超声波洗碗机的结构设计【含CAD图纸、说明书】
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压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985摘要在科学技术不断提升和经济快速发展的现代社会,各种各样的新式电器开始出现在人们的生活中,它们也在逐渐融入现代家庭,为人们带来便利。相比于老式电器新型电器更高效,更节能,更环保。在这个大环境下,中国也在大力发展家用电器行业,在不断的竞争淘汰之后留下了一批具有国际影响力的企业。Haier就是其中的佼佼者。现在中国的大部分家庭中都有一两台电视机、洗衣机或冰箱,但是人们对于家用洗碗机还是处于一种比较陌生的状态。洗碗机在中国的家用电器行业可以说是一片还没开发好的新领域。其实我们不难发现其中的原因,人们印象中的洗碗机都是用噴臂涡轮进行水流冲洗,这对中式餐具的特殊结构并不适用。这直接造成了洗碗机清洗效果差,效率低下,能耗较高,不受消费者的欢迎。为了改变洗碗机人们脑海中的尴尬印象,提高洗碗机的清洗能力我们需要更好的清洗机构,超声波洗碗机的概念从此而生。超声波洗碗机能在三个方面对传统洗碗机进行改良。在结构上超声波洗碗机的清洗槽选用不锈钢等不易磨损产生异味的材料,而噴臂辅助清洗装置,进排水系统和超声波清洗系统来提升清洗效果和优化整体结构。在清洗工艺上,设定合理的的参数来保证清洗效果。关键词 超声波;洗碗机;结构设计AbstractImprove the science and technology and rapid economic development of modern society, all kinds of new electrical began to appear in peoples life, they are gradually integrated into the modern family, bring convenience for people. It is more efficient, more energy efficient, and more environmentally friendly than the new electric appliances. In this environment, China is also vigorously developing the household appliance industry, leaving behind a batch of internationally influential enterprises after the continuous competition. Haier is one of the best. Most families in China now have one or two TV sets, washing machines or refrigerators, but people are still in a strange state about the household dishwasher. Dishwasher in Chinas household appliances industry is a new area that has not been developed. It is not hard to see why, as the impression of dishwashers is washed with the spray arm, which is not suitable for the special structure of Chinese tableware. This directly results in poor cleaning effect, low efficiency and high energy consumption, which is not popular with consumers. In order to change the embarrassing impression of the dishwasher, we need better cleaning mechanism and the concept of ultrasonic dishwasher is born. The ultrasonic dishwasher can improve the traditional dishwasher in three ways. On the structure of ultrasonic dishwasher cleaning trough selects produce peculiar smell not easy to wear and tear of material such as stainless steel, spray cleaning device for auxiliary arm, into the drainage system and ultrasonic cleaning system to improve the cleaning effect and optimize the whole structure. In the cleaning process, set reasonable parameters to ensure