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湖南農業(yè)大學全日制普通本科生畢業(yè)設計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設計是本人在指導老師的指導下，進行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產權爭議。除文中已經注明引用的內容外，本論文不含任何其他個人或集體已經發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻的個人和集體在文中均作了明確的說明并表示了謝意。本人完全意識到本聲明的法律結果由本人承擔。
畢業(yè)設計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………………1
1.1家用洗碗機簡介……………………………………………………………………1
1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀………………………………………………………………………2
1.3 國內發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………………………………3
1.4 國內主流產品……………………………………………………………………3
2超聲波清洗原理及方案………………………………………………………………4
2.1超聲波清洗原理……………………………………………………………………4
2.1.1概述……………………………………………………………………4
2.1.2超聲波清洗的機制………………………………………………………………4
2.1.3超聲空化閥值……………………………………………………………………6
2.2超聲波洗碗機方案設計……………………………………………………………6
3超聲波清洗參數……………………………………………………………………7
3.1聲強……………………………………………………………………7
3.2頻率……………………………………………………………………8
3.3清洗液……………………………………………………………………8
4超聲場相對空化強度…………………………………………………………………8
4.1空化強度測量方法原理……………………………………………………………8
4.2空化強度測量……………………………………………………………………8
4.2.1實驗結果處理……………………………………………………………………9
4.2.2實驗結論………………………………………………………………………9
5超聲波重要參數確定………………………………………………………………10
5.1溫度，清潔時間，超聲功率………………………………………………………10
5.2餐具合理擺放……………………………………………………………………11
5.3總結………………………………………………………………………………11
6洗碗機整體結構設計………………………………………………………………12
6.1整體方案…………………………………………………………………………12
6.2外殼和碗籃………………………………………………………………………12
6.3清洗槽……………………………………………………………………………13
6.4進排水系統(tǒng)………………………………………………………………………13
6.4.1水位感應系統(tǒng)…………………………………………………………………13
6.5加熱系統(tǒng)……………………………………………………………………14
6.6門開關電路………………………………………………………………………14
6.7噴臂系統(tǒng)…………………………………………………………………………14
6.8超聲清洗系統(tǒng)……………………………………………………………………15
6.8.1超聲波發(fā)生器…………………………………………………………………15
6.8.2超聲波換能器…………………………………………………………………16
6.9總結………………………………………………………………………………17
7結論…………………………………………………………………………………17
參考文獻……………………………………………………………………………18
致謝……………………………………………………………………………………19
家用超聲波洗碗機整體結構設計
學 生：盧宇翔
指導老師：莫亞武
(湖南農業(yè)大學工學院，長沙 410128)
摘 要：超聲波技術在洗碗機領域的應用，使洗碗機的發(fā)展更加多元。在洗碗機整體結構、清洗工藝和控制系統(tǒng)三個方面進行改良設計。結構方面，采用不銹鋼清洗槽，合理布置超聲波系統(tǒng)，噴臂沖水裝置和進排水裝置等，使結構更加緊湊合理，提升清洗效果。清洗工藝方面，分析洗滌槽內超聲波空化強度的分布，選擇合適的參數，確定最優(yōu)的清洗流程。
關鍵詞：超聲波；洗碗機；結構設計；
The structural design of home ultrasonic dishwasher
Student: Lu Yuxiang
Tutor: Mo Yawu
(College of Engineering, Hunan Agricultural University, Changsha 410128, China)
Abstract: The using of ultrasonic technology make the development of dishwasher more diversified. This paper has improved and redesigned the overall structure of the dishwasher, the cleaning process and control system. The structure: the cleaning tank is made ??of stainless steel. The dishwasher consists of reasonable layout of the ultrasonic system, the spray arm flush device and the plumbing system, so that the structure is more compact and reasonable, to improve the cleaning effect. Cleaning process: figuring out the distribution of ultrasonic cavitations’ intensity and selecting appropriate parameters to determine the optimal cleaning process.
