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1、. . 聲波洗碗機的設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計 第一章 緒論 1.1 背景 1.1.1選題的依據(jù)及研究意義 洗碗是一項必不可少的家務(wù)活動,然而過多的油漬讓人對洗碗很是厭煩,洗碗機的出現(xiàn)將會使這項家務(wù)活動變得簡單而有趣。有一點值得注意的是,普通洗碗機需要加入大量的洗滌劑才能達到洗滌干凈的要求,浪費大量水資源且對環(huán)境構(gòu)成污染。 因為超聲波可以穿透固體物質(zhì),而且污染很小,因此人們想到使用超聲波來清洗餐具,于是就出現(xiàn)了現(xiàn)在的超聲波洗碗機。這種超聲波洗碗機的原理是：當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)時,將以極高的頻率壓迫

2、液體介質(zhì)振動,使液體分子產(chǎn)生正負交變的沖擊波。當(dāng)聲強達到一定數(shù)值時,液體中急劇生長微小空化氣泡并瞬時強烈閉合,產(chǎn)生強烈的微爆炸和沖擊波使被清洗物表面的污物遭到破壞,并從被清洗表面脫落下來。雖然每個空化氣泡的作用并不大,但每秒鐘有上億個空化氣泡在作用,就具有很好的清洗效果和超高的潔凈度。 影響超聲清洗效果的因素有很多。除了聲強必須大于空化閥〔即使液體產(chǎn)生空化的最低聲強或聲壓幅值〕外,還與被清洗物等有關(guān)。超聲清洗對聲反射強烈的材料,如金屬、玻璃、塑料等其清洗效果好,而對聲吸收較大的材料,如橡膠、布料等清洗效果較差,碗、盤、盆、碟等從物理學(xué)角度來看屬彈性介質(zhì)物體,用超聲清洗其表面再合適不過了!在洗

3、滌液選用方面,水的粘度不大,有利于清洗,假如把水溫加熱到60℃,此時的空化最活躍,效果也就最好,因而利用超聲波來洗碗是完全可以的。 超聲波洗碗機作為健康環(huán)保的新家電,能夠使人們從繁瑣的家務(wù)活動中解脫出來。 超聲波洗碗機有以下特點： 1、節(jié)水省電、低噪音。 2、清潔度高、沒有死角。 3、不需用專用洗滌劑,環(huán)保。 4、洗碗機結(jié)構(gòu)簡單、使用壽命長。 1.1.2國內(nèi)外洗碗機發(fā)展與現(xiàn)狀 "1929年德國的米勒公司制造出了歐洲第一臺電動家用洗碗機。1954年美國GE公司生產(chǎn)了第一臺電動臺式洗碗機,在洗滌性能和整機體積外形上都有所改善。1978年米勒公司又制造出了世界上第一臺微電腦控制型

4、洗碗機,使人機關(guān)系更為密切,洗碗機的家用性得到了更好的體現(xiàn)。于是越來越多的洗碗機進入西方家庭。在亞洲最早從事洗碗機的研究的是日本,到了九十年代中后期,日本已發(fā)展了微電腦全自動臺式洗碗機。所代表的企業(yè)有松下〔National〕、?三洋〔SANY〕、?三菱〔MITSUB?ISHI〕、東芝〔TOSHIBA〕等。與此同時,歐美則已經(jīng)把家用洗碗機發(fā)展成具有統(tǒng)一形象的廚房家電。歐美所代表的企業(yè)有米勒、?西門子〔SIEMENS〕、?惠而浦〔Whirlpool〕等公司。"國外很多家庭都擁有家用洗碗機,并且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),這種良性循環(huán)使國外的洗碗機

5、產(chǎn)業(yè)煥發(fā)出蓬勃的生機。 目前傳統(tǒng)的噴臂式和渦輪式洗碗機在西方仍然很受歡迎,因為這類洗碗機制造成本低,售價不高,而且很適用于西方餐具的特點,有很好的清洗效率。歐美一些國家開發(fā)出的新型超聲波洗碗機有著低能耗、高效率和環(huán)保的特點,在注重節(jié)能環(huán)保生活的發(fā)達國家也產(chǎn)生了很大的影響。 我國于80年代開始研制洗碗機,但是洗碗機在國內(nèi)并沒有很好的普及。究其原因,首先是因為很多企業(yè)直接引進了國外的洗碗機生產(chǎn)線,雖然在結(jié)構(gòu)上有所改進但是其結(jié)構(gòu)特點和清洗方式仍然不太適合中餐餐具的特性。其次是因為清洗效率低,為了達到效果,增加洗碗機的工作時間,使耗電量太大,不適合普通家庭使用。最后,因為洗碗機普遍體積較大,在房價

6、高昂寸土寸金的中國很難為其提供安放的場所。我國目前生產(chǎn)洗碗機的企業(yè)有海爾、小天鵝、美的等。價格一般在2000元以上。根據(jù)作者在XX市中心幾家國美和蘇寧電器的調(diào)研。商場里僅有海爾的一款家用洗碗機在銷售,其類型是傳統(tǒng)的噴臂式洗碗機,售價在3000元左右。整體來說,中國的洗碗機產(chǎn)業(yè)還處在技術(shù)落后、市場開發(fā)不全的狀態(tài)里。 1.2??國內(nèi)市場上洗碗機的分析 1.2.1 國內(nèi)市場上洗碗機的特點與不足? 以海爾洗碗機為代表分析。市場上相對比較受歡迎的海爾4和6系列。? 4系列???包括WQP4—2、WQP4—3和WQP4—2000A三個型號。采用了上下雙噴淋器使餐具上下部分同時受到噴射水流的直