the cleaning effect.Keywords ultrasonic dishwasher the design of overall structure ; XI压缩包内含有CAD图纸和说明书,咨询Q 197216396 或 11970985目 录摘要IAbstractII1 前言11.1 超声波洗碗机简介11.2国外发展现状21.3国内发展现状21.4国内主流产品32超声波清洗原理及方案设计42.1超声波清洗原理42.1.1概述42.1.2超声清洗的工作机制42.1.3 超声空化阀值62.2 超声波洗碗机方案设计73超声波清洗参数93.1 声强93.2频率93.3 清洗液94超声场相对空化强度104.1空化强度测量方法原理104.2空化强度测量104.2.1数据拟定114.2.2实验结论115超声波重要参数确定135.1 清洗温度,超声波换能器功率,清洗时间135.2 餐具的合理摆放155.3 总结156洗碗机整体结构设计166.1 整体方案166.2 外壳和碗篮166.3 清洗槽176.4 进排水系统176.4.1 水位感应系统186.5 加热系统186.6 门开关电路196.7 喷臂系统196.8 超声清洗系统206.8.1 超声波发生器206.8.2 超声波换能器216.9 总结22结论23致谢24参考文献251 前言1.1 超声波洗碗机简介餐后洗碗是大家每天都要做的一项家务,然而经济的不断发展,使餐桌上的食物越发丰富,洗碗似乎就成了一件必须做却又让人厌烦的事情。过多的油渍使得人们需要耗费更多的时间,这在如今快节奏的生活中所不能接受的。洗碗机能够解放人们的双手,使日常的生活变得更加愉悦舒适。然而普通的洗碗机费水又费电且需要专业的洗涤剂,清洗的结果有时又不让人特别满意,这无形中加大了人们的生活负担。这种洗涤方式难以被人们所接受。超声波其实也是一种声波,只不过它的频率比较高,一般都在2000赫兹以上。它具有良好的方向性能,能够穿透固液体,能够很容易的得到聚集在一起的声能量。超声波能够在液体体中广泛传播,且能传到很远的地方。这使它能在工农业上用来做很多事情,像是测距离,测速度、清洗物品等。因为超声波具有很好的穿透能力,而且清洁没有太大的污染,所以人们创新式的将超声波作为洗碗机的清洗机构。超声波洗碗机的概念就这么来了。超声波的清洗会受到许多的方面的影响。超声波清洗的条件之一就是清洗的声波强度必须要比空化阀(液体产生空化反应的最小声压)大,而且被清洗物品的材料也是影响清洗结果的一大因素。材料对声强的反应越强,声波清洗的效果就会越好,像金属、玻璃一类的物品就比较适合用超声波进行清洗。相对的,材料对声强的反应越弱,声波清洗的效果就越差,像布料胶质物品就不适合用超声波进行清洗。由于我们是将超声波利用在洗碗这件事上,清洗的主要物品都是大家常用的餐具像碗、碟一类的的东西。多数碗碟都是陶瓷,金属和塑料的,它们的材料都是对声强反应十分强烈的。用超声波来对它们进行清洗理论上是十分有效的,清洗的成果是能够保证的。清洗的介质也会对清洗成果造成影响。一般的清洗介质为水和化学清洗剂。其中化学清洗剂清洗效果好但对环境污染严重。水作为清洗剂有粘度小,利于清洗,对环境无污染等优点。在水温达到45摄氏度的时候,水作为清洗介质产生的空化作用最为强烈。超声波清洗将液体介质的空化作用发挥到极致,液体空化产生的冲击力会对清洗物品的外表污物进行不断撞击,直至污物剥离。这样的清洗过程十分快速,高效。更为重要的是超声波清洗对于孔状几何形状的物体的清洗效果也一样出众,清洗无死角。将超声波应用在洗碗机上的这一想法是十分有用的。它作为健康环保的新型家用电器能够解放人们的双手,帮助人们更好的适应这个快节奏的社会。超声波洗碗机较常规洗碗机的几大优势:1、节约水电资源,低噪音。2、清洗过程无死角,清洗过程快速高效。3、无需专业的化学清洗剂,环保。4、超声波洗碗机的结构稳定不复杂,经济耐用1.2国外发展现状“德国的米勒公司于1929年制造出欧洲的第一台家用洗碗机。随后美国GE公司在1954年研制出第一台电动洗碗机,其电动式的工作模式有效的提高了洗碗机的清洗效果,而且它在整机结构方面也有明显提升,使得人机关系大为亲密,更好的体现了洗碗机的实用性。洗碗机在西方开始流行开来。其中日本作为第一个研究洗碗机的亚洲国家,在经历了一系列的研究之后于90年代末成功研制出了全自动洗碗机,进一步推动了洗碗机发展。在日本不断研究提升洗碗机的性能的同时,欧洲的洗碗机市场已经发展的十分成熟,洗碗机正式成为欧美国家厨房的宠儿。”随着国外的洗碗机市场发展的不断完善,洗碗机开始成为国外家庭的必备厨房电器。日渐提高的市场需求使得企业研发生产新型洗碗机的热情越发高昂。市场氛围好,企业之间的不断相互竞争使西方的洗碗机产业朝着好的方向持续前进。在国外市场大规模流行的洗碗机多数是噴臂和涡轮式的,这两种洗碗机由于技术的不断成熟以及市场持续增长其生产成本比较稳定,其售价也在大多数家庭所能接受的范围内,而且这两种洗碗机很适合西方餐具的清洗,清洗效果也能得到保证。21世纪的人们开始注重对环境的保护以及资源的节约,在这种观念的推动下,西方国家已经研制出了超声波洗碗机。这种洗碗机较传统洗碗机有许多新技术上的优势,其消耗资源少且清洗的效率很高,最重要的是它十分环保不会产生二次污染,对于资源的节约和环境的保护具有十分很远的影响。1.3国内发展现状我国由于工业起步晚且底子较西方国家比较薄在80年代才开始研究生产家用洗碗机,然而由于技术的不成熟加之产品的定位不准确洗碗机没能在国内流行开来。国内洗碗机的普及率远远低于其他家用生活电器。