Key words: ultrasonic; dishwasher; the design of overall structure ;
1 前言
1.1家用洗碗機簡介
洗碗機是用來自動清洗碗、筷、盤、碟、刀、叉等餐具的設備，在飯后清潔沾滿油污的餐具是人們日常生活中不得不面對的一大家務勞動，洗碗機的出現(xiàn)減輕了勞動強度，提高了工作效率，并增進清潔衛(wèi)生。
早在1850年，Joel Houghton就申請到了世界上第一個洗碗機專利，不過是一個手動設備；1893年世界博覽會上，蒸汽船發(fā)明人John Fitch的孫女Josephine展出了她設計的手動洗碗機，她也被稱為現(xiàn)代洗碗機之母；1920年德國米勒公司制造出世界上第一臺電動洗碗機，只不過它當時的外形并不適合家庭使用；1954年美國通用電氣公司制造出一臺電動洗碗機，這臺機器不僅洗滌性能大幅改善，而且外形更適合家庭使用；1978年德國米勒公司有制造出第一臺微電腦電動洗碗機，使洗碗機開始進入尋常人家的廚房。
現(xiàn)有的家用洗碗機種類繁多，按控制方式分為機電式控制和電子式控制；按安裝方式分為臺式、獨立式和嵌入式；按洗滌方式分為噴淋式和渦流式。雖然市場上有各式各樣的洗碗機，但這些洗碗機基本都有機殼、機門、內膽、控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)和餐具擺放架等重要部件。
機殼有金屬和塑料兩種。金屬機殼的好處是高檔，機械強度高，結構牢固，但它也具有易銹蝕，成本高等缺點；塑料機殼的優(yōu)點是制作成本低，重量輕，但它有易老化，耐熱性差等缺點[1]。
機門通常使用冷軋鋼板制成，有上開門式和前開門式兩種。通常設置有意外開門保護裝置，在兒童或其他使用者不小心在家用洗碗機工作過程中打開機門，洗碗機會馬上停止工作，以保護人身安全。
內膽是洗碗機工作的重要部件，市面上的洗碗機產品分為塑料內膽和金屬內膽兩種。金屬內膽具有耐用，耐高溫，抗老化，易清洗等優(yōu)點，缺點是易腐蝕，造價高；塑料內膽也具有上述大部分優(yōu)點，且造價低，但是一個顯著的缺點就是難清洗，易留異味。
1.2 國外發(fā)展現(xiàn)狀
第一臺家用洗碗機起源于德國，同時德國的現(xiàn)代家用洗碗機技術在整個歐洲也處于前列，擁有者BOSCH，Miele，SIEMENS等20多家洗碗機制造商，年產量高達3百萬臺，消費量也高達1.71百萬臺，擁有率高達42%。美國是目前洗碗機普及率最高的國家，早在1996年就已達54.9%，同時也是洗碗機生產大國，年產量一直保持在300萬臺以上，著名企業(yè)包括GE等。日本的起步比歐美國家晚了大約30年，并在發(fā)展過程中遭受坎坷，現(xiàn)在的普及率仍不及歐美大國，著名企業(yè)包括日立，松下，三菱，夏普等均有生產。
國外很多家庭都擁有家用洗碗機，且傳統(tǒng)的噴臂式洗碗機十分適合國外餐具的清洗，傳統(tǒng)洗碗機是通過電機驅動洗滌泵使洗滌液在一定的壓力下從噴臂噴出，形成密集的熱水流；噴臂由于受到噴水的反作用而旋轉，使洗滌液來回地噴射到各式餐具上，對餐具進行噴射沖洗和淋刷。噴射水流對碗碟表面起機械沖洗作用，洗碗機專用洗滌劑對碗碟表面油污起化學清洗作用，熱水起浸泡軟化作用。三者聯(lián)合作用，使碗碟表面油污和殘漬分解和脫落，從而達到清潔的目的,且造價低，性價比高，使國外的家用洗碗機的普及率還在不斷的增大。良好的市場促進了企業(yè)對新型洗碗機的研制和開發(fā)，且新型超聲波家用洗碗機也開始在國外流行，這種良性循環(huán)使國外的洗碗機產業(yè)煥發(fā)出蓬勃的生機。
1.3 國內發(fā)展現(xiàn)狀
我國在80年代有了第一臺洗碗機，但是發(fā)展過程卻不盡如人意。1998年，第一臺全自動柜式洗碗機在小天鵝誕生，之后，海爾，美的，澳柯瑪，格蘭仕等企業(yè)紛紛進軍洗碗機領域。但是，令人遺憾的是，這些國產企業(yè)生產的產品主要外銷，作為國產企業(yè)，卻也沒有對國內市場有足夠的重視。究其原因，大致有以下幾點：一臺普通的洗碗機動輒幾千元，多則上萬元，這對普通消費者來說，是一筆不小的開支，其次是耗電量和耗水量大。一臺洗碗機完成洗碗、消毒、烘干耗時長。且洗碗機的功率從600W到2300W不等，消費者將承受更多的電費。國內的洗碗機品牌，如海爾、小天鵝、美的等，最低價格都在2000元左右，加上專用的洗滌劑，不僅價格高，而且不環(huán)保；傳統(tǒng)的洗碗機需要很大的室內空間，在房價寸土寸金的今天，顯然是不經濟的；另外，洗碗機工作需要采用專用的洗滌劑，并對餐具的形狀有一定要求，不適合中式餐具，且中式菜肴油污較多，洗滌相對麻煩，國內洗碗機多為塑料內膽，長時間使用之后，內膽會變得有異味而且油膩難清洗，出現(xiàn)“洗碗機洗碗，人洗洗碗機”的問題。如此，都決定了傳統(tǒng)洗碗機難以在中國快速普及[2] 。
