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湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化机电 (3)班 指导教师姓名 莫亚武 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 毕业论文（设计）工作进度 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 (3)班 指导教师及职称 莫亚武 副教授 学 院 工学院 2012 年 12月 3 日 填 写 说 明 一、毕业论文（设计）任务书是学校根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教学文件，是学生在指导教师指导下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。 二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。 三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。 四、任务书一经下达，不得随意更改。 五、各栏填写基本要求。 （一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式： 请在合适的对应选项前的“”内打“”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青年基金”等。 （二）主要内容和要求： 1工程设计类选题 明确设计具体任务，设计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。 2实验研究类选题 明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。 3文法经管类论文 明确选题的任务、方向 、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。 （三）主要中文参考资料与外文资料： 在确定了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近 1 3 年参考资料和文献。外文资料是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。 （四）毕业论文（设计）的进度安排： 1设计类、实验研究类课题 实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的 20%； 主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、实验及结果分析等约占总时间的 50%；撰写初稿、修改、定稿约占总时间的 30%。 2文法经管类论文 实习、调研、资料收集、归档整理、形成提纲约占总时间的 60%；撰写论文初稿，修改、定稿约占总时间的 40%。 六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任人亲笔签名。 毕业论文 （设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 选题来源 结 合 科 研 课 题 课题名称： 生产实际或社会实际 其他 选题性质 基础研究 应用研究 其他 题目完成形式 毕业论文 毕业设计 提交作品，并撰写论文 主要内容和要求 以超声波清洗原理为理论基础，通过对现有洗碗机不同洗涤方式的比较，结合超声清洗的特点和餐具洗涤的要求，对超声波洗碗机的整体结构进行设计。洗碗机的整体结构设计应包括清洗槽、超声系统、进水和排水系统、加热系统、水位控制系统、碗架和外壳的结构设计。要求其结构紧凑，便于控制。 主要内容： 1. 了解超声波理论及其发展，加深对超声波清洗的认识与了解。 2. 超声波振子与清洗效果的关系研究与结构设计 3. 对超声波洗碗机的结构进行设计 4. 对超声波发生器进行设计 基本要求： 1认真收集有关资料，熟悉有关 专用机械的设计方法 ，正确使用各类工具书；掌握有关工程设计的程序、方法和技术规范；锻炼分析与解决工程实际问题的能力。 2在设计中应树立正确的设计思想，培养严肃认真的科学态度，严谨求实的工作作风。 3学生应按时完成所规定的内容和工作量，撰写设计计算说明书，并正确绘制有关 工程图 ； 4毕业设计说明书应包括与设计题目相关的阐述说 明及计算，内容完整，文字流畅，符合毕业论文规范。 5 设计 装配图，部件图，零件图。 6总图纸工作量不少于 3 张 幅，说明书不少于 12000 字。 注：此表如不够填写，可另加附页。 