这其中有着许多的原因,我们可以分析一下。首先,我们国家的一些企业只看到国外洗碗机的庞大市场和高额利润而盲目的将国外的品牌洗碗机的流水线引进中国,短时间内生产量达到了但是忽略了西方餐具与中国餐具的结构差异。即使在洗碗机结构上做出了一些改进,效果却依然不明显。其次是由于洗碗机的清洗效果达不到预期,效果差。为了达到清洗标准提高洗涤时间,这直接导致洗碗机的运行成本激增,已经不再是适合大众家庭的经济型家电,不被市场所欢迎。最后,传统洗碗机的结构较为复杂,其体积都比较大,在当前经济飞速发展房价日增的中国很难为其腾出安放空间。当然我国现在还在生产洗碗机的企业还有许多,其中Haier的洗碗机已经在市场上占据了一定份额。然而中国的电器市场是极为庞大的,这只是很少的一部分,大部分的洗碗机市场尚未被开发,亟待发展2。1.4国内主流产品在这里我们用Haier的洗碗机来作为代表进行研究。既然是选择代表那我们就应该选择在市场上相对来说比较受欢迎的机型来讲解,如Haier6和4系列。Haier4系列Haier4系列包括了WQP42、WQP42000A和WQP43三个型号。这三种型号都采用了上下双喷淋器结构,这种结构能够使餐具上下部清洗同步,噴臂能够喷射出高速的水流对餐具进行冲洗,这种设计在一定程度上能够提高清洗效果,且因为是噴臂的直接冲洗清洗时间也会变短。Haier4的这三种型号的洗碗机都采用了外置过滤网的新式结构来方便使用者的操作。这种人性化的设计还额外加上了消毒功能。在安全性能上这三种型号的洗碗机也是很出色的,其警报系统会在运行过程出问题或是门存在异常的时候发出警报声。Haier6系列Haier6系列包括WQP63、WQP62B、WQP62三个型号。这三种型号的洗碗机的外形都比较大,其高度达到了800毫米。这三种型号的洗碗机均采用方形内胆,噴臂系统在这种形状的内胆中能够发挥很高的作用。三款洗碗机创新式地设计出分离式的上下餐具架,且两个餐架可以独立工作。其干燥系统采用的是内循环式,通过空气的不断循环解决了餐具上冷凝水的残留问题。6系列洗碗机利用新型磁化技术,防止油污堆积,而且能够清除污迹。且清洗槽顶部设有水位感知系统防止水流溢出,提高安全性能。从我国市场上流行的几款家用洗碗机的性能上来看,大部分的企业已经意识到了中式餐具与西方餐具在清洗上的不同。但是我们依然能够发现国内市场上洗碗机存在的问题。虽然企业在洗碗机的结构和性能上已经进行了一定的改良,但从总体上来说这些洗碗机还是不符合中式餐具的清洗特点,其清洗的结果还是不能让中国广大的消费者满意。这就是国内的洗碗机市场久久不能快速发展的原因。其次就是因为洗碗机的水耗和电耗比较高。洗碗机的一次标准清洗过程时间过长。洗碗机的功率也较其它家用电器来说偏高,这种程度的能耗若长时间进行则不符合大多数家庭的消费水平。而且由于市场的未开发程度比较高各种品牌混杂,良莠不齐,消费者难以决断。洗碗机在中国作为家用电器的新星价格不太亲民,而且利用洗碗机清洗需要配合使用其专用清洁剂这也在另一方面提高了使用成本。而且这些化学清洗剂不仅价格高,对环境污染巨大。洗碗机的结构设计和它的内部材料也是其不受欢迎的一大原因。市场上的洗碗机的清洗内胆多为塑料所制,这种材料的洗碗机若经长时间的使用后油污不断积累会变得十分油腻,十分难以清洗。这直接导致了“洗碗机洗碗,人洗洗碗机”这种本末倒置的奇怪现象1。所以综上所述,我们需要更好的清洗机构。2超声波清洗原理及方案设计2.1超声波清洗原理2.1.1概述声波是一种能够被人耳听到的一种纵波。声波的频率一般会在16到16000HZ范围内。然而当声波的频率超过16000HZ的时候,人耳就无法感受到了,它已经超出一般人耳的听范围,此时它就被称为超声波。超声波和声波拥有同样的特质,它们都可以在气体,液体和固体中传播3。超声波的主要特质如:(1)我们可以利用超声波将能量进行运输,超声波承载能量得同时会对它所路过的东西上产生压力。产生的压力的数值越大代表超声波承载的能量越大,相应的如果超声波的频率越高产生的压力越大。(2)当我们利用液体作为超声波的传播介质时,由于超声波承载能量它也会在传播途径中产生压力,这种压力会是液体介质产生振动。这样就能够在液体介质中不断地形成压缩区域和稀疏区域。在压力的作用下,所以液体内会出现压力正,负交变所引起的空化现象。空化现象持续的时间是很短的,而这样短的时间内所产生的压力是很大的。如果这种压力作用在零件上足以使其遭到破坏。(3)超声波在传播的过程中可能会经过不同的传播介质,而它在每种介质中的传播速度是不一样的所以在超声波经过不同介质时速度会突然变化,这种变化另一方面会对声波的传播造成影响,产生波的折射和反射现象。反射声波所产生的能量大小是可以估算的,它是取决于两种传播介质的波阻抗的差异的,当差异越大的时候,能量也就越大。(4)超声波在传播的过程中会碰到阻碍,声波会发生干涉和共振的现象。目前空化作用被广泛的应用于超声波清洗机中4。2.1.2超声清洗的工作机制超声波和声波是同一种东西,区别只在于频率的大小,所以在超声波通过传播介质时压力也会不断变化。在液体中找到一点并确定它的具体位置,我们持续的观察这个已知点所受到的压力。其压力的变化曲线如图A。以一个标准大气压作为参考静压力,我们会发现它受到的压力会产生增大和减小,在声波强度的不断增大后这个已知点的所受压力值的变化会增大,甚至在幅值时会产生负的压力。空化作用:超声波在液体介质中传播时若果调整频率使液体介质不断地受到增压和减压两种力的压迫,在不断的作用下液体中会产生数量众多的真空气泡。这些气泡十分脆弱,若收到再次的压力就会发生破裂。