新型洗碗機(jī)設(shè)計(jì)

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1、論文題目： 新型洗碗機(jī)設(shè)計(jì) 新型洗碗機(jī)設(shè)計(jì) 摘要：隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，原先繁重的家務(wù)都交由家電來完成，省下了許多 的時(shí)間。在國內(nèi)家電的普及率已經(jīng)很高，然而家用洗碗機(jī)的市場潛力巨大但是未被完全開發(fā)。故本文設(shè)計(jì) 了一款新型的洗碗機(jī)，從用戶需求，功能需求和技術(shù)要求等方面著手，運(yùn)用多種設(shè)計(jì)分析方法(形態(tài)學(xué)分 析，公理化設(shè)計(jì)原理，質(zhì)量屋分析等)對(duì)洗碗機(jī)進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提取出了核心技術(shù)，并完成了概念設(shè) 計(jì)和結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。新型洗碗機(jī)保證了清洗效果和清洗效率，同時(shí)達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。 關(guān)鍵詞：超聲波清洗概念設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)建模與仿真 The Design ofNewnstyle D

2、ishwasher Abstract: With the development of standard of living and quickening of living rhythm, electrical household appliances have been used to do heavy housework and a lot of time can be saved. Penetration of electrical household appliances in the country is very high. The market potential of ho

3、me dishwashers is huge but not be fully developed? A new-style dishwasher was designed in this paper. From such aspects as user requirements, functional requirements and technical requirements, dishwasher was detailed studied by applying several methods of designing and analyzing (morphological anal

4、ysis, ADT and QFD)? The core technology was extracted and the conceptual design and structural design were completed? The new-style dishwasher has high cleaning effect and the cleaning efficiency, while achieving energy saving purpose? Key words: Ultrasonic rinse, Conceptual design, Structural desi

5、gn, Modeling and Simulation 上海大學(xué)機(jī)械設(shè)計(jì)方法 1引言 2 1. 1課題背景 2 1. 2市場前景與經(jīng)濟(jì)效益分析 2 1. 3洗碗機(jī)研究狀況 2 2設(shè)計(jì)目標(biāo) 2 2. 1產(chǎn)品要求 2 2.2功能結(jié)構(gòu)分析 3 3設(shè)計(jì)分析 4 3.1可能方案的初定 4 3.2分功能分析 5 4核心技術(shù)提取與解析 6 4. 1核心技術(shù)提取 6 4. 1. 1物質(zhì)-場分析以及技術(shù)沖突 6 4.1.2用QFD方法提取核心技術(shù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)戰(zhàn)略 7 4. 1. 3基于TRIZ理論的方案求解 8 4. 2核心技術(shù)的分析 9 4. 2. 1超聲波基礎(chǔ)理論 9

6、 4. 2.2建模與仿真 10 5實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 13 6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 15 6. 1 分功能載體設(shè)計(jì) 15 6.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 16 致謝 17 參考文獻(xiàn) 18 1引言 25 1.1課題背景 隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們的可利用時(shí)間越來越少，難得在家里的時(shí)間也要為家務(wù) 所困擾，無法得到完全的放松，無疑加重了負(fù)擔(dān)。在所有家務(wù)中洗碗是每天必做的事，當(dāng)人 們飽餐一頓后不得不去清理油膩膩的餐具，特別是有比較大型聚會(huì)的時(shí)候，當(dāng)客人盡力而歸 后眾多的餐具讓主人著實(shí)頭疼。冬天洗碗冰冷的水很是刺骨，洗滌劑也對(duì)皮膚有害，同時(shí)因 為通常對(duì)于碗具是否清潔干凈完全是憑借人的感覺，對(duì)用水量也把

7、握不住，所以水的浪費(fèi)量 也很嚴(yán)重。有的人為了不洗碗就用一次性的碗碟，雖然方便了但是制造了白色污染。由上述 情況可見，洗碗所引起的一系列問題是無法忽視的，所以人們需要一款自動(dòng)洗碗機(jī)來減輕家 務(wù)的負(fù)擔(dān)，可以有更多的時(shí)間去享受生活，實(shí)現(xiàn)綠色生活，同時(shí)能對(duì)環(huán)保盡自己的一份力。 1.2市場前景與經(jīng)濟(jì)效益分析 洗碗機(jī)的設(shè)計(jì)初衷完全符合人們想要從家務(wù)中解放出來的想法，同時(shí)根據(jù)洗碗的數(shù)量口 動(dòng)調(diào)節(jié)水量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，為每個(gè)家庭都能節(jié)省一筆開支，提高了工作效率，釆用 高新技術(shù)能使洗滌的效果也比人工洗滌更好，對(duì)碗具不會(huì)造成損壞，基于上述的優(yōu)點(diǎn)，洗碗 機(jī)的性價(jià)比能得到人們的認(rèn)同和接受。目前國外一些發(fā)達(dá)國家家

8、用洗碗機(jī)的普及率已到達(dá) 30%~40%,特別在美、德、法等西方發(fā)達(dá)國家的普及率高達(dá)60%~70%,東南亞國家也在以 每年20%的增幅發(fā)展，近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，國民的生活水平和經(jīng)濟(jì)實(shí)力大大提 高，家用電器已經(jīng)成為家庭不可缺少的一部分，只要家電的設(shè)計(jì)符合人們的需要，符合國情, 那么價(jià)格合理的家電必然為大眾所接受。綜上所述，只要洗碗機(jī)在中國定位準(zhǔn)確，那么市場 前景和經(jīng)濟(jì)效益都很可觀。 1.3洗碗機(jī)研究狀況 洗碗機(jī)屬于比較復(fù)雜的機(jī)電一體化產(chǎn)品，需要自動(dòng)完成包括洗滌，消毒，烘干，排進(jìn)水 等等工作。從洗滌技術(shù)，布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)置材料到控制器，控制技術(shù)，兒乎每個(gè)方而的技術(shù)提 高都可以讓洗碗機(jī)的性能