主要中文参考资料与外文资料 1施静发小型家用洗碗机大有可为 J天津轻工， 1989， 7（ 5）： 19 2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 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 4庄开达家用洗碗机的外观与工业设计 J 家电科技， 2002， 10（ 4）： 41 5李玉平、周里群超声波洗碗技术 J 家电科技， 2004， 12（ 5）： 155 6任建新物理清洗 M北京：化学工业出版社， 2000： 322 7刘晋春、赵家齐、赵万声特种加工 M 北京：机械工业出版社： 2001 8徐苏声、陈晏如家用电动器具原理及设计 M 北京：中国轻工业出版社： 1997 9成大先机械设计手册 M北京：化学工业出版社， 2003： 212 10赵凯华，陈熙谋电磁学 M北京：人民教育出版社， 1978, 334. 工作进度安排 起止日期 主要工作内容 熟悉题目要求，查阅文献，收集资料，完成开题报告 设计方案拟订，完成文献综述 设计计算，草图绘制，撰写初稿，进行中期检查 绘制装配图及零件图，撰写设计说明书 提交正稿给指导老师评阅，参加学院预审 根据评阅人意见进行修改，准备答辩 根据答辩组意见修改，给指导老师复审定稿，按规范要求装订 提交毕业设计所有材料 要 求 完 成 日 期 ： 20 年 月 日 指 导 教 师 签名： 审 查 日 期 ： 20 年 月 日 专 业 委 员 会 主 任 签名： 批准日期： 20 年 月 日 学院指导委员会签名（公章）： 接 受 任 务 日 期 ： 20 年 月 日 学 生 本 人 签名： 注：签名栏必须由相应责任人亲笔签名。此表可从教务处网站下载中心下载。 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 09 机械设计制造及其自动化 机电（ 3）班 指导教师及职称 莫亚武 副教授 学 院 工学院 20 年 月 日 毕业论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000 字） 洗碗是一个家庭每天必须做的家务，尤其在中国，人们喜欢饭后马上洗碗，这无疑给家庭带来了较大的负担。因而被称为继洗衣机之后“对人手第二次解放”的洗碗机作为具有“餐后革命”迈向健康新生活的美誉的新一代时尚家电能够使人们从繁琐的家务劳动中解脱出来。然而，随着人们使用普通洗碗机以来，发现在普通洗碗机存在着许多不足人意的地方：价格高、洗碗时间长、工作噪音较大、结构复杂、一般需用专用洗涤剂、排放的残余洗涤剂影响环境、长久使用需清洁内胆等等，在新世纪科技水平不断提高，人们节约、环保意识的增强，存在着诸多不足的普通洗碗机很难得到更多的支持与接受，因此，超声波应用技术不断成熟与进步的今天，超声波洗 碗机也就应命而生了。 1. 文献检索关键词：洗碗机（ 厨房机械 家用电器 2. 施静发小型家用洗碗机大有可为 J天津轻工， 1989， 7（ 5）： 19 3. 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 代超声原理与应用 M 南京：南京大学出版社， 1996： 55 用洗碗机的外观与工业设计 J 家电科技， 2002， 10（ 4）： 41 里群 超声波洗碗技术 J 家电科技， 2004， 12（ 5）： 155 理清洗 M北京：化学工业出版社， 2000： 322 家齐、赵万声特种加工 M 北京：机械工业出版社： 2001 晏如家用电动器具原理及设计 M 北京：中国轻工业出版社： 1997 械设计手册 M北京：化学工业出版社， 2003： 212 熙谋电磁学 M北京：人民教育出版社， 1978, 334. 注：此表如不够填写，可另 加页。 研究方案 （ 研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 研究目的：进入 90 年代，科学技术的巨大变革也促使超声波清洗技术快速发展，其性能和应用领域获得前所未有的突破：大型的、连续化的超声波清洗设备改变了传统的小型设备形象；化学合成技术极大的丰富了传统的超声波清洗工艺软件；新的应用领域不断扩展；超声波带来更多有利于环境保护的清洗手段，超声波清洗技术需要重新被人们认识。超声波清洗技术有着新的理念，符合当今人文发展的社会发展大主题，顺应着人民对生活方式的追求，当科技和生活水平的不断提高，超声波洗碗机有着她广阔的发展舞台，倍受广大消费者的喜爱。必将促进我国超声波技术的进一步发展与完善，提高我国人民饮食质量。超声波洗碗机，采用超声技术的洗涤方式，不用添加任何洗涤剂达到清洗目的，这样既经济又环保。同时也会对洗碗机更为普及的进入中国市场起到很大的促进作用。 内容： 以超声波清洗原理为理论基础，通过对现有洗碗机不同洗涤方式的比较，结合超声清洗的特点和餐具洗涤的要求，对超声波洗碗机的整体结构进行设计。洗碗机的整体结构设计应包括清洗槽、超声系统、进水和排水系统、加热系统、水位控制系统、碗架和外壳的结构设计。要求其结构紧凑，便于控制。 方法：首先在熟悉课本上专业知识，了解基本原理，独立思考、继承甚至创新 ,后 全面、系统考虑设计部件地强度、刚度、工艺性、经济性和维护等要求 着问题去生产现场调研，形成一个大概轮廓；确定基本方案，大体定出基本尺寸，再通过计算确定具体尺寸（精度）；使用标准和规范的尺寸进行标注，达到准确、美观要求。完善设计方案，完成设计。 预计成果：对超声波洗碗机的结构有透彻的了解，及对各种技术参数的计算方法有一定的掌握，能够了解各种洗碗机的结构与优缺点，对机械行业会有更深层次研究的欲望。 