1.4 國內主流產品
以美的（Midea）舉例，目前在商城大致能見到的型號為WQP6-3207-CN，WQP8-9249A-CN，WQP12-9270-CN。三款洗碗機都針對中式餐具配套了碗籃，并配有消毒程序。
其中，WQP6-3207-CN體積小巧，外觀時尚更適合家庭使用。它的洗滌過程為：預洗：對碗具進行強力沖刷，除去殘渣;主洗：高溫高壓水柱，專用洗滌用品作用（2-4個循環(huán)，40分鐘）;漂洗：對餐具進行清潔沖刷（一個循環(huán)，14分鐘）;清洗：最后清潔（一個循環(huán)，14分鐘）;烘干：冷凝式烘干（預熱自然烘干）
WQP12-9270-CN與WQP6-3207-CN相比具有容積更大，可以同時清洗12套餐具的優(yōu)點，且因其采用360°“水槍式”噴淋系統(tǒng)，且內膽采用圓形轉角，使其洗滌效果更高效，基本無死角。
總的來說，國內洗碗機產品大體可以滿足消費者日常需要，洗滌效果基本滿意。但基本是傳統(tǒng)洗碗機，超聲波洗碗機目前僅主要商業(yè)使用，例如歐倍力，康潔仕，在家用領域幾乎處于空白。
2 超聲波清洗原理及方案設計
2.1超聲波清洗原理
2.1.1 概述
聲波是人耳能感受到的一種縱波，它的頻率在16到16000HZ范圍內。當頻率超過16000HZ超出一般人耳聽范圍，就稱為超聲波。超聲波和聲波一樣，可以在氣體，液體和固體中傳播[3]。
超聲波的主要性質有：（1）超聲波能傳遞很強的能量，超聲波的作用主要是對其傳播方向上的障礙物施加壓力（聲壓）。因此，有時可用這個壓力的大小衡量超聲波的強度，傳播的波動能量越強，則壓力也越大。（2）當超聲波經過液體介質傳播時，將以極高的頻率壓迫液體介質質點振動，在液體介質中連續(xù)地形成壓縮和稀疏區(qū)域。由于液體基本上是不可壓縮的，由此產生壓力正，負交變的液壓沖擊和空化現(xiàn)象。由于這一時間極短，液體空腔和壓力可達幾十個大氣壓 ，并且產生巨大的液壓沖擊。這交變的脈沖壓力作用在鄰近的零件表面上回使其破壞，引起固體物質分散，破碎等效應。（3）超聲波通過不同介質時，在界面上發(fā)生波速突變，產生波的反射和折射。反射能量的大小，決定于兩種介質的波阻抗（密度與波速的乘積pc稱為波阻抗），介質的波阻抗相差愈大，超聲波通過界面時的反射率愈高。（4）超聲波在一定條件下會產生波的干涉和共振現(xiàn)象。超聲加工的應用有：型孔，型腔加工；切割加工；復合加工和超聲清洗。目前所用的超聲波清洗機中，空化作用和直進流作用應用更多[4]。
2.1.2 超聲波清洗的機制：
由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，介質的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點進行觀察，這點的壓力如圖曲線A所示。以靜壓(一般一個大氣壓)為中心，產生壓力的增減，若依次增強超聲波的強度，則壓力振幅也隨著增加，像圖曲線B那樣，并產生負的壓力。
空化作用：超聲波以兩萬次/秒以上的兩種被稱為壓縮力和減壓力交互性的高頻變換方式向介質作用時，在減壓力作用時，液體中產生大量真空氣泡，在壓縮力作用時，真空氣泡被壓碎時產生強大的沖擊力，局部壓力能達到上千個大氣壓，
圖1液體內部壓力圖
Fig.1 The graphic of inner liquid pressure
由此剝離被清洗物表面的污垢，因空化現(xiàn)象產生如圖2(A)所示的氣泡。由沖擊形成的污垢層與表面之間的間隙和空隙滲透，由于這種小氣泡與聲壓同步膨脹，收縮，產生像剝皮那樣的物理力重復作用于污垢層，污垢一層層被剝開，如圖2(B)所示，小氣泡再繼續(xù)向前推進，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應[5]。
當聲波達到一定強度時，空洞會發(fā)生劇烈爆炸，產生強烈碰撞，壓力達5-50噸/平方厘米，具有很大的能量，使水分以超過10000G的加速度撞擊被清洗物體的表面，將污物撞擊下來，從而達到顯著的清洗效果，并且這種效果可隨液體到達被清洗物體的所有表面，這是手工洗刷，機械振動等常規(guī)手段所無法達到的。由于空化效應形成時會產生聲波壓力和熱效應，故可對細菌，特別是鏈狀細菌進行打擊，達到殺菌消毒的作用，從而達到精密洗滌目的[6]。
直進流作用：超聲波在液體中沿聲的傳播方向產生流動的現(xiàn)象稱為直進流，通過此直進流使被清洗物表面的污垢被攪拌，污垢表面的清洗液也產生對流，溶解污物的溶解液與新液混合，使溶解速度加快，對污物的搬運起著很大的作用。
輻射扭力：空化核在運動時發(fā)生的二階現(xiàn)象。在均勻洗滌液中作用于洗滌液本身，使洗滌液產生環(huán)流，叫做聲流，它能使振動氣泡表面產生高達90Mpa的粘滯應力。
乳化作用：在超聲空化作用下，有油污包裹住的固體粒子，在兩種液體的分界面迅速分散而乳化，固體粒子自動脫落。