9、有很大變化。Maytag和GE公司的新款洗碗機(jī)以智能化見長，模 糊控制邏輯技術(shù)和精密傳感裝置則是智能化實(shí)現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，而德國Siemens公司的SN型 洗碗機(jī)可根據(jù)碗碟的污垢度不同合理選用噴水溫度，可見各種高級(jí)控制技術(shù)和各類傳感器的 應(yīng)用使得洗碗機(jī)越來越智能化。清洗方式和理念的改進(jìn)和改變使得清洗效果更為明顯，例如 三洋電機(jī)公司的DW-S200型在水流的通路上安裝了超聲波發(fā)生器，采用超聲波噴射水流； 法國Thomson公司則采用的新型磁化技術(shù)；海爾4系列洗碗機(jī)采用的全包絡(luò)洗滌技術(shù)；美 的洗碗機(jī)WQPS-8002系列采用高層扇形三層噴洗，最高噴水速度為7.2米/秒；英國Smeg 公司開發(fā)的“Stn

10、cg 6kital”裝置，可使水流至碗具的任何地方。此外，防噪聲技術(shù)，消毒 技術(shù)，碗籃機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)以及人性化交互界而設(shè)計(jì)等方而的推陳出新同樣提升了洗碗機(jī)的功能性 和實(shí)用性。 2設(shè)計(jì)目標(biāo) 2.1產(chǎn)品要求 基于市場潛在的需求擬設(shè)計(jì)開發(fā)一種新型洗碗機(jī)。通過對(duì)用戶調(diào)查，了解到用戶對(duì)新型 洗碗機(jī)在功能性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性和操作性這四個(gè)方而上的要求，現(xiàn)將相應(yīng)的資料匯總后， 確定出用戶需求樹如圖1所示： 圖1新型洗碗機(jī)用戶需求樹 2.2功能結(jié)構(gòu)分析 通過用戶需求樹的建立，確定新型洗碗機(jī)具有進(jìn)水排水功能，清洗功能，消毒功能，加 熱功能，餐具盛放功能，控制功能以及人機(jī)交互功能，成功將用戶需求轉(zhuǎn)化

11、成功能結(jié)構(gòu)，對(duì) 應(yīng)的新型洗碗機(jī)功能分解樹如圖2： 洗碗機(jī)功能 進(jìn)水卅水功能 沾沉功能 消奇功能 加 執(zhí) 功 能 餐ft盛放功能 控制功能 水 位 檢 測(cè) 功 污 濁 度 檢 測(cè) 功 能 溫 度 檢 測(cè) 功 能 用戶界血 圖2新型洗碗機(jī)的功能分析 3設(shè)計(jì)分析 3.1可能方案的初定 根據(jù)上述對(duì)新型洗碗機(jī)的用戶需求的理解和功能分析，同時(shí)結(jié)合各方而技術(shù)狀況運(yùn)用 形態(tài)學(xué)分析方法初定幾種可能方案，列出的形態(tài)學(xué)矩陣如表1所示。 分功能 功能載體 1 2 3 4 5 A 清洗功能 機(jī)械摩擦 電磁振蕩 熱脹 水射流 超聲波 B 消毒

12、功能 消毒劑 高溫消毒 臭氧消毒 C 加熱功能 電加熱 微波加熱 太陽能 加熱 D 控制功能 人工手控 機(jī)械定時(shí) 單片機(jī) 口控 E 用戶界而 按鈕 遙控 觸摸屏 F 餐具放置 功能 拉籃式 轉(zhuǎn)籃式 G 降低噪音 功能 吸音板 靜音裝置 減震壁 表1新型洗碗機(jī)形態(tài)學(xué)矩陣 由上述形態(tài)學(xué)矩陣可得，理論上可組合出5x3x3x3x3x2x3 = 2430種方案，從中挑 選了兩種合理的方案： 方案 A： A4-B2-C3-D3-E3-F1-G3 方案A是基于主流的水射流清潔技術(shù)的自動(dòng)化洗碗機(jī)

13、，人機(jī)交互是其優(yōu)勢(shì)。 方案 B： A5-B3-C1-D3-E1-F1-G1 方案B則是采用了超聲波技術(shù)的自動(dòng)化洗碗機(jī)，清洗方式的變革可能會(huì)帶來不同的 效果。 3.2分功能分析 木小節(jié)運(yùn)用公理化設(shè)計(jì)原理，求解出新型洗碗機(jī)各個(gè)分功能模塊對(duì)應(yīng)的物理域中的設(shè) 計(jì)參數(shù)，并對(duì)這樣的映射關(guān)系進(jìn)行分析和評(píng)價(jià)： 根據(jù)前而對(duì)新型洗碗機(jī)的總功能和分功能的分析，可以將該洗碗機(jī)的功能域分解為以 下8個(gè)模塊：F&.控制功能，朋2 ■餐具放置功能，視■進(jìn)水排水功能，F(xiàn)R「加熱功能, 朋5 ■清洗功能，磯■消毒功能，朋7 ■人機(jī)交互功能，磯■降低噪音功能，并對(duì)其進(jìn)行 了二次分解，具體實(shí)現(xiàn)過程如下: (1) FR

14、廠控制功能： 礙「數(shù)據(jù)采集 礙2?控制核心 (2) F&?餐具放置功能： F&、.餐具固定 fr22 ■餐具擺放 (3) F&?進(jìn)水排水功能： 視］■流量調(diào)節(jié) F&2 ■動(dòng)力源 F傀3 ?水位檢測(cè) (4) FR「加熱功能： FRy加熱方式 fr42?溫度檢測(cè) (5) F&?清洗功能： fr5}-清洗方式 fr52-水污濁度檢測(cè) (6) 消毒功能 (7) FRj?人機(jī)交互功能： 碼］?命令輸入 FR”數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示 (8)取?降低噪音功能 對(duì)應(yīng)物理域的設(shè)計(jì)參數(shù)如下： (1) 控制系統(tǒng)： 砂「數(shù)據(jù)采集接口電路DPn?單片機(jī) (2)