条件保障：市场上有各种洗碗机的成品，有专业书籍参考资料，及老师的悉心指导。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 悉题目要求，查阅文献，收集资料，完成开题报告 计方案拟订，完成文献综述 计计算，草图绘制，撰写初稿，进行中期检查 制装配图及零件图，撰写设计说明书 交正稿给指导老师评阅，参加学院预审 据评阅人意见进行修改，准备答辩 据答辩组意见修改，给指导老师复审，按规范要求装订 交毕业设计所有材料 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会 主任签名： 20 年 月 日 注： 可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人： 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 莫亚武 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 论证小组质疑： （ 1）超声波洗碗机原理？ （ 2）与传统相比，有何优秀之处？ （ 3）清洗效果如何？ 学生回答简要记录： （ 1）当超声波通过液体介质时，将以极高频率压迫液体介质振动，使分子产生正负交变的冲击波；当声强达到一定数值时，液体中空话气泡急剧生长，并瞬间强烈闭合，产生微爆炸和冲击波使污物脱离。 （ 2）省水省电，噪音小，由于采用超声波产生的水分子振动来工作，不需传统的机械结构，维护少了很多麻烦。不需采用传统的洗涤剂，而是采用洗涤剂起辅助作用。 （ 3）利用水分子振动原理来清洗，决定了清洗不存在死角，清洗效果很好。 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计 是本人在指导老师的指导下，进行研究工作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要 1 1 前 言 1 用洗碗机简介 1 外发展现状 2 内发展现状 3 内主流产品 3 2 超声波清洗原理及方案 4 声波清洗原理 4 述 4 声波清洗的机制 4 声空化阀值 6 声波洗碗机方案设计 6 3 超声波清洗参数 7 强 7 率 8 洗液 8 4 超声场相对空化强度 8 化强度测量方法原理 8 化强度测量 8 验结果处理 9 验结论 9 5 超声波重要参数确定 10 度，清洁时间，超声功率 10 具合理摆放 11 结 11 6 洗碗机整体结构设计 12 体方案 12 壳和碗篮 12 洗槽 13 排水系统 13 位感应系统 13 热系统 14 开关电路 14 臂系统 14 声清洗系统 15 声波 发生器 15 声波换能器 16 结 17 7 结论 17 参考文献 18 致谢 19 1 家用超声波洗碗机整体结构设计 学 生：卢宇翔 指导老师：莫亚武 (湖南农业大学 工学院，长沙 410128) 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； of 10128, of of of is of of of so is to of to of 1 前言 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 2 强度，提高了工作效率，并增进清洁卫生。 早在 1850 年， 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 孙女 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。 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 20 多家洗碗机制造商，年产量高达 3 百万台，消费量也高达 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 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 。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 3 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。 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 600300W 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 。 内主流产品 以美的（ 例，目前在商城大致能见到的型号为 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， 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（ 240 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） 比具有容积更大，可以同时清洗 12 套餐具 4 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 声波清洗原理 述 声波是人耳能感受到的一种纵波，它的频率在 16 到 16000围内。