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摘要：利用超声波清洗技术，研制一种专用于泥沙颗粒分析的洗杯机，通过试验，确定了洗杯机超声波探头频率、探头设
置方式、网架和水槽尺寸、超声波探头密度、清洗温度等问题，实现了沙杯自动清洗技术。
关键词：洗杯机 超声波 泥沙颗粒分析
泥沙颗粒级配分析的目的是确定泥沙样品中各粒径组泥沙量占样品总量的百分数，并以此绘制级配曲线的操作过程，是获取泥沙颗粒级配的断面分布及随时间变化过程的基础，是研究河流中的含沙量、输沙率和含沙颗粒大小分布情况的重要手段，是长江航道水文基础资料，也是为航道整治工程提供的第一手实测资料。
目前泥沙分析工作依据的标准是水利部2010年发布的《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010），长江航道中所采用的主要方法为筛分法、粒径计法，即通过筛分析方法对干样进行测试，通过粒径计法对湿样进行测试。采用粒径计法进行分析时，需将样品中不同粒径颗粒分别沉降到6个沙杯中，通过称量沙杯重量变化从而获得该样品颗粒级配情况。由于长江航道中的样品主要以湿样为主，需采用粒径计法分析的样品量非常大，所使用的沙杯数量多，因此，沙杯的清洗工作成为提升泥沙分析速度的一大障碍。
为提升泥沙分析速度，特研制了一款专用于泥沙颗粒分析的超声波洗杯机。
原理
超声波洗杯机的清洗原理主要是利用超声波在液体中产生空化作用。超声波在液体中传播时，当声波的压强达到一个标准大气压时，其约为0.35W/cm2，此时，在液体中传播的超声波压强峰值时将在液体中将产生一个非常大的力，可以直接将液体拉裂成空洞，而此空洞为真空或非常接近于真空状态。从而使液体因流动而产生数以万计的微小气泡，气泡在周期性的超声波中，当处于超声波负压状态时，其快速形成和生长，当其处于超声波正压状态时，气泡则迅速扩大，最后突然闭合消失，同时在气泡周边瞬间产生上千个大气压的冲击波，极大的冲击波将轻易使污渍分散脱落，从而达到清洗效果。该方法具有清洗效果好、无死角、无毒害等特点。
方案设计
泥沙分析沙杯超声波清洗设备主要由超声波发生系统、杯身固定装置、温度控制系统、进排水系统等组成，设计制造超声波洗杯机需首先解决超声波探头频率选择、探头设置方式、网架和水槽尺寸、超声波探头密度、清洗温度等问题，通过大量试验，得出以下研究结果：
1、超声波洗杯机的主要技术指标
通过试验及需求分析，洗杯机的主要技术指标应满足表1要求：
2、超声波探头频率的选择
通过试验发现，超声波探头频率直接决定了超声波的有效工作距离、清洗效果等。频率低，清洗效果好、清洗有效距离大，但存在噪音大，甚至有可能破坏试验杯表面标记；频率高，则清洗效果差，有效清洗距离短，且易产生清洗盲区。将超声波作用时间设定为2min，对几种不同频率的探头，进行对其作用距离、标志损毁距离、声音感官进行了反复测试，其试验结果如下：（见表2）
通过对作用距离、标志损毁情况、声音感官以及其它方面进行综合试验评定，最终选择40kHz频率探头。
3、超声波探头布置方式
由于超声波作用效果与被清洗物作用距离有关，放置距离过小可能导致作用力过强从而破坏试验杯标识，距离过远则导致清洗不到位。按照经济、小型化原则，采用沙杯对超声波探头放置位置进行试验，沙杯距探头距离为18cm，其结果如下：（见表3）
通过综合分析，最终采用底面放置超声波探头形式进行清洗。
4、网架、水槽尺寸确定
依据探头布置原则，结合实际清洗需求，决定采用四组网架，每组可放置3层，每层8个共计24个试验杯子，如此一次可清洗96个试验杯。并以此确定水槽尺寸为（长×宽×高）=65cm×35cm×30cm。（见图1）
5、超声波探头密度的选择
在水槽尺寸确定的基础上，为了使水槽中试验杯放置区域的超声波作用最强，确保探头间无作用盲区，需合理安排探头密度，使其实现在清洗效果的同时达到费用最省的目的。
通过水槽底部放置不同数量探头，在杯架全满（即96个试验杯）的前提下工作2min后观察清洗效果，每类工况进行两次试验取平均值作为评价依据，试验结果如下：（见表4）
依据以上试验结果，初步决定采用偏保守的20个探头，以确保其清洁效果。
6、清洗温度确定
针对温度对超声波清洗效果的影响情况进行了试验研究，通过对不同温度下清洗效果进行了试验，得出以下结果：（见表5、图2）
表5： 超声波清洗温度-时间关系一览表
因此，温度控制在45～55℃间可在2min时间内完成试验杯的清洁工作。
超声波洗杯机的设计
经过大量试验，确定了超声波洗杯机的各项技术指标，并根据其功能及要求，设计出具备生产要求的洗杯机设计图，并将其进行生产，其主要装配示意图见图3：
完成效果
超声波洗杯机的研制成功，提高了长江航道泥沙分析沙杯的清洗速度，解决了机械刷头洗杯的清洁程度低及人工洗杯耗时费力的问题，由设备发送超声波进行自动清洗，该设备具备自动加热、自动换水、自动清洗的功能，具有自动化程度高、清洗效果好、运动部件少、工作稳定、能耗低等特点，为长江航道泥沙分析工作贡献了力量。
