طراحی، مدل‌سازی و ساخت محفظه جدید شستشوی پیوسته فراصوتی با استفاده از تحلیل هارمونیک

نوع مقاله : مقاله پژوهشی

نویسندگان

1 استادیار، مهندسی مکانیک، دانشگاه بوعلی سینا، همدان، ایران

2 کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، دانشگاه صنعتی اراک، اراک، ایران

3 کارشناس ارشد، مهندسی مکانیک، پارک علم و فناوری موسسه فیزیک، ویلنیوس، لیتوانی

چکیده

امروزه استفاده از فناوری‌های نوین در شستشوی قطعات به ‌دلیل مشکلات روش‌های شستشوی سنتی مانند کیفیت ‏پایین شستشو، عدم تکرار پذیری، ایمنی کم، خوردگی تجهیزات، سرعت پایین و مشکلات زیست‌‏محیطی مورد توجه صنایع مختلف قرار گرفته است. استفاده از فرایند شستشو با امواج فراصوتی یکی از روش‌های نوین شستشوی قطعات به‌صورت ایمن، سریع، با کیفیت و ‏سازگار با محیط‌زیست است. لذا بهینه‌سازی و توسعه این فرایند شستشوی توسط محققین ضرورت پیدا کرده است. هدف از این پژوهش طراحی، مدل‌سازی و معرفی یک سیستم جدید شستشوی بهینه و پیوستۀ فراصوتی جهت بهبود کیفیت شستشو با استفاده از امواج فراصوتی است. در این تحقیق شبیه‌سازی با استفاده از روش عددی اجزاء محدود و با انجام تحلیل‌های مودال، هارمونیک و تحلیل گذرا دینامیک سیال محاسباتی در نرم‌افزار اجزا محدود ANSYS 15 انجام شده است. در این مقاله پس از به‌دست آوردن فرکانس‌های طبیعی و شکل مودهای نوسانی با اعمال تحریک هارمونیک، مقدار جابه‌جایی نقاط مختلف مشخص می‌شود؛ سپس با اعمال این جابه‌جایی به سیال، میدان فشار ایجاد شده در سیال داخل محفظه شبیه‌سازی و محدودۀ اثر بخشی شستشو با مقایسۀ فشار آکوستیک ایجاد شده مشخص شده است. مخزن شستشوی فراصوتی مدل‌سازی شده با 9 عدد مبدل نوسانات مافوق صوت با فرکانس تشدید 5/26 کیلوهرتز و توان 100 وات با چیدمان مارپیچ ساخته و مورد آزمایش قرار گرفت. نتایج به‌دست‌آمده عملکرد مناسب سیستم شستشوی طراحی و ساخته شده را نشان می‌دهد؛ همچنین نتایج به‌دست‌آمده بیان می‌کند که شبیه‌سازی با روش اجزا محدود قابل اعتماد و روش مناسبی برای طراحی و بهینه‌سازی مخزن‌های شستشوی فراصوتی می‌باشد.

کلیدواژه‌ها

عنوان مقاله [English]

Design, modeling and manufacturing a novel continues ultrasonic cleaning tank by harmonic response analysis

نویسندگان [English]

  • Abbas Pak 1
  • Ali Shirin Abadi Farahani 2
  • Alireza Shahidi 3
1 Department of Mechanical Engineering, Faculty of Engineering, Bu-Ali Sina University, Hamedan, Iran
2 Department of Mechanical Engineering, Arak University of technology, Arak, Iran
3 Science and technology park of institute of Physics, Vilnius, Lithuania
چکیده [English]

Nowadays, the use of new technologies in the cleaning of parts has attracted the attention of various industries due to the problems of traditional cleaning methods such as low cleaning quality, lack of repeatability, low safety, equipment corrosion, low speed and environmental problems. Using the process of cleaning with ultrasonic waves is one of the new methods of cleaning parts in a safe, fast, high-quality and environmentally friendly way. Therefore, it is necessary to optimize and develop this cleaning process by researchers. The purpose of this research is to design, model and introduce a new optimal and continuous ultrasonic cleaning tank to improve the quality of cleaning using ultrasonic waves. In this research, the simulation has been done using finite element method (FEM) and by performing static, modal, harmonic analysis and computational fluid dynamic transient analysis in ANSYS 15 software. In this article, after obtaining the natural frequencies and the shape of the vibration modes, the amount of displacement of different points is determined by applying harmonic stimulation. Then, by applying this displacement to the fluid, the pressure field created in the fluid inside the simulation tank and the effective range of cleaning have been determined by comparing the created acoustic pressure. The modeled ultrasonic cleaning tank with 9 ultrasonic transducers with a resonant frequency of 26.5 kHz and a power of 100 watts with a spiral arrangement was manufactured and tested. The obtained results show the proper performance of the designed and manufactured ultrasonic cleaning tank. Also, the obtained results show that the simulation with the finite element method is reliable and a suitable method for designing and optimizing ultrasonic cleaning tanks.