空化作用廣泛應用。另外，超聲波清洗對聲反射強烈的材料，如陶瓷，金屬，玻璃等，清洗效果尤其好，再利用40攝氏度左右的水作為清洗劑，可以將空化
效應發(fā)揮到最大值。因此空化效應為本洗碗機主要應用原理[3]。
圖2 空化二次效應
Fig.2 The theory of second-order effect cavitation
2.1.3 超聲空化閥值
使清洗液達到空化作用的最小聲強或者聲壓幅值稱為空化閥值[4]?？栈yPc表示為：
（1）
其中Po為液體的靜壓力, Pv是蒸汽壓，Ro是空氣核半徑，是表面張力系數
可以看出液體含氣量越少，空化閥越高，靜壓力越大，空化閥越高，液體的沾度越大，空化閥也越高?？梢姡煌后w的空化閥不同，同一液體在溫度、壓力和含氣量等不同的情況下，空化閥值也不同[7]。
此外，由經驗公式
（2）
可以得出空化閥與沾滯系數的關系，為沾滯系數，并且聲波的頻率越高空化閥也越高。當聲波頻率超過4.8MHZ的時候，空化閥接近10Mpa。
空化閥值與超聲波的頻率有密切關系。頻率越高，閥值越高；頻率越低，越容易發(fā)生空化。在低頻情況下液體受到的壓縮和稀疏作用有更長的時間間隔，使氣泡在崩潰前能生長到較大的尺寸，增大空化強度，有利于清洗作用，但是低頻工作時易產生噪聲。為了經濟性和清洗效率考慮，正確選擇頻率十分重要。
2.2 超聲波洗碗機方案設計
將超聲波清洗技術應用于家用餐具清洗[8]。由于超聲波的空化作用，對中式餐具的油污具有強大的清潔能力，配合高壓清洗，油污殘留率僅有0%~0.5%。配合超聲發(fā)生器，在噴臂的輔助清洗下能很好的提高效率，節(jié)約水電，給洗碗機的工作方式加入了另一種可靠的方式。其應該滿足的要求有：結構合理，適合家庭使用；清洗效率高，要求達到98%以上；高效率，能在較短時間內洗干凈人們一餐所使用的餐具；低能耗，在物價上漲，資源匱乏的今天，低能耗會使產品有更好的市場。
其清洗系統(tǒng)的洗滌循環(huán)過程:程序控制接通電磁閥后，加壓的清潔水（0.03~0.6Mpa）由過濾芯流入，進入軟水處理裝置后除去水中的鎂和鋁，此時單向定量泵工作，水從噴臂的噴嘴中噴出。由于水流的反力矩作用，使噴臂繞著中心軸旋轉，對餐具進行全方位無死角沖洗，初步沖去油污。接著，程序控制使單向定量泵停止工作，排水泵啟動，將污水排出。接著，單向定量泵再次啟動，當水沒過餐具后關閉。超聲波換能器工作，利用超聲波空化作用使殘余油污和餐具徹底剝離。在設定的清洗時間后，超聲波換能器停止工作。排水泵再次工作，排出污水。洗滌水排盡后，單向定量泵工作，噴臂再次工作，徹底將餐具上的油污清除。規(guī)定時間后停止，由排水泵將污水排除。
這種方案可以很好地對餐具進行清洗，利用高壓水流沖洗和空化作用，使油污殘留量達到最低。水和超聲波的有機結合，既能節(jié)約水電，減少洗滌劑的排放，保護環(huán)境，同時又能減少噪音，降低能耗，不失為家用超聲波洗碗機的一種不錯的候選方案。
圖3清洗方案系統(tǒng)圖
Fig.3 The system of cleaning scheme
3超聲波清洗參數
3.1 聲強
在超聲清洗中，聲場強度和聲場均勻度都是判斷清洗效果的重要指標[9]。聲強太弱不能有效將污物洗去，太強又會對清洗件表面造成損壞，甚至在輻射面形成聲障，使聲能不能完全輻射到整個空間，影響清洗效果。在有限的清洗空間內，超聲波易在聲源，液面和空氣交界處來回反射，形成駐波，使波節(jié)處聲壓過小，無法發(fā)生空化，造成清洗盲區(qū)。聲強一般選在，對于一些金屬表面氧化膜難于清洗的污垢，則應采用較高的聲強。
3.2 頻率
當工作頻率很低（在人的聽覺范圍內）就會產生噪音。當頻率低于20kHz時，工
作噪音將變得很大，而且超出人耳安全所可承受的值，易引起對人的傷害，而且過低的頻率不能產生空化作用。高頻率的超聲波，空化作用閥值越高，適于工業(yè)上清洗較小，較精密的零件；低頻率的超聲波，空化作用閥值較低，且液體受到的壓縮和稀疏作用時間間隔較長，使空化氣泡在破裂前有較長的長大時間，使其長到較大的體積，從而在破裂后釋放更強的能量，產生更好的清潔效果。通常選擇20Khz-40Khz，通常，在清洗表面光潔度不高，清洗槽大小在500x500x500mm的情況下，選擇28Khz。
3.3 清洗液
在家用超聲波洗碗機工作時，清洗液的粘度越大，空化閥值越大，空化作用越難發(fā)生。表面張力越大，空化的強度越大，清洗效果越好。所以，選擇的清洗液最好有粘度小。表面張力大的特點，由于水的污染小，粘度小，表面張力大，且安全衛(wèi)生，適合用于餐具，綜合考慮后，選取通常家庭里極易取得的自來水為清洗液。
4超聲場相對空化強度
4.1 空化強度測量方法原理
對超聲清洗設備而言，最重要的性能指標就是超聲場的空化強度。現(xiàn)在，我們尚無一種可靠的方法測量絕對空化強度，但是，可以通過鋁箔腐蝕法，染色法，聲致自由基和實時譜分析法，統(tǒng)計平均法等方法測量相對空化強度。在這里，我們選用較為簡便快捷的鋁箔腐蝕分析法來測量相對空化強度[7]，并分析洗滌對超聲波的要求。
