家用超声波洗碗机整体结构设计.docx
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家用超声波洗碗机整体结构设计
摘要……………………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………………1
1.1家用洗碗机简介……………………………………………………………………1
1.2国外发展现状………………………………………………………………………2
1.3国内发展现状……………………………………………………………………3
1.4国内主流产品……………………………………………………………………3
2超声波清洗原理及方案………………………………………………………………4
2.1超声波清洗原理……………………………………………………………………4
2.1.1概述……………………………………………………………………4
2.1.2超声波清洗的机制………………………………………………………………4
2.1.3超声空化阀值……………………………………………………………………6
2.2超声波洗碗机方案设计……………………………………………………………6
3超声波清洗参数……………………………………………………………………7
3.1声强……………………………………………………………………7
3.2频率……………………………………………………………………8
3.3清洗液……………………………………………………………………8
4超声场相对空化强度…………………………………………………………………8
4.1空化强度测量方法原理……………………………………………………………8
4.2空化强度测量……………………………………………………………………8
4.2.1实验结果处理……………………………………………………………………9
4.2.2实验结论………………………………………………………………………9
5超声波重要参数确定………………………………………………………………10
5.1温度，清洁时间，超声功率………………………………………………………10
5.2餐具合理摆放……………………………………………………………………11
5.3总结………………………………………………………………………………11
6洗碗机整体结构设计………………………………………………………………12
6.1整体方案…………………………………………………………………………12
6.2外壳和碗篮………………………………………………………………………12
6.3清洗槽……………………………………………………………………………13
6.4进排水系统………………………………………………………………………13
6.4.1水位感应系统…………………………………………………………………13
6.5加热系统……………………………………………………………………14
6.6门开关电路………………………………………………………………………14
6.7喷臂系统…………………………………………………………………………14
6.8超声清洗系统……………………………………………………………………15
6.8.1超声波发生器…………………………………………………………………15
6.8.2超声波换能器…………………………………………………………………16
6.9总结………………………………………………………………………………17
7结论…………………………………………………………………………………17
参考文献……………………………………………………………………………18
致谢……………………………………………………………………………………19
家用超声波洗碗机整体结构设计
摘要：
超声波技术在洗碗机领域的应用，使洗碗机的发展更加多元。
在洗碗机整体结构、清洗工艺和控制系统三个方面进行改良设计。
结构方面，采用不锈钢清洗槽，合理布置超声波系统，喷臂冲水装置和进排水装置等，使结构更加紧凑合理，提升清洗效果。
清洗工艺方面，分析洗涤槽内超声波空化强度的分布，选择合适的参数，确定最优的清洗流程。
关键词：
超声波；洗碗机；结构设计；
Thestructuraldesignofhomeultrasonicdishwasher
Abstract:
Theusingofultrasonictechnologymakethedevelopmentofdishwashermorediversified.Thispaperhasimprovedandredesignedtheoverallstructureofthedishwasher,thecleaningprocessandcontrolsystem.Thestructure:
thecleaningtankismadeofstainlesssteel.Thedishwasherconsistsofreasonablelayoutoftheultrasonicsystem,thesprayarmflushdeviceandtheplumbingsystem,sothatthestructureismorecompactandreasonable,toimprovethecleaningeffect.Cleaningprocess:
figuringoutthedistributionofultrasoniccavitations’intensityandselectingappropriateparameterstodeterminetheoptimalcleaningprocess.