破裂时会产生很大的压力对液体介质产生冲击,密集的爆炸能够产生很大的压力。图1液体内部压力图介质被爆炸压力推动对清洗物进行冲击将表面的油污冲落,发生爆炸的气泡如图2(A)。由于冲击力的不断作用物体表面的污垢层与物体不端产生间隙,众多的小气泡持续的爆炸使得表面的油污一直受到这种冲击力,图2(B)展示了这一现象,气泡不断爆炸推动,油污最终被冲击力将其从表面脱离。这就是空化二次效应5。声波的强度决定了液体中的空化气泡的爆炸力的强度,当声波的强度够大时空化气泡爆炸的同时彼此剧烈碰撞,极大的增强了爆炸的能量。液体介质被巨大的能量不断推动冲击清洗物的表面。油污在受力下不断脱落,从而达到清洗的目的。而且这种爆炸力产生的冲击力是遍布在液体内部的,浸没在液体中的清洗物的任何表面都会受到这种力的冲击,清洗是没有盲区的。空化效应在清洗的同时也带来了另一个好处,由于液体介质不断碰撞会对细菌造成很大的杀害,有很好的消毒的能力。6。直进流作用:超声波在液体介质中传播的过程中会在其传播的路径上造成液体的流动,这个现象我们称之为直进流。这种水流也能在一定程度上对清洗物进行冲洗,且清洗剂不断溶解污物,对提高清洗效果十分有用。 乳化作用:在空化作用下清洗物上的油污分子会受到巨大的冲击力,在水流的冲洗下被乳化。空化作用可以被利用在很多的领域。而且洗碗机的主要工作对象是餐具,餐具的材料多为对声强反应很强烈的材料再配合上合理的清洗剂,可以充分发挥空化效应的能力。本洗碗机就是利用空化效应的清洗能力3。图2 空化二次效应2.1.3 超声空化阀值了使清洗液中产生空化效应我们需要调整超声波的声强,而能够使其产生空化效应的最小声强就叫空化阀值4。空化阀Pc表示为: (1-1)式中Po表示液体的静压力;Pv表示蒸汽压,Ro表示空气核半径,表示液体的表面张力系数我们由上式不难发现影响空化阀值的因素有很多。其中静压力很程度的决定了空化阀的大小,空化阀和静压力同增同减。而且空化阀的数值是不固定的,在不同情况下空化阀值也会发生变化7。此外,经验公式 (1-2)式中表示沾滞系数超声波的频率在某种关系上决定了空化阀的大小。当超声波频率变大时空化阀也会变大,而当超声波频率越小的时候液体就比较容易产生空化效应。而且数据表名超声波清洗在低频的状态下的清洗效果比较好,因为较低的频率使得液体内产生的空化气泡可以维持较长的时间,持续时间越长气泡体积越大,当气泡爆炸时产生的威力就越大。但是低频清洗时容易产生噪音,如果我们需要兼顾清效果和环境保护的话,选择合适的超声波频率是十分重要的。2.2 超声波洗碗机方案设计利用超声波的清洗能力对普通的餐具进行清洗8。因为超声波的清洗能力十分出众,中式餐具上的油污面对空化效应闲的微不足道,超声清洗结束后已经没有多少油污残留,这时再对餐具进行水流清洗,将残留的污渍完全带走。而且超声波洗碗机将噴臂和超声波结合起来大大加强了清洗的能力。这种组合进一步优化了清洗过程,提高了资源的利用效率。我们设计的超声波洗碗机应该具备的有点有:体积小,结构简单;清洗的效果好;清洗的效率高,清洗进程快;资源损耗少,造价合理。清洗过程:电源接通,控制程序控制进水电磁阀接通,自来水经空心轴后从噴臂中喷出。水流从噴臂喷出时由于自身存在的反力矩会推动噴臂围绕空心轴旋转。餐具经噴臂的不断冲洗后初步去除油污。噴臂冲洗进程结束后,控制程序关闭进水电磁阀,然后接通排水电磁阀,污水被排出,关闭排水电磁阀。接着,进水电磁阀接通,喷洗餐具直至达到固定水位后水位感知系统控制进水电磁阀关闭。接着加热器启动,在其工作一定时间后自动关闭。此时超声波换能器启动,在超声波的空化作用下餐具上残留的油污完全从餐具上脱离。在超声清洗进行一定的时间后,超声波换能器停止工作。排水电磁阀接通,污水被排出。在污水排尽之后,进水电磁阀开启,噴臂再次对餐具进行冲洗,将餐具完全清洁。冲洗一定时间后进水电磁阀关闭,污水由排水电磁阀排出。这种方案下的餐具清洗方式十分合理,将噴臂的水流清洗和超声波的空化作用有机的结合起来使用,清洗效果达到了最好。这种模式可以有效的节约水电,而且清洗过程中不用添加化学清洗剂,十分环保。 图3清洗方案系统图1:超声波换能器; 2:加热器; 3:水位感知系统; 4:排水电磁阀; 5:进水电磁阀;6:噴臂3超声波清洗参数3.1 声强声场的强度和均匀度是评价超声清洗的效果的可靠依据9。声强的大小影响清洗的效果,太弱的话不能达到清洗效果,如果太强的则会达到反效果,过高的声强会不断地破坏清洗物的表面结构,其反射折射的声波极易在清洗表面形成声障,阻碍声波的继续传播。如果不能选择合适的声强大小那么清洗的结果就无法保障了。此外由于清洗槽的空间限制,超声波在狭小的空间里传播,会碰到很多阻碍,碰到阻碍之后声波反射,不断的积累就会产生驻波。它会使自己所处的地区的声压减小,影响空化作用,从而影响清洗效果。因此我们选择的声强大小应该在 之间。在面对不同的清洗物品的时候我们可以适当的调整声压的大小,如面对表面附着很顽固的清洗物的时候我们应选择比较大的声强3.2频率超声波换能器在低频工作时会产生噪音,且换能器的工作频率越低它产生的噪声就越大,一旦换能器的频率低于20kHz,人耳就无法承受其发出的高分贝的噪声了。低频率会带来另一个问题,空化作用的发生条件就是要求声波频率达到空化阀值,低频声波可能达不到,这在很大程度上影响清洗结果。从知网上的许多专利论文中我们不难发现选择超声波频率的规律。满足工业要求的精密零件由于其表面附着的金属氧化层十分难以清理且金属本身不易被声波破坏结构,我们需要用较高的频率对其进行清洗。