鋁箔腐蝕法是利用超聲空化效應對鋁箔的腐蝕和沖擊作用使其產生小孔的方法。具體操作方法：取表面光滑平整，厚度僅有幾十微米的鋁箔，將其固定在架上，并浸入清洗液中，開機一段時間拿出，觀察被腐蝕情況。值得注意的是，試驗時間不宜過長，否則鋁箔會一塊塊腐蝕脫落。這種方法十分直觀地展示了空化作用在不同條件下的強度。
4.2 空化強度測量
本文研究的新型家用超聲波洗碗機主要面向中國的普通家庭，根據實際情況，每家大概有3-5口人，選擇420×400×400（長×寬×高）的清洗槽。根據鋁箔腐蝕法，在容積為420×400×400的清洗槽內測量空化分布情況。清洗液為軟化后的自來水，聲波頻率為28KHz，室溫25°C的環(huán)境中，液面離槽頂大約70mm掃頻范圍設置為15KHz-30KHz，功率設置為300W，超聲工作時間3 min。
圖4清洗方案系統(tǒng)圖
Fig.4 The system of cleaning scheme
4.2.1實驗結果處理
根據實際情況，在此采用：單面超聲作用（B面）、單面超聲掃頻作用（B面）、雙面超聲作用（B和D）、雙面超聲掃頻作用（B和D）四種方式進行實驗。為了更直觀的觀察洗滌槽內空化強度的分布，便于建立可靠的實驗數據，便于下一步的設計計算，在此把腐蝕面積與鋁箔面積的百分比規(guī)定為相對強度值。處理方法：以6cm為邊長，把鋁箔均分為若干區(qū)域。把每一次實驗后的每一塊鋁箔紙照相，然后操作平面圖像處理軟件，使腐蝕部分顏色為黑，沒有被腐蝕的部分顏色為白，最后通過直方圖功能，計算出每一塊的腐蝕面積與每一塊鋁箔面積的百分比。把寬為300mm長為420mm的鋁箔用木框固定后再固定在水中，鋁箔平行于A面，鋁箔長的一條邊在洗滌槽底面上。
4.2.2實驗結論
根據試驗數據可知，超聲波空化強度從靠近聲源處開始逐步增強，當離聲源一定距離，大致為中心位置時，空化強度開始下降。其原因是過多的空化氣泡會形成聲波屏障，影響聲波的傳遞，所以在遠的地方，空化強度減弱。
無掃頻作用的清洗效果差。因為在清洗槽的有限空間內，超聲波在交界面或者洗滌槽壁的時候反射形成駐波，造成某些地方聲壓小某些地方聲壓大，從而使清洗不均。通過將清洗槽形狀不規(guī)則化或掃頻可以讓聲壓最小點來回移動，不固定在一個地方從而帶動清洗液來回流動，提高清潔效率。
同種實驗條件下，雙面作用強度比單面作用低。因為雙面的時候超聲波會發(fā)生干涉，影響清洗效果。
表1 平行A面的相對空化強度
Table 1 Relative cavitation intensity of surface A
表2 平行C面的相對空化強度
Table 1 Relative cavitation intensity of surface C
單面掃頻的清洗效果最好。
5超聲波重要參數確定
5.1 溫度，清洗時間，超聲功率
溫度，清洗時間，超聲功率為家用超聲波洗碗機的重要參數，需要設置實驗來找出最佳參數組合[6]。
實驗對象：三只碗，三把勺，兩個碟子，三個玻璃杯，三雙筷子，所有實驗對象均被涂抹上食物油污。
評判指標：經清洗后，表面無油污，手摸不油膩。
溫度：A1為35℃、A2為45℃、A3為55℃。
清洗時間：B1為6min、B2為9min、B3為12min。
超聲功率：C1為400w、C2為300w、C3為200w。
實驗方法：采用多因素正交實驗，需用正交表，將各因素綜合，設置9個實驗組，見表3
表中參數因素主次：A-C-B
其中表中Gf與A/B/C正交的數值為該列中所有包含Af/Bf/Cf的和, f取1，2，3，
表3 多因素正交試驗結果表
Table 3 The result of multi-factor orthogonal experiment
參數試驗號
A（℃）B（min）C（w）
結果
1
1 1 1
10
2
1 2 2
10
3
1 3 3
10
4
2 1 2
11
5
2 2 3
12
6
2 3 1
10
7
3 1 3
9
8
3 2 2
9
9
3 3 1
12
G1
30 30 32
G2
33 31 30
G3
30 32 31
K1
10 10 10.67
K2
11 10.33 10
K3
10 10.67 10.33
R
1.0 0.67 0.67
Kf與A/B/C正交的數值為Gf/該列中f號碼重復的次數, f取1，2，3
由實驗結果可得知最佳組合為A2-B3-C1，即使用45℃，清洗時間為12min，功率為400w，并設置另一檔位A2-B2-C3為經濟檔，供餐具較少時使用。
5.2 餐具的合理擺放
超聲波屬于短波，易被障礙物阻擋并造成衰減，故餐具的擺放方法就顯得尤為重要，根據上面確定的三項參數，進行擺放位置最優(yōu)化實驗，得結果如表4，所以餐具朝向B面最佳[10]。
5.3 總結