当频率超过 16000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 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。 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， 5 图 1 液体内部压力图 he of 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 /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 90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。 6 图 2 空化二次效应 he of 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 示为： （ 1） 其中 液体的静压力 , 蒸汽压， 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 时候，空化阀接近 10 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。 声波洗碗机方案设计 将超声波清洗技术应用于家用餐具清洗 8。由于超声波的空化作用，对中式餐具的油污具有强大的清洁能力，配合高压清洗，油污残留率仅有 0%配合超声发生器，在喷臂的辅助清洗下能很好的提高效率，节约水电，给洗碗机的工作方式加入了 7 另一种可靠的方式。其应该满足的要求有：结构合理，适合家庭使用；清洗效率高，要求达到 98%以上；高效率，能在较短时间内洗干净人们一餐所使用的餐具；低能耗，在物价上涨，资源匮乏的今天，低能耗会使产品有更好的市场。 其清洗系统的洗涤循环过程 :程序控制接通电磁阀后，加压的清洁水（ 过滤芯流入，进入软水处理装置后除去水中的镁和铝，此时单向定量泵工作，水从喷臂的喷嘴中喷出。由于水流的反力矩作用，使喷臂绕着中心 轴旋转，对餐具进行全方位无死角冲洗，初步冲去油污。接着，程序控制使单向定量泵停止工作，排水泵启动，将污水排出。接着，单向定量泵再次启动，当水没过餐具后关闭。超声波换能器工作，利用超声波空化作用使残余油污和餐具彻底剥离。在设定的清洗时间后，超声波换能器停止工作。排水泵再次工作，排出污水。洗涤水排尽后，单向定量泵工作，喷臂再次工作，彻底将餐具上的油污清除。规定时间后停止，由排水泵将污水排除。 这种方案可以很好地对餐具进行清洗，利用高压水流冲洗和空化作用，使油污残留量达到最低。水和超声波的有机结合，既能节约水电， 减少洗涤剂的排放，保护环境，同时又能减少噪音，降低能耗，不失为家用超声波洗碗机的一种不错的候选方案。 图 3 清洗方案系统图 he of 超声波清洗参数 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 8 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 221 / 2 /W c m W c m，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。 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 20，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 20通常，在清洗表面光洁度不高，清洗槽大小在 500情况下， 选择 28 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 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。 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 28温 25 C 的环境中，液面离槽顶大约 70频范围设置为 9 15率设置为 300W，超声工作时间 3 图 4 清洗方案系统图 he of 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 6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 300为 420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。 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。 10 表 1 平行 A 面的相对空化强度 of 表 2 平行 C 面的相对空化强度 of 单面扫频的清洗效果最好。 