而生活用的餐具虽说其材料中有金属,但大多数的还是陶瓷塑料一类的,而且餐具上的附着污垢没有金属膜那么难以去除,所以在这里我们会选用频率低的超声波。前面我们也提到了,低频的超声波在产生空化作用的时候空化气泡存在时间较长爆炸的威力也较大,这对提高清洗效果十分有利。频率在20Khz-40Khz之间的超声波比较适合于普通的家用餐具的清洗。设想洗碗槽的大小为500*500*500MM,此时我们应选择的超声波的频率应该是28或者27Khz.3.3 清洗液由前面所述的空化阀值的计算公式我们不难看出清洗液的粘度和空化阀的关系,在清洗液的粘度较大的时候,液体的空化阀值相应的也很大。这就导致在相同的超声波频率工作下,液体内部发生空化反应的几率降低,直接影响清洗结果。另一方面如果清洗液表面张力大,液体内部的空化反应就越剧烈气泡产生的冲击威力也就越大,这也直接的提高了清洗能力。综上两点我们可以得出结论,只有低粘度且表面张力比较大的清洗液才适合用于超声波的清洗。这样的清洗液其实我们可以在生活中很轻易的找到,就比如生活中的自来水,水是一种常见且应用广泛的清洗液,它就具有低粘度,表面张力大特点而且它的获取难度低无环境污染。经过综合考虑,我们选择自来水作为超声波洗碗机的清洗液。4超声场相对空化强度4.1空化强度测量方法原理超声场的空化强度对于超声波清洗设备来说是其最重要的性能指标。由于技术上的不成熟我们暂时还没能找到能够准确测量出声场绝对空化强度的方法,但是,我们可以利用铝箔腐蚀法,染色法和统计平均法等的方法来测出声场的相对空话强度。因为条件的限制我们就只能参考知网的专利论文利用铝箔腐蚀分析法来测量相对空化强度7 。将面积合适的铝箔置于清洗液中从而观察其面对空化作用时所产生的变化,这种方法叫做铝箔腐蚀分析法。实验的整个过程:把厚度均匀且面积固定的铝箔分别置于不同的频率工作下的超声波清洗机中。开启超声波换能器,过一段时间将其拿出,观察铝箔被腐蚀的情况。这个实验有个注意点,铝箔试验的时间不宜过长,铝箔在长时间的实验中会慢慢剥坏。通过对铝箔的观察我们来判断不同条件下的空化效果。4.2空化强度测量由于本文设计的洗碗机是要能够符合大众需求的洗碗机,所以其主要参数要和人们的生活水平相匹配。我们根据当前中国普通家庭的组成来看,洗碗机清洗槽的大小应该在420*400*400左右。相应的我们在进行铝箔分析时要利用这个信息,测试水槽的大小为420*400*400。清洗液我们选择普通的自来水,超声波的频率选择28Hz。整个试验处在常温的状态下进行,清洗过程中水面的高度保持一致,且与清洗槽的顶部保持70MM的距离。洗碗机的整机功率为300瓦特,其中超声波的扫频为15-30千赫兹,超声波清洗的时长为3分钟。 图4清洗方案系统图4.2.1数据拟定主要实验为超声作用(B面)、单面超声扫频作用(B面)、双面超声作用(B和D)、双面超声扫频作用(B和D)。我们将这四个实验的得出的数据汇总并进行比对。这个实验的目的是测量相对的空化强度,我们可以把铝箔的腐蚀面积所占的百分比大小作为相对空化强度的大小。实验的具体内容:首先处理铝箔,将铝箔分成大小相等的块,其中每块的大小为边长60毫米的正方形。其次,在每次试验结束之后用相机记录实验结果,利用图像处理软件将铝箔被腐蚀的部分涂黑,未被腐蚀的地方涂白。最后将实验结果用直方图表现出来,并把腐蚀部分的百分比分别计算出来。4.2.2实验结论根据实验数据我们可以得知:超声波的空化强度呈现出一种类似于抛物线式的分布,强度在距离声源较近的地方逐渐增大,然后在中部的时候达到最高,达到最高值后会随着距离的增加而衰弱,与抛物线不同的是空化强度的增大减小不是线性的,呈现出一种不规则的上下波动。这是因为超声波的声障作用,声障阻挡了波的传播与反射。所以距离声源越远空化强度会减弱。要想保证清洗效率,超声波的扫频作用必不可少。超声波在碰到阻碍时会发生反射折射影响传播,而清洗槽内的空间是有限的,这会造成声压的不均匀分布,清洗不均匀。在声波频率合理的变化区域内,扫频可以有效地避免驻波的形成与干扰,保证清洗质量。实验数据表明,超声波换能器单面作用时效果比较好。超声波换能器在双面作用的时候声波会相互干扰形成干涉,影响空化作用。表1 平行A面的相对空化强度表2 平行C面的相对空化强度我们根据上述试验可以发现利用单面扫频的超声波清洗机效果最好。5超声波重要参数确定5.1 清洗温度,超声波换能器功率,清洗时间超声波洗碗机要进行一次完整的清洗进程需要确定几个重要的参数。我们必须要设定洗碗机的清洗时间,而且为了保证清洗效果需要设置合理的水温,最重要的是需要计算出适合餐具清洗的超声波换能器功率。这里受到条件的限制我们无法直接的做实验,可以参考知网的相关文献来找出适合我们的最佳组合6。实验对象:三个陶瓷制的碗,三个玻璃制的杯子,两个陶瓷制碟子,三个塑料制勺子,三双塑料筷子,实验前将所有的被实验品上都刷上油污。 评判标准:餐具表层油污完全清洁,触摸无残留。 清洗温度:A1(35)、A2(45)、A3(55)。 清洗时间:B1(6min)、B2(9min)、B3(12min)。 超声波换能器功率:C1(400w)、C2(300w)、C3(200w)。实验方法:因为是多因素正交实验,所以我们需用正交表。综合各个因素,设置9个实验组,见表3表中参数因素主次:A-C-B其中表格里Gf与A/B/C正交的数据是该列中所有包含Af/Bf/Cf的和, f的取值为1,2,3;Kf与A/B/C正交的数值为Gf/该列中f号码重复的次数, f取1,2,3根据实验的结果我们可以发现A2-B3-C1是最佳的组合。