經上述對超聲空化強度及對基本參數設計計算，該家用超聲波洗碗機的基本參數
被確定為工作溫度為45℃，清洗時間為12min，功率為500w，頻率為28Khz，超聲單
面（B）放射，采用掃頻，餐具朝向B面。
主要流程為進水—噴臂清洗1min—進水—加熱至工作水溫—超聲清洗12min—噴
表4 餐具洗滌結果
Table 1 The result of dishwasing
餐具朝向
合格率
A
0.77
B
0.94
C
0.73
D
0.75
臂清洗1min。
6洗碗機整體結構設計
6.1 整體方案
在設計中需要重點考慮幾方面的問題，首先是清洗槽及管路的密封問題，再有就是超聲波振子的、電磁閥、加熱器等元器件的選型。
家用超聲波洗碗機主要有進排水系統(tǒng)、噴臂系統(tǒng)、超聲清洗系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)組成。
進排水系統(tǒng)：電磁閥，水位感應開關，過濾芯，泵等組成。
噴臂系統(tǒng)：噴臂，壓力泵等組成。
加熱系統(tǒng)：水槽加熱管等。
超聲清洗系統(tǒng)：超聲波發(fā)生器，超聲波換能器等組成。
其他：清洗槽，外殼，碗籃，底座等。
6.2 外殼和碗籃
該家用超聲波洗碗機外形為一邊長大致為540x500x540mm的矩形，外殼材料采用不銹鋼和有機材料有機結合。金屬部分采用流行的不銹鋼拉絲工藝，經丙烯特殊處理，不易留指紋，清潔高貴?？刂泼姘宀捎肞ET絲印貼膜，可掩蓋模具加工留下的瑕疵，整合好，價錢低，封閉好，易清潔[11]。
柜門采用前開門，鋼化玻璃透明柜門，便于使用者觀察內部清潔情況。外殼采用新型的UV固化涂料，通過先進的光固化噴涂工藝，在產品外觀表面形成裝飾涂層，其涂膜硬度高，耐磨性好，手感細膩，可具有金屬或其他材質效果[7]；另外，采用特殊鍍層工藝技術，可使普通的塑料面鍍成閃亮的金屬質感[12]。
碗籃,見下圖，采用不銹鋼制成，表面噴涂高強度無毒疏水涂層，使清潔后的殘余
水滴能迅速蒸發(fā)，減少對碗籃的腐蝕，同時還能節(jié)省電能，可以裝下一家人正常一餐的餐具量，筷子，調羹等細小餐具可以用筷子筒等裝好后放置洗滌。碗籃可取出，在裝好碗筷后將其直接放入清洗槽中即可，使用者做的只是放入和取出餐具。
圖5 碗籃三維圖
Fig.5 The graphic model of basket
6.3 清洗槽
清洗槽尺寸為360x400x360（mm）。材質均采用防水，安全，耐酸堿的201不銹鋼板，并沖壓而成，選擇材料為1Cr17Ni7。為保證在超聲作用下，清洗槽內壁發(fā)生損耗的條件下，能長期使機器保持穩(wěn)定的清洗參數，故采用3mm厚度的不銹鋼板[12]。清洗槽底部與殼體有一定距離，用于安裝洗碗機電源等其他部件。清洗完成的殘余手工清理。
6.4 進排水系統(tǒng)
進排水系統(tǒng)主要由電磁閥，軟水裝置，過濾芯，水位感應系統(tǒng),進水管等等組成[8]。打開二位二通閥后，自來水流入清洗槽，在達到一定水位后，水位感應開關啟動，清洗完畢后，廢水經過濾芯，排水口排出。進水管材料選PVC管。
6.4.1 水位感應系統(tǒng)
在液面控制方面，選擇采用連桿式浮球液位開關，見圖7。這種開關的工作原理是將密封的非磁性金屬或工程塑膠管內根據需要設置一點或多點磁簧開關，再將帶有內置磁性系統(tǒng)的浮球固定在本體管內磁簧開關相關位置上，使浮球在一定范圍內上下浮動，利用浮球內的磁性系統(tǒng)透過本體管去觸發(fā)磁簧開關的閉合或斷開，以產生開關動作，達到控制液位的目的。開關采用干簧管，這是一種磁敏的特殊開關，簧片觸點被封閉在一個充滿惰性氣體的或真空的玻璃管內，簧片端部重疊，并留有一定間隙，保持常開狀態(tài),磁簧端面觸點鍍有一層貴金屬銠或釕，使開關性能穩(wěn)定并延長使用壽命。
當水位上升或下降時，磁性浮力小球隨水平面高低上下浮動。當水位到達最高水
位時，位于高水位開關的干簧管閉合，超聲清洗開始。當水位下降到低水位開關時，低水位開關干簧管閉合，噴臂清洗流程開始。
圖6 干簧管
Fig.6 The reed pipe
6.5 加熱系統(tǒng)
在清洗槽底部均勻布置加熱器，在自來水進入清洗槽后，控制面板控制加熱器啟動，并在達到預設溫度后停止。
加熱器采用陶瓷加熱器。這種產品具有防腐蝕，升溫快，效率高，清潔衛(wèi)生的優(yōu)點。主要結構是耐熱的陶瓷外殼加上內部的電阻絲。
圖7 水位感應器結構圖
Fig.7 The diagram of waterlevel inductor
6.6 門開關電路
為了保障該洗碗機在工作時人的安全[13]，以及考慮到現(xiàn)今家庭通常都有一個或多個小孩，所以洗碗機的開門保護電路十分重要，其原理類似于洗衣機的門開關電路，即將門開關作為主電路的保護開關，將其串聯(lián)在主電路中，在洗滌過程中，如果柜門被打開，則主電路及時切斷。
6.7 噴臂系統(tǒng)