15、 餐具放置機(jī)構(gòu)： DP2X-餐具固定器 率2 ?餐具擺放籃 (3) D再■進(jìn)水排水系統(tǒng)： 糾］■進(jìn)，排水電磁閥 DP垃 進(jìn)，排水泵 %水位檢測(cè)開關(guān) (4) D巳.加熱系統(tǒng)： D瑞.加熱裝置 dpA2?溫度傳感器 (5) D?清洗模塊： DP5}-清洗裝置 dp52-污濁度檢測(cè)傳感器 (6) DR?消毒裝置 (7)砂?用戶界而： 巧廠命令輸入形式 巧2?顯示屏幕 (8) 吸音裝置 由此可得到設(shè)計(jì)矩陣： (8) 吸音裝置 由此可得到設(shè)計(jì)矩陣： 林■ X 0 0 F&2 0 0 0 F 0 0 比 F

16、0 0 0 FR空 0 0 0 0 F&2 0 0 0 0 磯3 0 0 0 0 FR“ — 0 0 0 0 FR42 0 0 0 0 昭 0 0 0 0 F&2 0 0 0 0 FR& 0 0 0 0 碼， 0 0 0 0 碼2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 X 0 X

17、 X 0 0 0 0 0 0 比 0 0 0 0 0 0 0 乂 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 比 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0_ 0 0 0 0 砂2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 必

18、2 0 0 0 0 陰 0 0 0 0 DPh 0 0 0 0 DP42 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 DP(、 0X00 DP" 0 0X0 DP72 0 0 0 X _DP._ 觀察此設(shè)計(jì)矩陣發(fā)現(xiàn)該矩陣是上三角矩陣，所以該設(shè)計(jì)為準(zhǔn)耦合設(shè)計(jì)，滿足獨(dú)立公理, 且包含信息量少，這樣的映射關(guān)系符合要求。由形態(tài)學(xué)矩陣分析得出的方案A和B都基本 符合功能需求的獨(dú)立性和設(shè)計(jì)中的信息含量最少。 4核心技術(shù)提取與解析 4.1核心技術(shù)提取 4.1.1物質(zhì)-場分析以及技術(shù)沖突 本小節(jié)根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣分析所得的兩個(gè)方案，為了找出其技術(shù)沖突，

19、現(xiàn)對(duì)其進(jìn)行物質(zhì)- 場分析如圖3： S2超聲波發(fā) 生裝置 S1餐具 H有乳化油污, 二次污染 U淸洗種類多, 無死角 ■ U無須洗滌劑 H洗滌易出現(xiàn) 死角 S2水射流發(fā) 生裝置唄械 U沖刷力大, 無二次污染 U對(duì)于某幾種 餐具較好固定 H其他種類餐具 無法很好固定 圖3物質(zhì)-場分析 由此可分析出技術(shù)沖突如下： (1)如果選擇超聲波清洗技術(shù)可以清洗不同種類的餐具，并且清洗無死角，但是超聲波是以 水為介質(zhì)，水和油會(huì)發(fā)生乳化作用形成懸浮油污，在排水時(shí)油污會(huì)再次附著在餐具上形成二 次污染影響清潔度；超聲波清洗對(duì)質(zhì)地較硬、聲反射強(qiáng)的材料其清洗效果較好，而對(duì)質(zhì)地較 軟、聲吸收

20、較大的材料清洗效果就要差一些。為了使不同質(zhì)地的餐具都有很好的清洗效果， 可以提升超生波強(qiáng)度，但是這會(huì)使噪聲變大，同時(shí)餐具和洗碗機(jī)內(nèi)部都易腐蝕。 如果選擇水射流清洗技術(shù)可以形成很大的清洗力，但是可清洗餐具的種類減小，留多死角， 清洗效果差；在此情況下如果要保證清洗效果好，可以多加射水點(diǎn)和增大水壓，但是增加了 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，占用體積必然增加。 ⑵為了增加可擺放餐具的多樣性和數(shù)量，可以加大放置籃的體積并將籃子的結(jié)構(gòu)做成符合 各種餐具擺放的形式，但是這樣會(huì)增加洗碗機(jī)內(nèi)部清洗槽的體積，增加用水量，如果需要放 置的是同一種且大批量餐具則無法實(shí)現(xiàn)。 相對(duì)應(yīng)的物理沖突： (1)超聲波清洗技術(shù)能滿足不同形

21、狀餐具的清洗,但是無法很好保證不同質(zhì)地餐具的清洗效 果，即超生功率大小與噪聲音量和腐蝕性的沖突；水射流清洗技術(shù)能滿足不同質(zhì)地餐具的清 洗，但是需要在空間內(nèi)增加多角度的射水點(diǎn)保證不同形狀餐具的全而清潔，這樣則增加了結(jié) 構(gòu)復(fù)雜性，即水速度，水壓，數(shù)量與潔凈度的沖突。 ⑵餐具籃的尺寸結(jié)構(gòu)與清洗槽容積和餐具種類的沖突。 4丄2用QFD方法提取核心技術(shù)和規(guī)劃設(shè)計(jì)戰(zhàn)略 根據(jù)前而對(duì)用戶需求的分析、系統(tǒng)功能分析以及形態(tài)學(xué)分析，可以得出如圖4所示的用 戶需求和技術(shù)特征的QFD矩陣表。 X 外形尺寸 噪聲 淸洗技術(shù) 控制系統(tǒng) 加熱系統(tǒng) 排水進(jìn)水系統(tǒng) 消再方法 消洗時(shí)間 用戶界面

22、 餐具放直機(jī)構(gòu) 技術(shù)成本 使用壽命 功能耍壊 □ □ 0 n 0 □ □ 0 5 □ □ ? —— 0 □ ◎ n 4 0 0 I 0 0 n 4 □ □ ◎ 0 0 □ 0 n 5 - , □ □ I r 0 n 0 n 4 - , □ □ n □ □ 0 3 - , □ I I □ □ n 可靠性 4