Keywords:
ultrasonic;dishwasher;thedesignofoverallstructure;
1前言
1.1家用洗碗机简介
洗碗机是用来自动清洗碗、筷、盘、碟、刀、叉等餐具的设备，在饭后清洁沾满油污的餐具是人们日常生活中不得不面对的一大家务劳动，洗碗机的出现减轻了劳动强度，提高了工作效率，并增进清洁卫生。
早在1850年，JoelHoughton就申请到了世界上第一个洗碗机专利，不过是一个手动设备；1893年世界博览会上，蒸汽船发明人JohnFitch的孙女Josephine展出了她设计的手动洗碗机，她也被称为现代洗碗机之母；1920年德国米勒公司制造出世界上第一台电动洗碗机，只不过它当时的外形并不适合家庭使用；1954年美国通用电气公司制造出一台电动洗碗机，这台机器不仅洗涤性能大幅改善，而且外形更适合家庭使用；1978年德国米勒公司有制造出第一台微电脑电动洗碗机，使洗碗机开始进入寻常人家的厨房。
现有的家用洗碗机种类繁多，按控制方式分为机电式控制和电子式控制；按安装方式分为台式、独立式和嵌入式；按洗涤方式分为喷淋式和涡流式。
虽然市场上有各式各样的洗碗机，但这些洗碗机基本都有机壳、机门、内胆、控制系统、清洗系统和餐具摆放架等重要部件。
机壳有金属和塑料两种。
金属机壳的好处是高档，机械强度高，结构牢固，但它也具有易锈蚀，成本高等缺点；塑料机壳的优点是制作成本低，重量轻，但它有易老化，耐热性差等缺点[1]。
机门通常使用冷轧钢板制成，有上开门式和前开门式两种。
通常设置有意外开门保护装置，在儿童或其他使用者不小心在家用洗碗机工作过程中打开机门，洗碗机会马上停止工作，以保护人身安全。
内胆是洗碗机工作的重要部件，市面上的洗碗机产品分为塑料内胆和金属内胆两种。
金属内胆具有耐用，耐高温，抗老化，易清洗等优点，缺点是易腐蚀，造价高；塑料内胆也具有上述大部分优点，且造价低，但是一个显著的缺点就是难清洗，易留异味。
1.2国外发展现状
第一台家用洗碗机起源于德国，同时德国的现代家用洗碗机技术在整个欧洲也处于前列，拥有者BOSCH，Miele，SIEMENS等20多家洗碗机制造商，年产量高达3百万台，消费量也高达1.71百万台，拥有率高达42%。
美国是目前洗碗机普及率最高的国家，早在1996年就已达54.9%，同时也是洗碗机生产大国，年产量一直保持在300万台以上，著名企业包括GE等。
日本的起步比欧美国家晚了大约30年，并在发展过程中遭受坎坷，现在的普及率仍不及欧美大国，著名企业包括日立，松下，三菱，夏普等均有生产。
国外很多家庭都拥有家用洗碗机，且传统的喷臂式洗碗机十分适合国外餐具的清洗，传统洗碗机是通过电机驱动洗涤泵使洗涤液在一定的压力下从喷臂喷出，形成密集的热水流；喷臂由于受到喷水的反作用而旋转，使洗涤液来回地喷射到各式餐具上，对餐具进行喷射冲洗和淋刷。
喷射水流对碗碟表面起机械冲洗作用，洗碗机专用洗涤剂对碗碟表面油污起化学清洗作用，热水起浸泡软化作用。
三者联合作用，使碗碟表面油污和残渍分解和脱落，从而达到清洁的目的,且造价低，性价比高，使国外的家用洗碗机的普及率还在不断的增大。
良好的市场促进了企业对新型洗碗机的研制和开发，且新型超声波家用洗碗机也开始在国外流行，这种良性循环使国外的洗碗机产业焕发出蓬勃的生机。
1.3国内发展现状
我国在80年代有了第一台洗碗机，但是发展过程却不尽如人意。
1998年，第一台全自动柜式洗碗机在小天鹅诞生，之后，海尔，美的，澳柯玛，格兰仕等企业纷纷进军洗碗机领域。
但是，令人遗憾的是，这些国产企业生产的产品主要外销，作为国产企业，却也没有对国内市场有足够的重视。
究其原因，大致有以下几点：
一台普通的洗碗机动辄几千元，多则上万元，这对普通消费者来说，是一笔不小的开支，其次是耗电量和耗水量大。
一台洗碗机完成洗碗、消毒、烘干耗时长。
且洗碗机的功率从600W到2300W不等，消费者将承受更多的电费。
国内的洗碗机品牌，如海尔、小天鹅、美的等，最低价格都在2000元左右，加上专用的洗涤剂，不仅价格高，而且不环保；传统的洗碗机需要很大的室内空间，在房价寸土寸金的今天，显然是不经济的；另外，洗碗机工作需要采用专用的洗涤剂，并对餐具的形状有一定要求，不适合中式餐具，且中式菜肴油污较多，洗涤相对麻烦，国内洗碗机多为塑料内胆，长时间使用之后，内胆会变得有异味而且油腻难清洗，出现“洗碗机洗碗，人洗洗碗机”的问题。
如此，都决定了传统洗碗机难以在中国快速普及[2]。
1.4国内主流产品