噴臂系統(tǒng)采用PP導管，即聚丙烯。PP的優(yōu)點是穩(wěn)定，安全，不易被酸堿腐蝕，耐熱性好。管件連接處用PVC膠進行密封，PVC即聚氯乙烯，具有造價低，可回收，強度高，性能穩(wěn)定，安全衛(wèi)生等優(yōu)點。根據設計要求，選用二位二通電磁閥作為洗碗機的進水及排水控制系統(tǒng)。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設備，是用來控制流體的自動化基礎元件，屬于執(zhí)行器，并不限于液壓、氣動。用在工業(yè)控制系統(tǒng)中調整介質的方向、流量、速度和其他的參數。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預期的控制，而控制的精度和靈活性都能夠保證。電磁閥有很多種，不同的電磁閥在控制系統(tǒng)的不同位置發(fā)揮作用，最常用的是單向閥、安全閥、方向控制閥、速度調節(jié)閥等。
因為在超聲波洗碗機中，電磁閥的工作環(huán)境普通，不存在惡劣的環(huán)境條件，所做工作僅是控制水的接通與切斷，所以我們選擇上海承信自動閥門有限公司的2W-200-20型號。
在超聲清洗之前，必須先用高壓水將餐具表面較大的污物洗去；在超聲清洗之后，可以起到徹底清潔的作用。水從噴臂孔里高速噴出，因為反力矩的作用，推動噴臂旋轉。噴臂管和進水管采用間隙配合，采用擋水環(huán)進行保護，上方用螺母限制噴臂向上的自由度。噴臂管上有凸臺，防止噴臂下滑，上蓋板和進水管之間用螺栓連接。
圖 8 噴臂結構圖
Fig.8 The structure of boom
6.8 超聲清洗系統(tǒng)
家用超聲波洗碗機最重要的就是超聲清洗系統(tǒng)[10]。超聲清洗系統(tǒng)的好壞，直接決定這整臺設備的性能。超聲清洗系統(tǒng)又分為超聲波發(fā)生器和超聲波換能器。超聲波發(fā)生器原理是由信號發(fā)生器將市電轉化為一個特定頻率的信號，這個頻率就是超聲波換能器的頻率。超聲波換能器是一種將電能轉化為聲能的儀器，它的諧振頻率與發(fā)生器產生的頻率相同時，就會發(fā)生共振，從而產生聲波。
6.8.1 超聲波發(fā)生器
為了使超聲波發(fā)生器發(fā)揮最大效能，需注意以下幾個問題[14]：（1）頻率自動跟蹤問題：因為換能器的諧振頻率會隨著工作過程發(fā)生變化，所以發(fā)生器的輸出電信號的頻率必須具有跟隨其變化而變化的特點，這就要求發(fā)生器具有頻率自動跟蹤功能。（2）配備末級放大器，將微小的信號轉化為大功率的信號。（3）功率合成器：單個放大器不足以滿足需要時，利用功率合成器將單一的放大信號相加，獲得遠遠大于單個的功率輸出。（4）功率放大器的保護：由于受電源電壓、外界干擾脈沖及換能器負載、回路參數等影響，末級功率放大器電路往往會失效。針對不同的故障原因，末級功放保護措施有:過壓保護，過流保護，負載開路，短路保護，雙管導通保護，激勵信號源的誤觸發(fā)保護等。（5）與換能器匹配：一是通過匹配使超聲發(fā)生器向換能器輸出額定的電功率，這是由于發(fā)生器需要一個最佳的負載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負載，也就是阻抗變換作用;二是通過匹配使發(fā)生器功率效率最高，這是由于換能器靜電抗的原因，造成工作頻率上的輸出電壓和電流有一定的相位差，從而使輸出功率得不到期望的最大輸出，使發(fā)生器的輸出效率降低。因此在發(fā)生器輸出端并上或串上一個相反的抗，使發(fā)生器負載為純電阻，也就是諧調作用[4]。所以匹配的好壞直接影響到功率超聲源的產生和效率[15]。
超聲波發(fā)生器應滿足的功能要求為：（1）頻率調節(jié)功能：在不同工作狀況下，可以根據換能器的實際情況，調節(jié)輸出頻率，使換能器始終保持最佳工作狀態(tài)，提高效率。（2）額定功率：根據清洗槽大小，設定為800w。（3）掃頻：在清洗槽的有限空間內，超聲波在交界面或者洗滌槽壁的時候反射形成駐波，造成某些地方聲壓小某些地方聲壓大，從而使清洗不均。掃頻就是將超聲頻率在合理范圍內來回掃動，使清洗液來回流動，大大提高清洗效率。（4）保險功能：在輸出過載或者超聲波換能器發(fā)生異常時，立即斷開電源，保護發(fā)生器。（5）分控功能：可分別控制不同的換能器。
綜上，選擇深圳好時代科技有限公司的HSD-A型，具有頻率0-100%可調等優(yōu)點。
6.8.2 超聲波換能器
超聲波換能器是一種將機械能，高頻電能轉化為聲能的裝置。超聲發(fā)生器產生的的高頻電信號引起換能器內換能材料中電磁場的變化，對換能器的機械振動部分產生一個推動力，使之進入振動狀態(tài)，接著導致與機械振動系統(tǒng)相連的介質振動，向介質中輻射聲波。換能器一般分成兩個部分，第一部分是換能器材料部分，第二部分是機械振動放大部分，又叫變幅桿。變幅桿的作用是將比較小的機械振動幅度轉化為較大的振幅，提高振速比，減少換能器的諧振阻抗，有效地提高效率，降低發(fā)熱量，延長換能器壽命，可固定整個機械系統(tǒng)從而盡可能的減少機械能量的損失，能使換能器和工作媒質之間獲得熱學和化學上的隔絕。