23、 - - □ □ n n □ □ 5 □ □ r r □ □ 經(jīng)濟(jì)性 3 - 」 □ □ I n □ n 5 □ □ 0 n J □ □ □ T 2 D D u u □ 0 u  圖4用戶需求和技術(shù)特征的QFD矩陣表 從圖4可以看出，用戶最關(guān)心的需求與技術(shù)特征中的清洗技術(shù)，清洗時(shí)間，餐具放置 機(jī)構(gòu)，技術(shù)成木都是對(duì)應(yīng)強(qiáng)相關(guān)的。而技術(shù)特征自相關(guān)矩陣中清洗技術(shù)，控制系統(tǒng)，加熱系 統(tǒng)，進(jìn)排水系統(tǒng)

24、，消毒方法，餐具放置機(jī)構(gòu)都與技術(shù)成木是負(fù)相關(guān)的。因此，該設(shè)計(jì)的核心 技術(shù)是清洗技術(shù)。 新型洗碗機(jī)質(zhì)量屋全圖如圖5: 用戶需求 技術(shù)特征 動(dòng) 皿放置程具 科類多 灣洗效杲好 用水用電量少 流程?體化 對(duì)餐具無損吉 占用空間小 成本合理 清洙效率高 mF 性 技術(shù)特征垂要度 技術(shù)待征相對(duì)垂要度：（％） 操作性好 t o 2?0|O9?6 4 2 4 3 4 12.1 12.8 16.1 o 7. o o o 10.3 o 6.3 4 4 3 4 4 1.0 3 4 2 5 12.8 16.1 4.0

25、 1.0 4 3 4 4 賣 點(diǎn) 3 4 3 4 5 4 5 4 4 5 4 3 5 4 3 4 4 2 5 4 2 4 4 4 2 5 3 5 5 3 4 4 4 4 5. 8? 4 4 3 3 3 3 O6?2 1.7 13 L7 i 0.8 5. 3^ O ■ g 5.0 4^0 2A 4^0 65 3^9 27 L7 70 4S 487 31.5 57 3?7 31 31 9.9 2.0 79 5?9 190 45 157 5?

26、1|2?9|石 262 119 16.9 7.7 最差到 殳好 1 2 3 4 5 用戶競爭性 ■木公司產(chǎn)品 ?競爭者甲產(chǎn)品 A競爭乙甲產(chǎn)品 相對(duì)垂要度圖形比較 ■ JI IJB JI 亠 JI JI 上! j JI . 目標(biāo)值 木公可產(chǎn)品技術(shù)評(píng)估 競爭者甲產(chǎn)品技術(shù)評(píng)估 競爭者乙產(chǎn)品技術(shù)評(píng)估 ■木公司產(chǎn)品 ?競爭者甲產(chǎn)品 ▲競爭乙甲產(chǎn)品 ▼ 方案評(píng)估 圖5新型洗碗機(jī)質(zhì)量屋全圖 4丄3基于TRIZ理論的方案求解 對(duì)前而得出的技術(shù)沖突所設(shè)計(jì)的參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)的39個(gè)工程參數(shù)重新描述，然后對(duì)技術(shù)沖 突重新描述，矛盾矩陣如

27、表2。 惡化參數(shù) 26物質(zhì)或 30作用于物體 31有害方的 36裝置 改善參數(shù) 事物的數(shù)量 的有害因子 影響 復(fù)雜性 10力 35,3 34, 39 30, 18 1,31 19,27 35,2 8靜止物體的體積 14, 29 1,35 13,3 26, 35 1& 36 40, 18 36, 24 10, 18 表2矛盾矩陣 從矛盾矩陣中，可以找出已分析出的技術(shù)沖突或者物理沖突的原理： （1） 可釆用分離原則，先運(yùn)用合適的超聲波強(qiáng)度對(duì)餐具進(jìn)行清洗，保證清洗的潔凈度，效 率高，無死角和噪聲小，之后用水射流進(jìn)行沖洗，能有效清除排水后附

28、著在餐具上的乳化油 污，同時(shí)能對(duì)超聲波洗滌效果較差的餐具進(jìn)行二次清洗，保證對(duì)不同質(zhì)地的餐具都有很好的 清洗效果。 （2） 可釆用分割原則，將放置餐具的容器做成容易組裝和拆卸的組合拉籃。主籃根據(jù)碗， 碟的形狀進(jìn)行設(shè)計(jì)，配有固定器用于固定杯子，同時(shí)設(shè)計(jì)了可拆卸的刀叉籃，可折疊器皿架。 因此，適用于各個(gè)種類餐具的擺放和固定，同時(shí)也可以滿足數(shù)量較大的同一種類餐具擺放。 最后洗碗機(jī)方案主要參考B方案，其中清洗技術(shù)和餐具擺放機(jī)構(gòu)使用上述由發(fā)明原理 解出的方法。 4.2核心技術(shù)的分析 通過物質(zhì)-場分析和QDF法可知，清洗技術(shù)是核心技術(shù)。超聲波技術(shù)作為本方案主要的清 洗技術(shù)對(duì)洗碗機(jī)的性能影響最大，所以

29、有必要對(duì)其進(jìn)行深入的分析和研究。 4.2.1超聲波基礎(chǔ)理論 超聲清洗的主要機(jī)理是超聲空化效應(yīng)?？栈且后w中的一種物理現(xiàn)象。液體中導(dǎo)入超聲 后，原來存在于液體中的微氣泡（空化核）將在聲場的作用下振動(dòng)，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值（空化 閥）時(shí)，一部分氣泡在負(fù)壓期迅速長大，在正壓期又突然閉合，產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千大氣壓的沖擊 壓力和局部高溫，這就是空化效應(yīng)。除了空化效應(yīng)外，對(duì)清洗起作用的還有輻射壓和聲流。 輻射壓是大振幅聲波在介質(zhì)中傳播時(shí)，對(duì)阻擋的物體產(chǎn)生的壓力。聲流則是由于聲場的存在 而引起的介質(zhì)的流動(dòng)，這兩者都能夠起到攪拌作用。 由上述可知超聲波清洗的主要機(jī)理是超聲空化效應(yīng)，而超聲空化效應(yīng)與聲源（聲壓，頻