کلیدواژه‌ها [English]

  • Ultrasonic Cleaning
  • Modeling
  • Cavitation
  • Continues Cleaning
  • Harmonic Analysis

مراجع

[1] ASM Handbook, Surface Engineering, ASM International Society, Vol. 5, 1994.
[2] H.L. Zhao, D.X. Wang, Y.X. Cai, F.C. Zhang, Removal of iron from silica sand by surface cleaning using power ultrasound, Minerals Engineering, Vol. 20, No. 8, pp. 816-818, 2007, https://doi.org/10.1016/j.mineng.2006.10.005
[3] J.O. Kima, S. Choi, J. H. Kimb, Vibroacoustic characteristics of ultrasonic cleaners, Applied Acoustics, Vol. 58, pp. 211-228, 1999, https://doi.org/10.3390/met10030335
[4] B. Niemczewski, Estimation of the suitability of selected organic solvents for ultrasonic cleaning, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 6, pp.149–156, 1999, https://doi.org/10.1016/S1350-4177(98)00044-3
[5] E.l Maisonhaute, C. Prado, P. C. White, R. G Compton, Surface acoustic cavitation understood via nanosecond electrochemistry, Part III: shear stress in ultrasonic cleaning, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 9, No. 6, pp. 297-303, 2002, https://doi.org/10.1016/S1350-4177(02)00089-5
[6] A. Gachagan, D. Speirs, A. McNab, The design of a high power ultrasonic test cell using finite element modelling techniques, Ultrasonics, Vol. 41, pp. 283–288, 2003, https://doi.org/10.1016/S0041-624X(02)00453-5
[7] H. Lais, P.S. Lowe, T.H. Gan, L.C. Wrobel, Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 7, pp. 1–15, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.02.045
[8] W. Tangsopa, T. Keawklan, K. Kesngam, S. Ngaochai, J. Thongsri, Improved Design of Ultrasonic cleaning tank using harmonic response analysis in ANSYS, IOP Conference Series: Earth and Environmental Science, pp. 159, 2018, https://doi.org/10.1088/1755-1315/159/1/012042
[9] H. Lais, P.S. Lowe, T.H. Gan, L.C. Wrobel, Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 7, No 1–15, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.02.045
[10] P. Dunst, T. Hemsel, P. Bornmann, W. Littmann, W. Sextro, Optimization of ultrasonic acoustic standing wave systems, Actuators, Vol. 9, No. 1, 2020, https://doi.org/10.3390/act9010009
[11] W. Tangsopa, J. Thongsri, A dual frequency ultrasonic cleaning tank developed by transient dynamic analysis, Applied Sciences, Vol. 11, pp. 699, 2021, https://doi.org/10.3390/app11020699
[12] J. Thongsri, Vibration analysis and development of a submersible ultrasonic transducer for an application in the inhibitory activity of pathogenic bacteria, IEEE Access, 9, pp. 142362–142373, 2021, https://doi.org/10.1109/ACCESS.2021.3120136
[13] A. Gachagan, A. Msnab, R. blindt, M. Patrick, A high power ultrasonic array based test cell, Ultrasonics, Vol. 42, pp. 57–68, 2004, https://doi.org/10.1016/j.ultras.2004.01.055
[14] A. Abdollah, S. Foroughi, A. Pak, A. Hajialimohammadi, Ultrasonic transducers layout optimization in the process of finite element method, Proceedings of The 11th International Conference on Manufacturing Engineering Iran, 2010. (in Persian)
[15] W. Tangsopa, J. Thongsri, Development of an Industrial Ultrasonic Cleaning Tank Based on Harmonic Response Analysis, Ultrasonics, Vol. 91, pp. 68–76, 2019, https://doi.org/10.1016/j.ultras.2018.07.013
[16] W. Tangsopa, J. Thongsri, A novel ultrasonic cleaning tank developed by harmonic response analysis and computational fluid dynamics, Metals, Vol. 10, pp. 335, 2020, https://doi.org/10.3390/met10030335
[17] S. Phophayu, K. Kliangklom, J. Thongsri, Harmonic response analysis of tank design effect on ultrasonic cleaning process, Fluid, Vol. 7, No 3, pp. 99, 2022, https://doi.org/10.3390/fluids7030099
[18] L. Habiba, S. Premesh, G. Tat-Hean, C. Luiz Wrobel, Numerical modelling of acoustic pressure fields to optimize the ultrasonic cleaning technique for cylinders, Ultrasonics Sonochemistry, Vol. 45, pp. 7-16, 2018, https://doi.org/10.1016/j.ultsonch.2018.02.045
[19] A. Farahani, Design of ultrasonic inline wire claening system, MSc Thesis, Department of Mechanical Engineering, Arak University of Technology, Arak, 2018. (in Persian)

فایل ها

هم رسانی

ارجاع به این مقاله

آمار