以美的（Midea）举例，目前在商城大致能见到的型号为WQP6-3207-CN，WQP8-9249A-CN，WQP12-9270-CN。
三款洗碗机都针对中式餐具配套了碗篮，并配有消毒程序。
其中，WQP6-3207-CN体积小巧，外观时尚更适合家庭使用。
它的洗涤过程为：
预洗：
对碗具进行强力冲刷，除去残渣;主洗：
高温高压水柱，专用洗涤用品作用（2-4个循环，40分钟）;漂洗：
对餐具进行清洁冲刷（一个循环，14分钟）;清洗：
最后清洁（一个循环，14分钟）;烘干：
冷凝式烘干（预热自然烘干）
WQP12-9270-CN与WQP6-3207-CN相比具有容积更大，可以同时清洗12套餐具的优点，且因其采用360°“水枪式”喷淋系统，且内胆采用圆形转角，使其洗涤效果更高效，基本无死角。
总的来说，国内洗碗机产品大体可以满足消费者日常需要，洗涤效果基本满意。
但基本是传统洗碗机，超声波洗碗机目前仅主要商业使用，例如欧倍力，康洁仕，在家用领域几乎处于空白。
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
声波是人耳能感受到的一种纵波，它的频率在16到16000HZ范围内。
当频率超过16000HZ超出一般人耳听范围，就称为超声波。
超声波和声波一样，可以在气体，液体和固体中传播[3]。
超声波的主要性质有：
（1）超声波能传递很强的能量，超声波的作用主要是对其传播方向上的障碍物施加压力（声压）。
因此，有时可用这个压力的大小衡量超声波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。
（2）当超声波经过液体介质传播时，将以极高的频率压迫液体介质质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域。
由于液体基本上是不可压缩的，由此产生压力正，负交变的液压冲击和空化现象。
由于这一时间极短，液体空腔和压力可达几十个大气压，并且产生巨大的液压冲击。
这交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上回使其破坏，引起固体物质分散，破碎等效应。
（3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射。
反射能量的大小，决定于两种介质的波阻抗（密度与波速的乘积pc称为波阻抗），介质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时的反射率愈高。
（4）超声波在一定条件下会产生波的干涉和共振现象。
超声加工的应用有：
型孔，型腔加工；切割加工；复合加工和超声清洗。
目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用更多[4]。
2.1.2超声波清洗的机制：
由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。
如果对液体中某一确定点进行观察，这点的压力如图曲线A所示。
以静压（一般一个大气压）为中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图曲线B那样，并产生负的压力。
空化作用：
超声波以两万次/秒以上的两种被称为压缩力和减压力交互性的高频变换方式向介质作用时，在减压力作用时，液体中产生大量真空气泡，在压缩力作用时，真空气泡被压碎时产生强大的冲击力，局部压力能达到上千个大气压，
图1液体内部压力图
Fig.1Thegraphicofinnerliquidpressure
由此剥离被清洗物表面的污垢，因空化现象产生如图2（A）所示的气泡。
由冲击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图2（B）所示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。
这就是空化二次效应[5]。
当声波达到一定强度时，空洞会发生剧烈爆炸，产生强烈碰撞，压力达5-50吨/平方厘米，具有很大的能量，使水分以超过10000G的加速度撞击被清洗物体的表面，将污物撞击下来，从而达到显著的清洗效果，并且这种效果可随液体到达被清洗物体的所有表面，这是手工洗刷，机械振动等常规手段所无法达到的。
由于空化效应形成时会产生声波压力和热效应，故可对细菌，特别是链状细菌进行打击，达到杀菌消毒的作用，从而达到精密洗涤目的[6]。