30、率等）和媒質(zhì)參數(shù)（溫度，表而張力、粘性等）有關(guān)。例如聲波頻率越高，空化閥越大，也 就是要產(chǎn)生超聲空化要更高的聲強(qiáng)，相反頻率在10HZ左右空化較強(qiáng)但是伴有比較大的噪音; 溫度升高能使空化核增多，對(duì)產(chǎn)生空化有利，但是溫度過高氣泡閉合期間增強(qiáng)了緩沖作用而 使空化減弱。從超聲清洗技術(shù)而言，最主要的性能還是是超聲空化的強(qiáng)弱，在清洗槽中產(chǎn)生 一個(gè)高強(qiáng)超聲場是決定清洗效果的關(guān)鍵。在超聲清洗系統(tǒng)中，常用“振板聲源”來產(chǎn)生所需 的高強(qiáng)超聲場。振板聲源是由多個(gè)超聲換能器粘于鋼板上構(gòu)成的，鋼板上所用換能器的個(gè)數(shù) 取決于工程要求，一般從幾個(gè)到上百個(gè)不等。當(dāng)振板聲源的換能器以同一電信號(hào)激勵(lì)時(shí)，換 能器推動(dòng)鋼板振動(dòng)，振板

31、聲源向液體中輻射超聲波，在超聲處理槽中即得到高強(qiáng)超聲場 因?yàn)槌暻逑淳窃谟邢蘅臻g內(nèi)進(jìn)行，超聲處理槽中的高強(qiáng)超聲場均是駐波場。駐波場 的特點(diǎn)是在液體空間的某些地方強(qiáng)度大，而在另外一些地方強(qiáng)度小，這樣造成了超聲處理聲 場的不均勻，通常的解決辦法是改變清洗槽的形狀或者是采用調(diào)頻技術(shù)。而聲場不均勻的另 一個(gè)因素是振板聲源的換能器布陣方式，雖然一個(gè)振板聲源的所有換能器由同一電信號(hào)激 勵(lì)，但是振板聲源的輻射而并不是作等幅的活塞運(yùn)動(dòng)，實(shí)驗(yàn)發(fā)現(xiàn)振板聲源輻射而的振幅是不均勻的。由此可見，換能器的布陣方式將影響振板聲源的振幅分布，進(jìn)而影響其聲場的均勻 性。如果能通過換能器合理的布局，減少能量的使用，得到高強(qiáng)

32、度的均勻聲場，提高處理效 果和洗碗機(jī)的工作效率，那就是一種既合理又經(jīng)濟(jì)的手段。 所以，本節(jié)將利用建模仿真手段研究換能器的布陣方式對(duì)振板聲源的振幅分布的影響。 4.2.2建模與仿真 本小節(jié)用有限元方法對(duì)不同頻率下不同換能器布陣方式進(jìn)行研究，并且采用振幅均值和 偏移估計(jì)對(duì)結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，比較在相同頻率不同換能器布陣方式下超聲清洗系統(tǒng)板聲源 振動(dòng)分布，從而得出較合理的布陣方式，以下建模與仿真均在ANASYS環(huán)境下實(shí)現(xiàn)： 1.板聲源疊加驗(yàn)證試驗(yàn) 假設(shè)：根據(jù)理論可知，超聲波在傳播中符合波的疊加原理，即同頻率不同聲源在向某介 質(zhì)中傳播超聲波時(shí)，該介質(zhì)中任意點(diǎn)的振動(dòng)等于各單一聲源在該點(diǎn)振動(dòng)的矢量和

33、。此處簡單 認(rèn)為在同一頻率下，板聲源振動(dòng)分布是各單一換能器驅(qū)動(dòng)板聲源的振幅矢量疊加而成。 建模過程及結(jié)果：設(shè)計(jì)一塊長0. 3m,寬0. 2m,厚0.00加的矩形薄板，在薄板下增加兩個(gè) 質(zhì)量塊作為換能器。在左換能器上加上激勵(lì)頻率28KHz,對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分析得出。在分析 結(jié)果中取長度方向的中線，均勻選取60個(gè)點(diǎn)，做出薄板在該線上振動(dòng)分布圖，如圖6(a)所示, 并且輸出各點(diǎn)的振幅值。然后同時(shí)在兩換能器上加上激勵(lì)頻率28KHz,再對(duì)其進(jìn)行諧響應(yīng)分 析，方法同上。在分析結(jié)果中取長度方向的中線，均勻選取60個(gè)點(diǎn)，做出薄板在該線上振動(dòng) 分布圖，如圖6(b)所示。最后，我們將第一步輸出的各點(diǎn)的幅值，利用對(duì)

34、稱原理得到單一右 圖6(a)左換能器振動(dòng)分布圖 圖6(b)左,右換能器振動(dòng)分布圖 aoCE 06 2. 4. OCE 06 Q 0C6-HX? 圖6(c)疊加振動(dòng)分布圖 結(jié)果分析：在帶質(zhì)量塊狀況下，板聲源振動(dòng)分布并非完全是兩個(gè)但換能器各自振動(dòng)時(shí)振 幅疊加之和，在兩換能器中間的部分，板聲源在兩個(gè)換能器同時(shí)作用下的振幅分布和分別作 用后相加的振幅分布圖形一樣，而在質(zhì)量塊(換能器)上而的振幅就明顯存在較大的差別。因此，可知先前的假設(shè)是不正確的，在同一頻率下不同換能器布陣方式并不是簡單的各單一 換能器驅(qū)動(dòng)板聲源的振幅矢量疊加。 2.同一頻率下不同換能器布陣方式對(duì)板聲源振動(dòng)特性的影