換能器有電動式、電磁式、磁致伸縮式、電容式、壓電式等，其中，壓電式因其轉換效率高，功率容量大以及結構形狀等可以根據實際要求自行設計等優(yōu)點而廣泛使用。這里，選用北京晴暉世創(chuàng)科技發(fā)展中心的QHQ-4GL-5028型，諧振頻率為28±0.5，絕緣阻抗為1000MΩ，功率為100w。清洗槽底面面積為360*400（mm）=144000mm2=1440cm2,超聲波振子功率為100w*4=400w；則功率密度應為400/1440=0.28W/ cm2
由于此次設計的超聲波洗碗機是小功率洗碗機，且振動系數小，所以采用兩組分高強度膠粘劑將其安裝在清洗槽B面,個數為4，要求固定平穩(wěn)，并有一定強度。
6.9 總結
至此，家用超聲波洗碗機的整體結構包括進排水系統(tǒng)、噴臂系統(tǒng)、超聲清洗系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)等全部設計完成，該家用超聲波洗碗機具有體積小，安靜，環(huán)保，效率高，能滿足普通一家人的餐后洗碗需求，美中不足的是可選擇的洗滌模式較少。
7 結論
本文的研究課題是家用超聲波洗碗機的整體結構設計。在我國全面實現(xiàn)小康社會的今天，人民生活水平得到了很大的提高，傳統(tǒng)的餐后人工洗碗的方式已漸漸被更加便捷，省時，衛(wèi)生的家用洗碗機替代，但是，傳統(tǒng)意思上的家用洗碗機發(fā)源于國外，它的設計依據來自西方餐具，對西式的盆，碟等餐具具有很好的清潔效果，我國在引進后，雖然大大解放了人們的雙手，但是其真實工作效果卻遠沒有達到人們預期的那樣好。主要原因是中國餐具多碗，且碗較深，中式菜肴油膩重，不利于洗碗機工作。
我國人口基數大，家用洗碗機有很廣闊的市場空間，只要將其改進的適宜中國特色，便能為我國家電市場帶來新氣象。超聲波家用洗碗機的出現(xiàn)，為解決這個問題提供了良方。但是，令人遺憾的是，因為我們熟知的超聲波清洗應用主要廣泛應用在工業(yè)上，為工業(yè)加工過程中清洗各種零部件，其在家電行業(yè)尚屬一個新興事物，有關國內企業(yè)對國內市場投入不足。加上人們對超聲波清洗這項技術比較陌生，以著名企業(yè)美的，海爾為例，其生產的家用洗碗機主要面向歐美市場。
本設計具有的優(yōu)點：
（1）該款家用超聲波洗碗機，體積小巧，使用者可以將其擺在臺面上，同時它的大小又十分適合將其放置在壁柜中使用，同時具有兒童安全鎖，在工作過程中，如遇意外開啟柜門的情況，可以迅速切斷電源，保護使用者和兒童的安全。
（2）與傳統(tǒng)洗碗機相比，噴臂位置由上部改為底部，能對餐具進行更全方位的清洗，避免了因中國餐具形狀問題導致的清洗死角，提高了預沖洗和最后沖洗程序的質量。
（3）選材外觀時尚新穎，符合當代家庭的審美取向，并能和家庭裝修風格很好結合。內部結構選材合理，既保證了食品安全，又兼顧了耐用性。
本設計的不足：
（1）清洗檔位選擇較少，不能滿足可能的多種需求。對于一臺經濟而實用的智能洗碗機，除具有標準洗滌程序外，還要具備可以根據用戶的不同要求設置不同的洗滌方式。
（2）清洗殘余的食物垃圾必須手動清理，不能完全自動化完成。
（3）餐具清洗完畢后，沒有烘干消毒等功能，使用者必須另外購置消毒碗柜等其他家用電器，無形中增加了成本花費。
如果沒有消費者的高度認同和接受，家用洗碗機事業(yè)很難發(fā)展，消費者期待更便宜的價格，更節(jié)約的清洗方式，更人性化的操作方式，更符合，更具有中國特色的家用洗碗機產品，家用超聲波洗碗機的出現(xiàn)，無疑為洗碗機市場的發(fā)展探索提供了另一種具有前途的方式。
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致 謝
本設計是在莫亞武老師的悉心指導和熱情關懷下完成的，莫亞武老師在我的畢業(yè)設計寫作過程中，嚴格要求，精心指導，對我不清楚的問題進行了認真的解答，并為我指出更正了設計中的不當之處，使我在整個過程中少走了很多彎路，在這里，對莫亞武老師表示特別感謝。另外，在畢業(yè)設計寫作過程中，各位同學也給予了我很大的幫助，使我感受到了合作和信息共享的重要性。還要感謝的是家用電器商城的工作人員，銷售人員們，他們對我的熱情介紹，使我充分地了解了市面上的傳統(tǒng)洗碗機的優(yōu)劣之處，對我的畢業(yè)設計的完成有很大的幫助，其余未提到的對我有幫助的人員，在此一并感謝。
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