即本文设计的超声波洗碗机的最合适的清洗温度为45摄氏度,单次的清洗时间为12分钟,超声波换能器的额定功率为400瓦。 参数试验号A()B(min)C(w)结果11 1 11021 2 21031 3 31042 1 21152 2 31262 3 11073 1 3983 2 2993 3 112G130 30 32G233 31 30G330 32 31K1 10 10 10.67K211 10.33 10K3 10 10.67 10.33R 1.0 0.67 0.67表3 多因素正交试验结果表5.2 餐具的合理摆放由于超声波是一种短波,所以当超声波遇到障碍时会被削弱甚至被阻碍,故需要合理的摆放餐具以达到清洗效果。我们可以利用上面的实验结果继续测试餐具摆放位置不同对清洗结果的影响。测试结果我们可以看图表4。测试的结果表明将餐具朝着B面摆放清洗的效果最好10。5.3 总结经过上面的几个实验,本文设计的超声洗碗机主要的几个参数都已经可以确定下来了。这台超声波洗碗机的单次清洗时间定为12分钟,餐具进行超声波清洗时的水温为45摄氏度,超声波的发射频率定为28千赫兹且采用单面扫频的工作模式,整个洗碗机的额定功率为500瓦,且清洗的时候餐具的摆放位置朝着声波发射面B面。洗碗机清洗流程:进水电磁阀进水喷臂进行旋转清洗(1min)排水电磁阀排水进水电磁阀进水陶瓷加热器加热清洗液直至工作温度(45)超声波清洗(12min)喷臂最后作辅助清洗(1min). 餐具朝向 合格率 A 0.77 B 0.94 C 0.73 D 0.75表4 餐具洗涤结果6洗碗机整体结构设计6.1 整体方案在整个洗碗机的结构设计中有几个问题我们需要特别的注意:1、洗碗机的安全问题,选用零部件是否合适会不会发生危险。2、作为洗碗机清洗容器的水槽会不会发生漏水以及进排水管道的密封性问题3、为了达到清洗效果,应该选用什么型号多大功率的超声波换能器,加热器,电磁阀等器件。整个超声波洗碗机的主要组成分为以下几个部分:第一部分是进排水系统,它控制这洗碗机的进水机构和排水机构;第二部分是超声波清洗系统,它是进行超声波清洗的主要工作系统;第三部分是噴臂辅助清洗系统,它帮助超声波进行清洗起着查漏补缺的作用;第四部分是加热系统,负责将清洗液加热到清洗温度,提高清洗的效果。进排水系统:进水系统是由进排水电磁阀,水位感应开关,过滤芯等器件组成的。喷臂系统:噴臂系统由电磁阀和噴臂组成的。加热系统:陶瓷电阻加热器。超声清洗系统:超声波发生器和超声波换能器组成。其他:整机外壳、金属清洗槽、金属碗篮、金属碗篮支架,整机底座等。6.2 外壳和碗篮本文所设计的超声波洗碗机主要是是面向众多的普通消费者的,作为一般的家用电器它体积小巧整机外形为540*500*540的长方体,十分适合空间资源紧缺的当代中国家庭。在选材上也是贯彻了既实用又好看的原则,外壳采用不拉丝工艺处理的不锈钢,简约大方且不易变形。洗碗机内的金属部分经过丙烯的特殊处理,不容易留下印记而且看起来干净整洁。由于加工误差的存在,难免会有些小的瑕疵,因此我们将整个控制面板进行PET丝印贴膜,美观的同时也大大延长了面板的使用寿命避免了水渍油污的侵蚀。11。本洗碗机采用了当前比较流行的前开门的设计,门柜上的观察窗采用的是高透钢化玻璃,外形美观而且方便了使用者,令其能够随时观察机器内的清洗情况。为了提升洗碗机的外观等级满足现在人的审美体验,我们还需在外壳上加涂新型UV固化涂料。它能够形成漂亮的装饰层且具有高硬度,高耐磨等优点7;而且的新型镀层工艺更为可靠,能够极大地美化表层,一般的塑料材质经过镀层之后能够整体呈现出更为细致美观的金属质感12。本洗碗机的碗篮外形如图5所示。整个碗篮由不锈钢制成,因为碗篮作为餐具承载工具需长时间的暴露在水、油和超声波的空化作用下极易受到侵蚀,为了解决这一问题,我们可以在碗篮的外层涂上强度高的疏水涂料从而加快水分蒸发延长碗篮的使用寿命而且水分蒸发的迅速还能够节约电能。碗篮容量足以将一家人所需的餐具放入,而像筷子勺子一类的的细小餐具可以装入筷笼中在放入。碗篮采用开放式结构,可以自由的取出放入,使用者只需根据需求将餐具放去其中即可。图5 碗篮的三维图6.3 清洗槽考虑到本设计的洗碗机的体积小巧,但是为了能够尽可能多的容纳餐具清洗,充分利用洗碗机内的空间清洗槽的大小为360*400*360mm。因为水槽的使用性质,其材料应具有防水,安全,抗腐蚀等特点。201不锈钢板由于具有抗腐蚀不易磨损等优点成为制作清洗槽的最佳材料。清洗槽作为清洗的容器长时间的被水,油侵蚀,而且超声波在清洗餐具的同时,空化作用也在时刻侵蚀洗碗槽。为了让洗碗槽能够拥有较长时间的使用寿命,我们需要提高它的耐腐蚀性和耐磨性,提高槽壁的厚度可以有效地解决这个问题。而3mm厚度的钢板足以保证清洗槽的使用要求12。清洗槽内排水口有拦网,清洗残留物可手工清理。6.4 进排水系统进排水系统是超声波洗碗机的基本组成机构,在清洗过程中是极其重要的环节,可以说进排水系统的好坏直接影响洗碗机的整体性能。本文设计的超声波洗碗机的进排水系统主要是由进排水管,进排水电磁阀,过滤芯和水位感知系统等组成8。电源接通,洗碗机的主控制电路接通后进水电磁阀打开,自来水经噴臂喷送到清洗槽中。水位感应系统在清洗槽内的水位达到一定高度后自动关闭进水电磁阀。超声波清洗结束后污水经排水电磁阀从排水口流出。选用PVC管作为进水管材料。6.4.1 水位感应系统选用连杆式浮球液位开关作为液面感应开关,结构见图7。连杆式浮球液位开关是将具有磁性系统的小球放置在一个封闭的管中,小球会随着液面浮动,当其触碰到管内预设的磁簧开关时会使开关闭合或打开从而控制液面的高低。