35、響試驗(yàn) (1)超聲清洗主要使用的頻率為28KHz. 40 KHz. 120 KHz,這里將使用有限元方法對(duì)三 種頻率下各種不同換能器布陣方式對(duì)超聲清洗系統(tǒng)板聲源進(jìn)行振動(dòng)分析。因?yàn)槿N頻率下的 建模過程相同，所以只以28KHz為例進(jìn)行說明： 建模對(duì)象:長0.38m、寬0.269m、厚0.002m的矩形板聲源，換能器為喇叭形，高0.065m, 最大直徑而直徑為0.059m,后蓋板和壓電片直徑為0.027m,喇叭形高0.038m。 建模過程：定義負(fù)載中在換能器上加上而位移。實(shí)際應(yīng)用中將超聲換能器激勵(lì)的板聲源 固定在清洗槽上，清洗槽固定在支架或殼體上，所以在建模過程中將超聲換能器激勵(lì)的板聲 源周

36、邊固定(實(shí)際超聲換能器激勵(lì)的板聲源周邊也在振動(dòng)，但其振動(dòng)微弱，在建模過程中就 做了忽略處理)。在單元選取中，采用solid45單元。在網(wǎng)格劃分過程中，為了保持一定的計(jì) 算精度，同時(shí)也為了滿足計(jì)算速度，在滿足波長要求時(shí)，按線劃分，0.01m劃一個(gè)網(wǎng)格, 精度釆用smart3o 換能器為矩形布陣的板聲源中，長度方向換能器中心間距為0.09m,寬度方向換能器中 心間距為0.0795m,換能器中心距板聲源周邊為0.055m。其模型和網(wǎng)格劃分如圖7(a)所示。 在換能器為三角形布陣的板聲源中，中心距離均為0.09m,換能器中心距離板周邊的距離為 0.055m.其模型和網(wǎng)格劃分如圖7(b)所示。在換能器

37、為正方形布陣的板聲源中，長度方向換 能器中心間距為0.09m,寬度方向換能器中心間距也為0.09m,長度方向換能器中心距板聲 源周邊為0.055m,寬度方向換能器中心距板聲源周邊為0.0445m,其模型和網(wǎng)格劃分如圖 7(c)所示。 圖7 (a)矩形布陣有限元模型 圖7(b)三角形布陣有限元模型 圖7(c)正方形布陣有限元模型 仿真及結(jié)果：在板上加上諧振頻率28KHZ,載荷使用stepped方式，計(jì)算在諧振頻率下 板聲源的振動(dòng)分布。在后處理器中，選擇讀入實(shí)部值(虛部為零)，并在描繪結(jié)果中使用nodal solu顯示振動(dòng)分析結(jié)果，所得結(jié)果如圖&a)、圖8(b)、圖8(c)所示。 W

38、  圖8 (a)頻率為28KHz矩形布陣方式振幅分布 圖8(b)頻率為28KH三角形布陣方式振幅分布 ?-imx-ei UQk 厶 “ uw 圖8 (c)頻率為28KHz正方形布陣方式振幅分布 由上而的仿真圖可知，在換能器為三角形布陣方式時(shí)，板聲源振幅明顯大于其它兩種布 陣方式，而且，在換能器為三角形布陣方式時(shí)大部分看上去比較均勻，效果較好。 利用相同方法可知，在頻率為40KHZ的激勵(lì)頻率下在換能器為三角形布陣和矩形布陣 方式時(shí)，板聲源振幅明顯大于正方形布陣方式，而且在換能器為正方形布陣方式時(shí)，板聲源 岀現(xiàn)的極值現(xiàn)象較多，即看上去不均勻。在頻率為120KHZ的激勵(lì)頻率下在換

39、能器為三種不 同布陣方式下，出現(xiàn)極值的現(xiàn)象已經(jīng)不明顯，只是正方形布陣方式時(shí)振幅比較均勻。 (2) 評(píng)價(jià)超聲清洗系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是聲場強(qiáng)度和均勻性，上而通過建模仿真已經(jīng)初步得到結(jié) 果，現(xiàn)利用統(tǒng)計(jì)學(xué)的方法來得出結(jié)果： y^|x. 設(shè)板振源上每個(gè)點(diǎn)的振幅為斥，采用平均值來表示振幅大?。涸A n 用樣木標(biāo)準(zhǔn)偏差S來表示樣本中各測(cè)量數(shù)據(jù)相對(duì)樣木平均的分散程度(均勻性): 用S除以丘，就可以得到振幅相對(duì)偏移程度值，偏移越大，就越不均勻。 對(duì)上述仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計(jì)算可得各個(gè)頻率下各種分布方式下的振幅和離散度，如 表3： 頻率 （KHz） 28 40 120 方式 矩形 三角

40、形 正方 形 矩形 三角 形 正方 形 矩形 三角 形 正方 形 X （xlO“ 加） 1.52 9.42 1.65 5.37 2.81 1.51 8.702 5.417 6.623 S （xlO“ 加） 1.2 8.11 2.04 5.98 2.66 1.47 9.477 5.706 6.717  偏移程度 0.789 0.861 1.236 1.114 0.947 0.974 1.089 1.078 1.104 表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計(jì)表 分析圖表可知，在頻率為28KHz的激勵(lì)頻率下，三角形布陣時(shí)振動(dòng)幅值明顯，