直进流作用：
超声波在液体中沿声的传播方向产生流动的现象称为直进流，通过此直进流使被清洗物表面的污垢被搅拌，污垢表面的清洗液也产生对流，溶解污物的溶解液与新液混合，使溶解速度加快，对污物的搬运起着很大的作用。
辐射扭力：
空化核在运动时发生的二阶现象。
在均匀洗涤液中作用于洗涤液本身，使洗涤液产生环流，叫做声流，它能使振动气泡表面产生高达90Mpa的粘滞应力。
乳化作用：
在超声空化作用下，有油污包裹住的固体粒子，在两种液体的分界面迅速分散而乳化，固体粒子自动脱落。
空化作用广泛应用。
另外，超声波清洗对声反射强烈的材料，如陶瓷，金属，玻璃等，清洗效果尤其好，再利用40摄氏度左右的水作为清洗剂，可以将空化
效应发挥到最大值。
因此空化效应为本洗碗机主要应用原理[3]。
图2空化二次效应
Fig.2Thetheoryofsecond-ordereffectcavitation
2.1.3超声空化阀值
使清洗液达到空化作用的最小声强或者声压幅值称为空化阀值[4]。
空化阀Pc表示为：
（1）
其中Po为液体的静压力,Pv是蒸汽压，Ro是空气核半径，
是表面张力系数
可以看出液体含气量越少，空化阀越高，静压力越大，空化阀越高，液体的沾度越大，空化阀也越高。
可见，不同液体的空化阀不同，同一液体在温度、压力和含气量等不同的情况下，空化阀值也不同[7]。
此外，由经验公式
（2）
可以得出空化阀与沾滞系数的关系，
为沾滞系数，并且声波的频率越高空化阀也越高。
当声波频率超过4.8MHZ的时候，空化阀接近10Mpa。
空化阀值与超声波的频率有密切关系。
频率越高，阀值越高；频率越低，越容易发生空化。
在低频情况下液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩溃前能生长到较大的尺寸，增大空化强度，有利于清洗作用，但是低频工作时易产生噪声。
为了经济性和清洗效率考虑，正确选择频率十分重要。
2.2超声波洗碗机方案设计
此处省略 NNNNNNNNNNNN字。
如需要完整说明书和设计图纸等.请联系 扣扣：
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该论文已经通过答辩
3超声波清洗参数
3.1声强
在超声清洗中，声场强度和声场均匀度都是判断清洗效果的重要指标[9]。
声强太弱不能有效将污物洗去，太强又会对清洗件表面造成损坏，甚至在辐射面形成声障，使声能不能完全辐射到整个空间，影响清洗效果。
在有限的清洗空间内，超声波易在声源，液面和空气交界处来回反射，形成驻波，使波节处声压过小，无法发生空化，造成清洗盲区。
声强一般选在
，对于一些金属表面氧化膜难于清洗的污垢，则应采用较高的声强。
3.2频率
当工作频率很低（在人的听觉范围内）就会产生噪音。
当频率低于20kHz时，工
作噪音将变得很大，而且超出人耳安全所可承受的值，易引起对人的伤害，而且过低的频率不能产生空化作用。
高频率的超声波，空化作用阀值越高，适于工业上清洗较小，较精密的零件；低频率的超声波，空化作用阀值较低，且液体受到的压缩和稀疏作用时间间隔较长，使空化气泡在破裂前有较长的长大时间，使其长到较大的体积，从而在破裂后释放更强的能量，产生更好的清洁效果。
通常选择20Khz-40Khz，通常，在清洗表面光洁度不高，清洗槽大小在500x500x500mm的情况下，选择28Khz。
3.3清洗液
在家用超声波洗碗机工作时，清洗液的粘度越大，空化阀值越大，空化作用越难发生。
表面张力越大，空化的强度越大，清洗效果越好。
所以，选择的清洗液最好有粘度小。
表面张力大的特点，由于水的污染小，粘度小，表面张力大，且安全卫生，适合用于餐具，综合考虑后，选取通常家庭里极易取得的自来水为清洗液。
4超声场相对空化强度
4.1空化强度测量方法原理
对超声清洗设备而言，最重要的性能指标就是超声场的空化强度。
现在，我们尚无一种可靠的方法测量绝对空化强度，但是，可以通过铝箔腐蚀法，染色法，声致自由基和实时谱分析法，统计平均法等方法测量相对空化强度。
在这里，我们选用较为简便快捷的铝箔腐蚀分析法来测量相对空化强度[7]，并分析洗涤对超声波的要求。
铝箔腐蚀法是利用超声空化效应对铝箔的腐蚀和冲击作用使其产生小孔的方法。
具体操作方法：
取表面光滑平整，厚度仅有几十微米的铝箔，将其固定在架上，并浸入清洗液中，开机一段时间拿出，观察被腐蚀情况。
值得注意的是，试验时间不宜过长，否则铝箔会一块块腐蚀脱落。
这种方法十分直观地展示了空化作用在不同条件下的强度。