利用干簧管作为开关。干簧管是一种利用磁场控制的特殊的常开开关,它能够感知带有磁性系统的小球从而控制开关。带有磁性的小球在胶管中会跟着水面的起落在一定范围内上下的浮动。水面的变化由干簧管(如图6)来传达,当槽内水面高度达标时,磁球上浮高位上干簧管受到磁球的影响而闭合闭合,加热系统启动待水温达标开始超声波清洗。当水槽内的水面高度比较低的时候,磁球位置下降,处在低位上的干簧管受到磁球的影响而闭合,进水电磁阀开启,噴臂的水流冲洗进程开始。图6 干簧管6.5 加热系统加热器位于清洗槽的中下位置,这样便于加热从使水温达到清洗标准。当噴臂进水后,水面达到清洗高度,水位感应系统关闭进水电磁阀,控制程序启动加热器,当水温达到预设温度后自动关闭。在这里我们选用陶瓷加热器作为超声波洗碗机的加热元件。陶瓷加热器具有的优点有:热传导快加热效率高,陶瓷材质抗腐蚀能力强,且结构简单是由陶瓷包裹电阻丝形成。 23图7 水位感应器结构图6.6 门开关电路超声波洗碗机作为家用生活的电器抛开它的使用性能不说,其安全性能是极其重要的,在其运行的过程中必须有安全保障措施13,所以洗碗机必须要有童锁功能即开门保护措施。它的原理我们可以参照家用电表中的保险丝,将保护电路置于主电路中并与其串联,当保护电路感应断开时主电路也被切断。6.7 喷臂系统洗碗机的喷臂系统(见图7)选用聚丙烯制的PP管。PP管具有:安全,耐腐蚀,耐热性能好。为了提高噴臂系统的密封性能我们需要利用PVC胶来连接管道,使其完全密封不漏液。而且PVC作为一种粘合剂价格低廉且安全卫生。洗碗机的进排水系统由二位二通电磁阀来控制。电磁阀是一种利用电磁控制从而来控制流体的自动化零件。由于其结构简单稳定所以在工业上它的运用十分广泛。电磁阀应用最广的途径就是用来控制液体的速度大小和流量大小而且它还可以用来调节液体的流向。而且电磁阀适用性能好,在不同的电路中可以搭配相应的辅助电路达到控制效果,十分方便灵活。其中最常用的电磁阀有方向控制阀、安全阀、速度调节阀等。洗碗机的工作性质决定了选用的电磁阀的种类,而且电磁阀在洗碗机内的工作条件远低于工业制造,所以只需要选用能够控制水的接通与切断的简单电磁阀就好。综上,上海承信自动阀门有限公司的2W-200-20是理想的电磁阀的选择。为了超声波的清洗效果更好,餐具经超声波清洗之前必须先经由噴臂系统的清洗。利用高速水流的冲击力先将餐具表较容易清洗的污迹冲洗干净,然后再进行超声清洗,清洗效果可明显提升。噴臂清洗时,水从噴臂出水孔以较高的速度喷出,高速水流的射出使得水流本身存在的反力矩推动噴臂进行旋转,噴臂在旋转状态下能够对餐具进行更为强力的清洗。为使噴臂能够稳定旋转且因为洗碗机的进水管与噴臂相连接,所以我们采用噴臂与进水管间隙配合的方案,这样的话噴臂旋转的同时就不影响进水。为了防止噴臂在旋转过程中脱落,在其上方加上一个螺母来稳定它从而限制它的自由度。同时为了防止噴臂在旋转过程中向下滑落,我们在噴臂管道上设置了一个凸台。为了简化结构和优化清洗过程进水管和整个上盖板之间我们选择采用螺栓作为连接装置。图8噴臂6.8 超声清洗系统超声波洗碗机我们可以直接从字面上来进行理解这个定义,那就是利用超声波来进行洗碗这个工作。既然是利用超声波进行洗碗的机器,那么超声波清洗系统毫无疑问的就是整个机器的核心了10。我们不难发现一台超声波洗碗机是否具有高性能有很大的程度上是取决于其配置的超声波清洗系统的优劣的,清洗系统是评价洗碗机能力的重要指标。超声波洗碗机的超声清洗系统一般是由两个部分组成的,它们分别是超声波发生器和超声波换能器。超声波发生器顾名思义就是发出超声波的机器,它的原理也是十分简单的,通过机器的运行把普通的居民用电变成一种稳定的频率信号。而超声波换能器就是一种与超声波发生器相配合使用的电器件。它俩是超声波清洗必不可少器件,相互依存密不可分。换能器与发生器不同的是,它不是把电能转为信号而是把电力转为声能。两台机器独立工作,当二者的工作频率同步的时候就会产生共鸣,发生振动产生声波。6.8.1 超声波发生器要提高超声波发生器的最大频率从而提高其工作的效率我们可以从几个方面来考虑这个问题14:(1)发生器频率的配合调节过问题,由于发生器和换能器是协同工作的二者需要时时刻刻一起配合,换能器由于其工作的特质其谐振频率会发生变化,这就要求发生器能够察觉这种变化并自动的调节自身的频率来与之配合。(2)超声波发生器产生的电信号是比较微小的,而微小的电信号不容易被电器所察觉。所以超声波发生器需要末级放大器从而将微弱的电信号放大。(3)当信号的强度过小的时候,单单只用一个信号放大器是难以起到作用的,所以这时候我们就需要将单个放大信号叠加起来达到使用要求,这就叫做功率的合成。(4)因为添加了信号放大器这这种比较脆弱的元器件,电路的保护就显得尤其重要,电路中必须加入过载和短路保护。(5)超声波发生器要与换能器相适应,二者要能够很好的配对。一、超声波发生器的频率输出在不与换能器配对时是不稳定的,为了能够向换能器输出稳定的电功率。而若要输出额定的功率超声波发生器需要最佳的负载,同时也将换能器阻抗选为最佳负载。而这种相互联系相互稳定的作用就是阻抗变换作用;二、一旦二者达成匹配这就意味着超声波发生器已经能够达到其最大的工作效率。因为超声波换能器存在静阻抗的干扰它的输出电压和电流都会被减小,进而影响其整个的工作效率。为了减小这种静阻抗带来的影响,我们可以在发生器的端口上并或串上一个与换能器相反的阻抗,可以在一定程度上进行抵消。我们可以把这个方法称之为谐调作用4。