41、振幅相 對(duì)偏移則較小，所以三角形布陣方式較好；在頻率為40KHz的激勵(lì)頻率下，三角形布陣方 式振幅相對(duì)偏移較小，振幅較大，所以三角形布陣方式比較好，同時(shí)換能器減少，從能量角 度上講，是節(jié)省了能量；在頻率為120KHZ的激勵(lì)頻率下，正方形布陣時(shí)振動(dòng)幅值比較大， 振幅相對(duì)偏移則小，效果較好?？v向分析可得，頻率越高，則振幅分布越均勻。 綜合上述分析，基于聲場強(qiáng)度，均勻性以及節(jié)能的方而的考慮，運(yùn)用換能器三角形布陣 方式，頻率使用28KHzo 5實(shí)驗(yàn)設(shè)計(jì)與驗(yàn)證 由于聲場強(qiáng)度的影響因素很多，且在密閉的空間內(nèi)是形成了混合場，所以要利用理論公 式推導(dǎo)強(qiáng)度及其困難，只能通過實(shí)驗(yàn)方法得到數(shù)據(jù)。測(cè)量超聲場強(qiáng)度

42、的方法有很多，如鋁箔 腐蝕法，染色法，聲致口由基的測(cè)量和實(shí)時(shí)譜分析和統(tǒng)計(jì)平均法等。根據(jù)現(xiàn)有的實(shí)驗(yàn)條件， 這里采用鋁箔腐蝕法來測(cè)量清洗槽內(nèi)的超聲場的強(qiáng)度。 （1） 實(shí)驗(yàn)環(huán)境 目標(biāo)是分析長470mm,寬410mm,高420mm的清洗槽內(nèi)聲場強(qiáng)度分布情況，如圖9。 選擇室溫（25度）的自來水作為洗滌劑，液而距清洗槽頂部為50mm?100mm,且必須高于 換能器的最高粘貼位置，選擇離頂部75mni處。超聲頻率為28KHz,超聲功率300w,超聲 作用時(shí)間3mino用長和寬為295mm, 270mm的木框固定鋁箔紙，分別平行C、B兩個(gè)而垂 直放入水中并固定。測(cè)量時(shí)以聲源為起點(diǎn)，C、B兩個(gè)而的步長分別

43、為5.85cm、6cm的距離 測(cè)量不同的八個(gè)位置的聲場強(qiáng)度。分別在換能器成矩形，三角形和正方形布陣方式時(shí)測(cè)超聲 場的強(qiáng)度。 C 換能器 A B D 圖9清洗槽內(nèi)部圖 一潸洗槽 （2） 實(shí)驗(yàn)結(jié)果處理 鋁箔腐蝕法只能直觀看到超聲場的強(qiáng)弱和水平方向的分布，這里采用簡化方法定量地描 述清洗槽內(nèi)超聲空化效應(yīng)的相對(duì)強(qiáng)度，具體方法：對(duì)每一張超聲作用后的鋁箔紙拍照，然后 用平而圖像處理軟件，把照片變成灰度模式，通過調(diào)節(jié)黑口對(duì)比度來區(qū)分腐蝕區(qū)域和非腐蝕 區(qū)域，使腐蝕部分顯示為黑色（色階為0）,非腐蝕部分為口色（色階為255）,最后用軟件中的 histogram功能（直方圖功能）計(jì)算出腐蝕而

44、積所占整個(gè)而積的百分?jǐn)?shù)，即黑色象素和圖像總象 素的比值作為空化相對(duì)強(qiáng)度。平行C而和B而的實(shí)驗(yàn)結(jié)果分別如表4和表5所示。 距離（cm） 0 6 12 18 24 30 36 42 矩形強(qiáng)度（％） 10.84 11.01 13.01 13.85 11.01 11.85 10.02 10.00  三角形強(qiáng)度（％） 26.01 25.56 2&22. 27.66 25.78 24.02 24.66 24.34 正方形強(qiáng)度（％） 12.01 9.01 15.55 10.88 14.56 12.01 11.67 10.46 表4

45、平行C面超聲強(qiáng)度表 距離（cm） 0 5.85 11.7 17.55 23.4 29.25 35.1 40.95 矩形強(qiáng)度（％） 15.25 12.26 18.20 13.89 17.60 15.34 18.02 15.75 三角形強(qiáng)度（％） 28.60 29.34 26.30. 27.10 30.50 28.28 27.46 28.20 正方形強(qiáng)度（％） 10.02 18.23 13.68 14.80 11.23 10.20 13.78 15.21 表5平行B面超聲強(qiáng)度表 根據(jù)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制成超聲場相對(duì)強(qiáng)度

46、分布圖，如圖10（a）和10（b）： 超郴對(duì)逼* 距聲源距離（cm） 圖10(b)平行于B面超聲場強(qiáng)度分布 根據(jù)實(shí)驗(yàn)結(jié)果可知，換能器采用三角形布陣方式時(shí)的聲場明顯強(qiáng)度大于其他兩種方式， 同時(shí)聲場分布比較均勻，驗(yàn)證了選擇三角形布陣方式的正確性。此外，由圖10(a)上看，在 遠(yuǎn)離聲源的地方，聲波強(qiáng)度有所減弱，這是因?yàn)檩^高的聲強(qiáng)會(huì)造成空化泡過多，形成聲波屏 障，使聲波不容易傳播到整個(gè)液體空間，因而造成這樣的結(jié)果。在本實(shí)驗(yàn)環(huán)境中，強(qiáng)度減小 不明顯。 6結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 6.1分功能載體設(shè)計(jì) 通過第二章的功能分解可以得到七個(gè)功能模塊，下而對(duì)其中比較重要的部分進(jìn)行部件 選

47、擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)： (1) 超聲波清洗系統(tǒng) 超聲清洗系統(tǒng)超聲波清洗系統(tǒng)由三個(gè)核心部分組成，即清洗槽，超聲波發(fā)生器和超聲波 換能器。 清洗槽主要是用來容納清洗液和將要清洗的器件，洗滌槽的幾何形狀會(huì)影響到超聲波聲 場在其中的分布。根據(jù)清洗量，洗滌槽設(shè)計(jì)為470x410x420加加的長方體，這種對(duì)稱結(jié)構(gòu) 使得超聲聲場在其中的分布會(huì)比較均勻，使洗滌槽的各個(gè)角落都能取得較好的清洗效果。為 了防止殘?jiān)氯礈毂煤团潘?，確保清洗過程正常進(jìn)行，清洗槽底部向外凸出一小長方體 槽，底部與它之間加過濾網(wǎng)。洗滌泵和排水泵的進(jìn)水口開在此小長方體內(nèi)，這樣就可以阻攔 殘?jiān)?。同時(shí)，加熱器放置在此小長方體內(nèi)，確保加熱的均