4.2空化强度测量
本文研究的新型家用超声波洗碗机主要面向中国的普通家庭，根据实际情况，每家大概有3-5口人，选择420×400×400（长×宽×高）的清洗槽。
根据铝箔腐蚀法，在容积为420×400×400的清洗槽内测量空化分布情况。
清洗液为软化后的自来水，声波频率为28KHz，室温25°C的环境中，液面离槽顶大约70mm扫频范围设置为15KHz-30KHz，功率设置为300W，超声工作时间3min。
图4清洗方案系统图
Fig.4Thesystemofcleaningscheme
4.2.1实验结果处理
根据实际情况，在此采用：
单面超声作用（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）四种方式进行实验。
为了更直观的观察洗涤槽内空化强度的分布，便于建立可靠的实验数据，便于下一步的设计计算，在此把腐蚀面积与铝箔面积的百分比规定为相对强度值。
处理方法：
以6cm为边长，把铝箔均分为若干区域。
把每一次实验后的每一块铝箔纸照相，然后操作平面图像处理软件，使腐蚀部分颜色为黑，没有被腐蚀的部分颜色为白，最后通过直方图功能，计算出每一块的腐蚀面积与每一块铝箔面积的百分比。
把宽为300mm长为420mm的铝箔用木框固定后再固定在水中，铝箔平行于A面，铝箔长的一条边在洗涤槽底面上。
4.2.2实验结论
根据试验数据可知，超声波空化强度从靠近声源处开始逐步增强，当离声源一定距离，大致为中心位置时，空化强度开始下降。
其原因是过多的空化气泡会形成声波屏障，影响声波的传递，所以在远的地方，空化强度减弱。
无扫频作用的清洗效果差。
因为在清洗槽的有限空间内，超声波在交界面或者洗涤槽壁的时候反射形成驻波，造成某些地方声压小某些地方声压大，从而使清洗不均。
通过将清洗槽形状不规则化或扫频可以让声压最小点来回移动，不固定在一个地方从而带动清洗液来回流动，提高清洁效率。
同种实验条件下，双面作用强度比单面作用低。
因为双面的时候超声波会发生干涉，影响清洗效果。
表1平行A面的相对空化强度
Table1RelativecavitationintensityofsurfaceA
表2平行C面的相对空化强度
Table1RelativecavitationintensityofsurfaceC
单面扫频的清洗效果最好。
5超声波重要参数确定
5.1温度，清洗时间，超声功率
温度，清洗时间，超声功率为家用超声波洗碗机的重要参数，需要设置实验来找出最佳参数组合[6]。
实验对象：
三只碗，三把勺，两个碟子，三个玻璃杯，三双筷子，所有实验对象均被涂抹上食物油污。
评判指标：
经清洗后，表面无油污，手摸不油腻。
温度：
A1为35℃、A2为45℃、A3为55℃。
清洗时间：
B1为6min、B2为9min、B3为12min。
超声功率：
C1为400w、C2为300w、C3为200w。
实验方法：
采用多因素正交实验，需用
正交表，将各因素综合，设置9个实验组，见表3
表中参数因素主次：
A-C-B
其中表中Gf与A/B/C正交的数值为该列中所有包含Af/Bf/Cf的和,f取1，2，3，
表3多因素正交试验结果表
Table3Theresultofmulti-factororthogonalexperiment
参数试验号
A（℃）B（min）C（w）
结果
1
111
10
2
122
10
3
133
10
4
212
11
5
223
12
6
231
10
7
313
9
8
322
9
9
331
12
G1
303032
G2
333130
G3
303231
K1
101010.67
K2
1110.3310
K3
1010.6710.33
R
1.00.670.67
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
由实验结果可得知最佳组合为A2-B3-C1，即使用45℃，清洗时间为12min，功率为400w，并设置另一档位A2-B2-C3为经济档，供餐具较少时使用。
5.2餐具的合理摆放
超声波属于短波，易被障碍物阻挡并造成衰减，故餐具的摆放方法就显得尤为重要，根据上面确定的三项参数，进行摆放位置最优化实验，得结果如表4，所以餐具朝向B面最佳[10]。
5.3总结
经上述对超声空化强度及对基本参数设计计算，该家用超声波洗碗机的基本参数
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