5 超声波重要参数确定 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： 35、 45、 55。 清洗时间： 6 9 12 超声功率： 400w、 300w、 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： 中表中 A/B/C 正交的数值为该列中所有包含 f/和 , f 取 1， 2， 3， 11 表 3 多因素正交试验结果表 of 数试验号 A（ ） B（ C（ w） 结果 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 0 30 32 3 31 30 0 32 31 10 10 1 10 10 R A/B/C 正交的数值为 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 使用 45，清洗时间为 12率为 400w，并设置另一档位 经济档，供餐具较少时使用。 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。 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 被确定为 工作温度为 45，清洗时间为 12率为 500w，频率为 28声单 面（ B）放射，采用扫频，餐具朝向 B 面。 主要流程为进水 喷臂清洗 1进水 加热至工作水温 超声清洗 12喷 12 表 4 餐具洗涤结果 of 具朝向 合格率 A 清洗 1 6 洗碗机整体结构设计 体方案 在设计中需要重点考虑几方面的问题，首先是清洗槽及管路的密封问题，再有就是超声波振子的、电磁阀、加热器等元器件的选型。 家用 超声波洗碗机主要有进排水系统、喷臂系统、超声清洗系统、加热系统组成。 进排水系统：电磁阀，水位感应开关，过滤芯，泵等组成。 喷臂系统：喷臂，压力泵等组成。 加热系统：水槽加热管等。 超声清洗系统：超声波发生器，超声波换能器等组成。 其他：清洗槽，外壳，碗篮，底座等。 壳和碗篮 该家用超声波洗碗机外形为一边长大致为 540矩形，外壳材料采用不锈钢和有机材料有机结合。金属部分采用流行的不锈钢拉丝工艺，经丙烯特殊处理，不易留指纹，清洁高贵。控制面板采用 印贴膜，可掩盖模具加工留下的瑕疵，整合好，价钱低，封闭好，易清洁 11。 柜门采用前开门，钢化玻璃透明柜门，便于使用者观察内部清洁情况。外壳采用新型的 化涂料，通过先进的光固化喷涂工艺，在产品外观表面形成装饰涂层，其涂膜硬度高，耐磨性好，手感细腻，可具有金属或其他材质效果 7；另外，采用特殊镀层工艺技术，可使普通的塑料面镀成闪亮的金属质感 12。 碗篮 ,见下图，采用不锈钢制成，表面喷涂高强度无毒疏水涂层，使清洁后的残余 水滴能迅速蒸发，减少对碗篮的腐蚀，同时还能节省电能，可以装下一家人正常一餐的餐具量，筷子，调羹等细小餐具可以用筷子筒等装好后放置洗涤。碗篮可取出，在装好碗筷后将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。 13 图 5 碗篮三维图 he of 洗槽 清洗槽尺寸为 360。材质均采用防水，安全，耐酸碱的 201 不锈钢板，并冲压而成，选择材料为 1保证在超声作用下，清洗槽内壁发生损耗的条件下，能长期使机器保持稳定的清洗参数，故采用 3度的不锈钢板 12。清洗槽底部与壳体有一定距离，用于安装洗碗机电源等其他部件。 清洗完成的残余手工清理。 排水系统 进排水系统主要由电磁阀， 软水装置，过滤芯，水位感应系统 ,进水管等等组成 8。打开二位二通阀后，自来水流入清洗槽，在达到一定水位后，水位感应开关启动，清洗完毕后，废水经过滤芯，排水口排出。进水管材料选 。 位感应系统 在液面控制方面，选择采用 连杆式浮球液位开关 ，见图 7。这种开关的工作原理是将密封的非磁性金属或工程塑胶管内根据需要设置一点或多点磁簧开关，再将带有内置磁性系统的浮球固定在本体管内磁簧开关相关位置上，使浮球在一定范围内上下浮动，利用浮球内的磁性系统透过本体管去触发磁簧开关的闭合或断开，以产生开关动作，达到控制液位的目的。开关采用干簧管，这是一种磁敏的特殊开关，簧片触点被封闭在一个充满惰性气体的或真空的玻璃管内，簧片端部重叠，并留有一定间隙，保持常开状态 ,磁簧端面触点镀有一层贵金属铑或钌，使开关性能稳定并延长使用寿命。 当水位上升或下降时，磁性浮力小球随水平面高低上下浮动。当水位到达最高水 位时，位于高水位开关的干簧管闭合，超声清洗开始。当水位下降到低水位开关时，低水位开关干簧管闭合，喷臂清洗流程开始。 14 图 6 干簧管 he 热系统 在清洗槽底部均匀布置加热器，在自来水进入清洗槽后，控制面板控制加热器启动，并在达到预设温度后停止。 加热器采用陶瓷加热器。这种产品具有防腐蚀，升温快，效率高，清洁卫生的优点。主要结构是耐热的陶瓷外壳加上内部的电阻丝。 图 7 水位感应器结构图 he of 开关电路 为了保障该洗碗机在工作时人的安全 13，以及考虑到现今家庭通常都有一个或多个小孩，所以洗碗机的开门保护电路十分重要，其原理类似于洗衣机的门开关电路，即将门开关作为主电路的保护开关，将其串联在主电路中，在洗涤过程中，如果柜门被打开，则主电路及时切断。 