48、勻性和可靠性。為保證消毒效果最 好，臭氧發(fā)生器的輸出口即臭氧的出口放在洗滌槽的底部，使臭氧充分溶解在水中。此外， 槽壁選用不銹鋼板，此種鋼板耐腐蝕性能較好，而且與換能器的粘結(jié)強(qiáng)度好。超聲波產(chǎn)生的 噪音很大，在洗碗機(jī)外殼粘四周加裝吸聲玻璃絲棉吸收噪音。 超聲波換能器選擇功率為50W的壓電式換能器，粘在清洗槽的側(cè)而上，根據(jù)上而對(duì)于換 能器布陣方式對(duì)強(qiáng)度分布影響的研究，用11個(gè)換能器按三角形布陣，清洗槽壁和換能器粘 結(jié)處進(jìn)行噴沙處理，清洗干凈后，按一定工藝進(jìn)行粘結(jié)，保證粘合平整，粘合而有足夠的強(qiáng) 度。根據(jù)清洗槽的尺寸，超聲波發(fā)生器的最大功率為lOOWo (2) 噴臂沖洗系統(tǒng) 為了防止超聲波清洗

49、后對(duì)餐具產(chǎn)生的二次污染，最后的沖洗時(shí)必不可少的。為了保證沖 洗的充分性，采用多位沖洗方法。設(shè)計(jì)的噴臂沖洗系統(tǒng)主要由兩個(gè)旋轉(zhuǎn)噴臂以及污濁度檢測(cè) 傳感器組成。清水泵出水口連接兩個(gè)噴臂，分別安裝在洗滌槽底部和側(cè)而，從水平和垂直方 向上對(duì)餐具進(jìn)行清洗，保證了沖洗的充分性。水濁度傳感器位于槽底，實(shí)時(shí)檢測(cè)水的干凈程 度，為控制提供細(xì)細(xì)。管路采用PVC材料的管和接頭，并用PVC膠進(jìn)行密封,，它有強(qiáng)度高、 造價(jià)低、可回收利用、性能受環(huán)境影響小、安全衛(wèi)生等特點(diǎn)。 (3) 水位系統(tǒng) 水位系統(tǒng)是進(jìn)、排水系統(tǒng)中最重要部分，其中水位開關(guān)的性能則是影響進(jìn)排水速度和判 斷的關(guān)鍵部件，這里選用的水位開關(guān)由干簧管外加磁鐵組

50、成，把磁鐵裝在浮子上，當(dāng)磁鐵靠 近兩彈性舌簧時(shí)，使兩舌簧受磁力作用接觸而導(dǎo)通，該機(jī)構(gòu)的剛性很好。整個(gè)系統(tǒng)中共有高, 中，低三個(gè)水位開關(guān)，用于檢測(cè)是否完成排水，進(jìn)水要求。同時(shí)為防止水位開關(guān)所在的管道 在進(jìn)水時(shí)成為密閉端，用針管開小孔使管道內(nèi)、外氣壓相通，流入排水泵，保證水位開關(guān)的 正常。 (4) 餐具放置裝置 餐具放置裝置要能擺放各式各樣餐具，根據(jù)這個(gè)要求設(shè)計(jì)了分層籃結(jié)構(gòu)。餐具可放在分 層拉籃中，拉籃可沿著軌道滑動(dòng)，根據(jù)不同餐具配有刀叉籃，可折疊器皿架（圖11a）以及 固定器（圖lib）起到夾持作用。 圖11（a）可折疊器皿架 圖11（b）固定器 其他的系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)（由加熱器和限

51、溫器組成），消毒系統(tǒng)（臭氧發(fā)生器），人機(jī)界 而（顯示器和按鈕組件）和控制系統(tǒng)（西門子單片機(jī)）。 6-2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) 根據(jù)上而分功能載體的設(shè)計(jì)，新型洗碗機(jī)系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。 1 2 3 4 5 ——T7 21 20 19 18 17 致謝 致謝：首先，感謝李朝東老師對(duì)本文的大力支持！ 李朝東老師的機(jī)械設(shè)計(jì)方法這門課，是一門綜合性的課程。通過老師的詳細(xì)講解和案例審講，我對(duì)概 念設(shè)計(jì)，結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)以及研究方法有了更深刻的了解，經(jīng)過作業(yè)的獨(dú)立思考，強(qiáng)化了機(jī)械設(shè)計(jì)的理論，開拓 了思維，最后讓我感受到設(shè)計(jì)其實(shí)并不是一件束手無策的事，只要按照一定的方法就能逐漸進(jìn)入角色

52、。最 后，再次感謝李朝東老師！ 參考文獻(xiàn) [1] 張坤.基于AD-QFD-TRIZ-田口方法的綜合設(shè)計(jì)方法研究[D].天津：天津大學(xué),2009 [2] 劉旭輝，王小平.家用洗碗機(jī)碗籃和外形的設(shè)計(jì)卩].機(jī)電工程技術(shù),2010,15(4). [3] Toma Brundzaite.雙了洗碗機(jī)[J].家電科技,2010,25(3):60-62. [4] 郭圣棟.家用洗碗機(jī)設(shè)計(jì)[J].今日科苑,2008(14). [5] 劉高進(jìn).基于模糊技術(shù)的洗碗機(jī)控制系統(tǒng)研究[J].內(nèi)江科技,2007(7). [6] 黃龍春，熊好平，毛永紅，李思，張志強(qiáng).降噪材料對(duì)洗碗機(jī)噪聲的影響研究[J].家電科f

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