我们可以发现超声源的的功率大小质量高低有很大程度上是取决于发生器和换能器的匹配优劣上的15。超声波洗碗机对超声波发生器的功能要求:(1)其输出频率具有自我调节能力:换能器谐振频率变化的时候发生器也能够自动调节频率与之匹配(2)发生器的额定功率:800w。(3)扫频:为了避免在有限空间内形成驻波影响清洗效果。(4)电路保护功能:当电路发生过载短路时能够立即切断电源保护元器件。经过综合考虑之后我们可以选择深圳好时代科技有限公司的HSD-A型作为本洗碗机的超声波发生器。6.8.2 超声波换能器超声波换能器作为声能的转换装置是极其重要的。超声波发生器在其工作时会产生频率很高的电信号,这种高频率的电信号能够影响磁场。超声波换能器中的磁场受到影响后会不断变化从而引起换能器中的机械振动部分开始振动,机械振动的同时会连带着接触介质振动。在二者振动的同时声波由此产生。换能器一般由换能器材料部分和机械振动放大部分这两大部分组成。其中机械振动部分又叫做变幅杆,它能够把机械振动幅度放大使小的机械振动幅度变大。因此它能够大大提高换能器的振速比,而且变幅杆的存在还能够降低换能器的谐振阻抗,而谐振阻抗的降低减少了换能器在输出电压电流上的相位差这也直接的提高了整体的工作效率。重要的是变幅杆保证了系统的稳定并且使得换能器能够免受外界环境的干扰。换能器的种类和规格有很多,像有电磁式、电动式和电容式等。其中应用最为广泛的是压电式超声波换能器,因为它具有较高的电能和机械能转换效率,容量大及结构形状能够自选等优点。因为我们设计的是体积较小的超声波洗碗机所以其换能器的功率不用太大,在这里我们可以选用北京晴晖世创科技发展中心的QHQ-4GL-5028型超声波换能器。这款超声波换能器的谐振频率为280.5大小适中,它的绝缘阻抗为1000M,整机的功率为100w。本洗碗机的的整机大小为540*500*540(mm)清洗槽底面积为360*400(mm)=144000mm=1440cm,超声波振子功率为100w*4=400w;则功率密度应为400/1440=0.28W/ cm本文所设计的超声波洗碗机结构是适合普通家庭的,所以它的振动系数不大且根据前面的实验结果我们最终将换能器安置在清洗槽的B面,数量4个。6.9 总结超声波洗碗机的整体结构:进排水系统、喷臂系统、超声波清洗系统、加热系统。以上结构均已设计完成。本文设计的家用超声波洗碗机具有体积小,效率高,健康环保等优点,能够满足大多数家庭的洗碗需求。结论本文的研究课题为超声波洗碗机的整体结构设计。当代的中国经济发展飞速,而且生活节奏不断加快,人们需要更方便快捷的家用电器。洗碗机由于其方便,快捷,省时的优点出现在了现代家庭的厨房。洗碗机在西方的家庭已经十分常见。而由于中式餐具与西式餐具的不同,传统的噴臂式和涡轮式洗碗机难以应对中式餐具大而深的结构特点。而且中式菜肴油腻重,需要专用的清洗剂,再加上清洗效果的不稳定性所以洗碗机在中国并未很好的普及开来。市场处于新生的状态,十分具有前景。如果将传统洗碗机进行改造,使其适应中国人的清洗特点,就能让它走进更多数人的家庭。超声波清洗技术的出现给了当前的尴尬局面一条光明的道路,我们可以将超声波清洗技术应用在洗碗机上。新型的超声波洗碗机具有清洗效率高,清洗无死角,无需专用清洗剂节,能环保等特点。本设计就是研究超声波洗碗机的整体结构,从而设计出结构合理清洗效果好的新型超声波洗碗机。本设计的优点:(1)本文所设计的洗碗机结构简单稳固,成品不占用很大空间,方式使用。其具有的门电路保护系统能够在意外开门时快速切断电源,大大加强了洗碗机工作时的安全性能。 (2)噴臂的位置选择,本超声波洗碗机的噴臂位于底部,这能够全面的进行清洗,提高清洗效率,避免冲洗时的死角。(3)选材新颖。采用不锈钢作为清洗槽的材料,不会产生异味且使用寿命长。本设计的不足:(1)由于洗碗机的结构简单所以整机的运行模式比较单一,无法满足使用者的个性化清洗需求。(2)洗碗机清洗结束后留下的食物残渣需要使用者手动清理,并未能够实现完全的自动化。(3)洗碗机没有配置相应的消毒烘干机构。洗碗机作为家用电器如果不能被大多数的消费者所认可就不能走进大家的厨房。中国的洗碗机市场很大,且又具有很好的前景。消费者在观望的同时也在期待洗碗机能够拥有更好的清洗效果,更好的操作体验和更亲民的价格。新颖的结构加上高效的清洗方式无疑使超声波洗碗机具有更好的前景。致谢本设计是在毛瑞卿老师的悉心指导和热情关怀下完成的,毛瑞卿老师在我的毕业设计写作过程中,严格要求,精心指导,对我不清楚的问题进行了认真的解答,并为我指出更正了设计中的不当之处,使我在整个过程中少走了很多弯路,在这里,对毛瑞卿老师表示特别感谢。另外,在毕业设计写作过程中,各位同学也给予了我很大的帮助,使我感受到了合作和信息共享的重要性。还要感谢的是家用电器商城的工作人员,销售人员们,他们对我的热情介绍,使我充分地了解了市面上的传统洗碗机的优劣之处,对我的毕业设计的完成有很大的帮助,其余未提到的对我有帮助的人员,在此一并感谢。 参考文献1. 王向红、毛汉领超声波洗碗机的设计构想J 广西民族学院学报,2003,5(2):33-352. 孙嘉燕,李保红,王述洋.洗碗机现状及实现中国洗碗机普及新探索J.现代科学仪器,2012:137-141.3. 袁易全近代超声原理与应用M 南京:南京大学出版社,1996:55-644. 席细平,马重芳等.超声波技术应用现状J. 山西化工,2007,27(1)25-295. 任建新物理清洗M北京:化学工业出版
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