臂系统 喷臂系统采用 管，即聚丙烯。 优点是稳定，安全，不易被酸碱腐蚀，耐热性好。管件连接处用 进行密封， 聚氯乙烯，具有造价低，可回收，强度高，性能稳定，安全卫生等优点。根据设计要求，选用二位二通电磁阀作为洗碗机的 15 进水及排水控制系统。 电磁阀是用电磁控制的工业设 备，是用来控制流体的自动化基础元件，属于执行器，并不限于液压、气动。用在工业控制系统中调整介质的方向、流量、速度和其他的参数。电磁阀可以配合不同的电路来实现预期的控制，而控制的精度和灵活性都能够保证。电磁阀有很多种，不同的电磁阀在控制系统的不同位置发挥作用，最常用的是单向阀、安全阀、方向控制阀、速度调节阀等。 因为在超声波洗碗机中，电磁阀的工作环境普通，不存在恶劣的环境条件，所做工作仅是控制水的接通与切断，所以我们选择上海承信自动阀门有限公司的 2 在超声清洗之前，必须 先用高压水将餐具表面较大的污物洗去；在超声清洗之后，可以起到彻底清洁的作用。水从喷臂孔里高速喷出，因为反力矩的作用，推动喷臂旋转。喷臂管和进水管采用间隙配合，采用挡水环进行保护，上方用螺母限制喷臂向上的自由度。 喷臂管上有凸台，防止喷臂下滑，上盖板和进水管之间用螺栓连接。 图 8 喷臂结构图 he of 声清洗系统 家用超声波洗碗机最重要的就是超声清洗系统 10。超声清洗系统的好坏，直接决定这整台设备的性能。超声清洗系统又分为超声波发生器和超声波换能器。超声波发生器原理是由信号发生器将市电转化为一个特定频率的信号，这个频率就是超声波换能器的频率。超声波换能器是一种将电能转化为声能的仪器，它的谐振频率与发生器产生的频率相同时，就会发生共振，从而产生声波。 声波发生器 为了使超声波发生器发挥最大效能，需注意以下几个问题 14：（ 1）频率自动跟踪 16 问题：因为换能器的谐振频率会随着工作过程发生变化，所以发生器的输出电信号的频率必须具有跟随其变化而变化的特点，这就要求发生器具有频率自动跟踪功能。 （ 2）配备末级放大器，将微小的信号转化为大功率的信号。（ 3）功率合成器：单个放大器不足以满足需要时，利用功率合成器将单一的放大信号相加，获得远远大于单个的功率输出。（ 4）功率放大器的保护： 由于受电源电压、外界干扰脉冲及换能器负载 、回路参数等影响，末级功率放大器电路往往会失 效。针对不同的故障原因，末级功放保护措施有 :过压保护，过流保护，负载开路，短路保 护，双管导通保护，激励信号源的误触发保护等。 （ 5）与换能器匹配： 一是通过匹配使超声发生器向换能器输出额定 的电功率，这是由于发生器需要一个最佳的负载 才能输出额定功率所致，把换能器的阻抗变换成最佳负载，也就是阻抗变换作用 ;二是通过匹配使发生器功率效率最高，这是由于换能器静电抗的原因，造成工作频率上的 输出电压和电流有一定的相位差，从而使输出功率得不到期望的最大输出，使发生器 的输出效率降低。因此在发生器输出端并上或串上一个相反的抗，使发生器负载为纯 电阻，也就是谐调作用 4。所以匹配的好坏直接影响到功率超声源的产生 和效率 15。 超声波发生器应满足的功能要求为：（ 1）频率调节功能：在不同工作状况下，可以根据换能器的实际情况，调节输出频率，使换能器始终保持最佳工作状态，提高效率。（ 2） 额定功率：根据清洗槽大小，设定为 800w。 （ 3）扫频： 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。扫频就是将超声频率在合理范围内来回扫动，使清洗液来回流动，大大提高清洗效率。（ 4） 保险功能：在输出过载或者超声波换能器发生异常时，立即断开电源，保护发生器。 （ 5）分控功能：可分别控制不同的换能器。 综上，选择深圳好时代科技有限公司的 ，具有频率 0调等优点。 声波换能器 超声波换能器是一种将机械能，高频电能转化为声能的装置。 超声发生器产生的的高频电信号引起换能器内换能材料中电磁场的变化，对换能器的机械振动部分产生一个推动力，使之进入振动状态，接着导致与机械振动系统相连的介质振动，向介质中辐射声波。换能器一般分成两个部分，第一部分是换能器材料部分，第二部分是机械振动放大部分，又叫变幅杆。变幅杆的作用是将比较小的机械 振动幅度转化为较大的振幅，提高振速比，减少换能器的谐振阻抗，有效地提高效率，降低发热量，延长换能器寿命，可固定整个机械系统从而尽可能的减少机械能量的损失，能使换能器和工作媒质之间获得热学和化学上的隔绝。 17 换能器有电动式、电磁式、磁致伸缩式、电容式、压电式等，其中，压电式因其转换效率高，功率容量大以及结构形状等可以根据实际要求自行设计等优点而广泛使用。这里，选用北京晴晖世创科技发展中心的 ，谐振频率为 28 缘 阻 抗 为 1000功 率 为 100w 。 清 洗 槽 底 面 面 积 为 360*400 （ =1440001440 超 声 波 振 子 功 率 为 100w*4=400w ； 则 功 率 密 度 应 为400/1440=由于此次设计的超声波洗碗机是小功率洗碗机，且振动系数小，所以采用 两组分高强度胶粘剂 将其安装在清洗槽 B 面 ,个数为 4，要求固定平稳，并有一定强度。 结 至此，家用超声波洗碗机的整体结构包括 进排水系统、喷臂系统、超声清洗系统、加热系统等全部设计完成，该家用超声波洗碗机具有体积小，安静，环保，效率高，能满