（作者单位：长江航道规划设计研究院）
置方式、网架和水槽尺寸、超声波探头密度、清洗温度等问题，实现了沙杯自动清洗技术。
关键词：洗杯机 超声波 泥沙颗粒分析
泥沙颗粒级配分析的目的是确定泥沙样品中各粒径组泥沙量占样品总量的百分数，并以此绘制级配曲线的操作过程，是获取泥沙颗粒级配的断面分布及随时间变化过程的基础，是研究河流中的含沙量、输沙率和含沙颗粒大小分布情况的重要手段，是长江航道水文基础资料，也是为航道整治工程提供的第一手实测资料。
目前泥沙分析工作依据的标准是水利部2010年发布的《河流泥沙颗粒分析规程》（SL42-2010），长江航道中所采用的主要方法为筛分法、粒径计法，即通过筛分析方法对干样进行测试，通过粒径计法对湿样进行测试。采用粒径计法进行分析时，需将样品中不同粒径颗粒分别沉降到6个沙杯中，通过称量沙杯重量变化从而获得该样品颗粒级配情况。由于长江航道中的样品主要以湿样为主，需采用粒径计法分析的样品量非常大，所使用的沙杯数量多，因此，沙杯的清洗工作成为提升泥沙分析速度的一大障碍。
为提升泥沙分析速度，特研制了一款专用于泥沙颗粒分析的超声波洗杯机。
原理
超声波洗杯机的清洗原理主要是利用超声波在液体中产生空化作用。超声波在液体中传播时，当声波的压强达到一个标准大气压时，其约为0.35W/cm2，此时，在液体中传播的超声波压强峰值时将在液体中将产生一个非常大的力，可以直接将液体拉裂成空洞，而此空洞为真空或非常接近于真空状态。从而使液体因流动而产生数以万计的微小气泡，气泡在周期性的超声波中，当处于超声波负压状态时，其快速形成和生长，当其处于超声波正压状态时，气泡则迅速扩大，最后突然闭合消失，同时在气泡周边瞬间产生上千个大气压的冲击波，极大的冲击波将轻易使污渍分散脱落，从而达到清洗效果。该方法具有清洗效果好、无死角、无毒害等特点。
方案设计
泥沙分析沙杯超声波清洗设备主要由超声波发生系统、杯身固定装置、温度控制系统、进排水系统等组成，设计制造超声波洗杯机需首先解决超声波探头频率选择、探头设置方式、网架和水槽尺寸、超声波探头密度、清洗温度等问题，通过大量试验，得出以下研究结果：
1、超声波洗杯机的主要技术指标
通过试验及需求分析，洗杯机的主要技术指标应满足表1要求：
2、超声波探头频率的选择
通过试验发现，超声波探头频率直接决定了超声波的有效工作距离、清洗效果等。频率低，清洗效果好、清洗有效距离大，但存在噪音大，甚至有可能破坏试验杯表面标记；频率高，则清洗效果差，有效清洗距离短，且易产生清洗盲区。将超声波作用时间设定为2min，对几种不同频率的探头，进行对其作用距离、标志损毁距离、声音感官进行了反复测试，其试验结果如下：（见表2）
通过对作用距离、标志损毁情况、声音感官以及其它方面进行综合试验评定，最终选择40kHz频率探头。
3、超声波探头布置方式
由于超声波作用效果与被清洗物作用距离有关，放置距离过小可能导致作用力过强从而破坏试验杯标识，距离过远则导致清洗不到位。按照经济、小型化原则，采用沙杯对超声波探头放置位置进行试验，沙杯距探头距离为18cm，其结果如下：（见表3）
通过综合分析，最终采用底面放置超声波探头形式进行清洗。
4、网架、水槽尺寸确定
依据探头布置原则，结合实际清洗需求，决定采用四组网架，每组可放置3层，每层8个共计24个试验杯子，如此一次可清洗96个试验杯。并以此确定水槽尺寸为（长×宽×高）=65cm×35cm×30cm。（见图1）
5、超声波探头密度的选择
在水槽尺寸确定的基础上，为了使水槽中试验杯放置区域的超声波作用最强，确保探头间无作用盲区，需合理安排探头密度，使其实现在清洗效果的同时达到费用最省的目的。
通过水槽底部放置不同数量探头，在杯架全满（即96个试验杯）的前提下工作2min后观察清洗效果，每类工况进行两次试验取平均值作为评价依据，试验结果如下：（见表4）
依据以上试验结果，初步决定采用偏保守的20个探头，以确保其清洁效果。
6、清洗温度确定
针对温度对超声波清洗效果的影响情况进行了试验研究，通过对不同温度下清洗效果进行了试验，得出以下结果：（见表5、图2）
表5： 超声波清洗温度-时间关系一览表
因此，温度控制在45～55℃间可在2min时间内完成试验杯的清洁工作。
超声波洗杯机的设计
经过大量试验，确定了超声波洗杯机的各项技术指标，并根据其功能及要求，设计出具备生产要求的洗杯机设计图，并将其进行生产，其主要装配示意图见图3：
完成效果
超声波洗杯机的研制成功，提高了长江航道泥沙分析沙杯的清洗速度，解决了机械刷头洗杯的清洁程度低及人工洗杯耗时费力的问题，由设备发送超声波进行自动清洗，该设备具备自动加热、自动换水、自动清洗的功能，具有自动化程度高、清洗效果好、运动部件少、工作稳定、能耗低等特点，为长江航道泥沙分析工作贡献了力量。
（作者单位：长江航道规划设计研究院）