果

2 正交試驗設計與分析

為獲得較高的清洗效率，通過正交試驗確定各影響因素及其主次順序，為超聲波清洗機設計提供依據。

2.1 正交試驗設計

確定實驗方案：根據清洗目標要求，選用正交設計表L9（34）作為實驗設計依據，如表1所示。

其中：設定影響因素A、B、C和D，分別為石蠟、瀝青、硫酸鹽和碳酸鹽；每個因素設置3個水平參數分別為30℃、45℃和60℃。而把清潔后的去除率作為控制指標（清潔度）。得到實驗結果如表1所示。

2.2 實驗結果分析

為了直觀起見，以因素的水平作橫坐標，清潔度的平均值（k1、k2、k3）作縱坐標，畫出各因素與指標平均值的關系，如圖1所示。

圖1 影響因素與指標關系圖

從表1可以看出：1）溫度為60℃時，對石蠟、瀝青的影響最大，清潔度最高（K3＞K2＞K1）；2）溫度為 45℃時，對硫酸鹽的影響最大，清潔度最高（K2＞K1＞K3）；3）溫度為 30 ℃時，對碳酸鹽的影響最大，清潔度最高（K1＞K2＞K3）。

因此，可以確定最優組合條件為A3B3C2D1。

從圖1中可以看出，因素水平引起指標值上升或下降的幅度大，該因素就是影響清潔度的主要因素，反之為次要因素。

由此得到因素的“主次”順序為：→因素B（瀝青）→因素C（硫酸鹽）→因素D（碳酸鹽）→因素A（石蠟）。

2.3 實驗結論

對各因素進行正交試驗分析，可得出各因素對超聲波清洗效果的影響規律：

1）溫度影響。過高或過低的清洗液溫度，會降低空化反應的效果。若使被清洗件的溫度略小于清洗液的溫度，可以加快污垢的溶解速度。

2）時間影響。在相同的超聲強度和相同頻率下清洗效果隨著清洗時間的增加而增加，達到一定時間后穩定不變，繼續增加清洗時間時，將會惡化清洗效果。

3）聲場分布規律影響。超聲波的空化效果通常與聲場分布密度成正比，分布密度過小，空化效果越不理想，從而起不到清洗零件的作用；功率密度過大，不但不會增加空化效果，反而會使清洗槽底部產生空化腐蝕，影響零件的表面質量和清洗槽的使用壽命。

圖2 超聲波清洗機實體設計效果

3 超聲波清洗機設計

由正交試驗得到的結果可知，鉆井過程中使用的管道、泵體、井口等相關零部件的污垢的主要因素是瀝青、硫酸鹽、碳酸鹽和石蠟。為此設計了適用于清除上述四種污垢的超聲波清洗機。

3.1 結構設計

1）超聲波發生器。由信號發生器產生的信號，經過功率放大器放大以后，再進行阻抗匹配，使輸出的阻抗與換能器的阻抗相一致，從而推動換能器將電信號轉換為機械振動。它的作用是把市電轉換成與超聲波換能器相匹配的高頻交流電信號。

2）超聲波換能器。超聲波換能器的作用是將超聲波發生器輸入的電信號轉換成機械振動，然后再將其傳遞出去，并且自身消耗很少的一部分功率。換能器是超聲波清洗系統中的核心器件，其性能參數的大小決定整個清洗設備的好壞。

3）清洗槽。根據清洗劑和超聲波的腐蝕性以及底板所需要承受的力，須要求采用耐腐蝕性的鋼板。底板設計為家用波輪洗衣機形式，由多個電機和減速機通過皮帶相連接，帶動波輪的旋轉，并且超聲波振子合理分布清洗槽底部，避讓清洗機波輪位置，進而達到更顯著的清洗效果，見圖2。

4）沉降池。采用離心分離機以及過濾處理的方法對污水進行凈化處理，達到安全無污染的設計需求。

a.離心分離器：它的主要部件是一高速旋轉的轉盤，轉盤安裝在水平軸上，由電動機帶動旋轉，同時帶動要處理的液體一起旋轉。其原理是利用油和水的密度不同和油的附著性等特點，采用自制盤式刮油器，對污水表面浮油和雜質進行分離收集再利用。

b.過濾處理：采用不同大小網眼的過濾網，安裝在過濾槽的內部，用來截留水中懸浮雜質和污垢，從而使清洗液獲得凈化，達到過濾的目的。

3.2 控制系統設計

控制需求：控制系統采用單片機編程實現超聲波清洗機的自動化控制過程，包括自動控制、手動調試控制、溫度系統控制、故障自動監測等等。

4 結語

1）采用正交試驗設計可以準確確定油田泵類、管道及其相關零部件污垢形成的機理、原因和影響因素的作用過程，快速有效地找出主次因素，提出解決方案，并且為進一步完成超聲波清洗機的研制提供依據。

2）綜合運用離心分離原理以及過濾處理的方法，實現了污水的有效處理，達到了安全、環保的設計要求等。

3）根據設備各部分的動作特點和控制要求，設計了自動控制系統，考慮了高效、人性化因素，使得機器安全、可靠運行。

4）在機器設計中考慮到了高效性、合理性、安全性等因素，重要的是在清洗槽的設計上，運用了正交試驗的結論，使超聲波能夠更高效地發揮作用。

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