7、接沖擊,可以得到很好的清洗的效果,并且可以加快洗滌速度,整個過程只有6分鐘。切其過濾網(wǎng)外置于洗碗機前方,方便消費者整理清潔。而且采用了臭氧消毒,提供了很好的衛(wèi)生條件。在運行有故障或門沒有關(guān)好的時候發(fā)出蜂鳴聲。此外,還提供開門保護功能。? 6系列洗碗機???包括WQP6—2、WQP6—2B、WQP6—3型。都采用了800MM高度的設(shè)計。內(nèi)膽為正方體,能讓噴射覆蓋的面積比例達到最大。設(shè)有上下兩個餐具架,可以分別進行清洗,節(jié)約水電。采用的是內(nèi)循環(huán)式干燥系統(tǒng),消除了濕熱空氣的影響。利用新型磁化技術(shù),能防垢、除垢。設(shè)有溢水保護系統(tǒng),可靠安全。臭氧消毒,健康環(huán)保。?總體來說,國內(nèi)的洗碗機已經(jīng)基本能保證清

8、洗效果,并實現(xiàn)了自動化和安全化。??????? 國內(nèi)的洗碗機生產(chǎn)線大多從國外進口,雖然在結(jié)構(gòu)性能上有一定的改良,但仍然不適合我國餐具的特點。洗滌效果并不如想象中好。這是國內(nèi)洗碗機不能占領(lǐng)市場的主要原因。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(nèi)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。最后是結(jié)構(gòu)設(shè)計、材料有缺陷。國內(nèi)洗碗機多為塑料內(nèi)膽,長時間使用之后,內(nèi)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。要想在中國普及洗碗

9、機,開拓市場。必須要結(jié)合中國人的飲食結(jié)構(gòu)、衛(wèi)生習(xí)慣和生活觀念等各種因素。開發(fā)出在清洗技術(shù)和結(jié)構(gòu)材料都合適的新型洗碗機。 第二章?總體方案? 2.1??設(shè)計要求? 設(shè)計的新型超聲波洗碗機必須滿足以下幾點要求： ?〔1〕結(jié)構(gòu)設(shè)計合理,洗碗機能正常工作? 〔2〕清洗后,98％的餐具能達到洗凈標(biāo)準(zhǔn)。? 〔3〕高效率,能在30分鐘內(nèi)完成自動清洗過程。? 〔4〕自動化,人工觸動開關(guān)后,自動工作,并有指示燈提示。 2.2 整體方案設(shè)計 本課題將超聲波技術(shù)應(yīng)用與洗碗機,取代原有的噴臂加洗滌劑洗碗機,效率更高,更加環(huán)保。由于超聲空化作用的良好清

10、洗性能,故能很好的將油污從餐具上清離,再采用噴臂輔助清洗,能達到很好的清洗效果。方案設(shè)計如圖2-1： 自來水通過進水電磁閥流入清洗槽,達到一定水位時,進水電磁閥關(guān)閉,加熱器工作,當(dāng)達到一定溫度時,加熱器停止工作,超聲波系統(tǒng)開啟,進行超聲波清洗,在超聲空化作用下,油污與餐具剝離,一定時間后超聲波系統(tǒng)關(guān)閉,排水電磁閥導(dǎo)通進行排水,當(dāng)排水到低水位時觸動低水位開關(guān),噴臂電磁閥導(dǎo)通進行噴臂輔助清洗,一定時間后洗滌完畢,噴臂閥關(guān)閉,剩余水量由排水閥排出。 1：進水電磁閥； 2：噴臂電磁閥； 3：排水電磁閥； 4：超聲波振子； 5：噴臂 圖2-1 總體方案圖 2.3 本章小結(jié)

11、洗碗機最重要的為清洗系統(tǒng)。一個搞笑的清洗系統(tǒng)能打打提高清洗效果并節(jié)水節(jié)電。采用超聲波清洗既節(jié)能又環(huán)保,其關(guān)鍵技術(shù)在于確定超聲波換能器的功率和聲強等參數(shù)。 第三章 超聲波清洗原理 3.1??超聲波清洗技術(shù)簡介? 1830年,名叫Savart的科學(xué)家用一個大齒輪第一次發(fā)出了人造超聲波。1918年,名叫Langevin的科學(xué)教用石英的壓電效應(yīng)設(shè)計了石英換能器。這是人類第一次設(shè)計出能控制聲波頻率和聲強的超聲裝置?，F(xiàn)在超聲波技術(shù)發(fā)展迅速,在軍事和工業(yè)生產(chǎn)中扮演著重要作用。通

12、常將超聲技術(shù)分為檢測超聲和功率超聲兩類。檢測超聲是利用超聲的波動特性,來采集信息,特別是物質(zhì)的內(nèi)部信息,這是一種超聲的被動應(yīng)用,比如超聲的探傷技術(shù)。功率超聲是超聲的主動應(yīng)用,利用超聲波本身的能量和特性來改變材料的一些有用的性質(zhì)和狀態(tài),比如超聲波清洗技術(shù)。? 通常用的超聲波清洗裝置都采用20~80KHz頻率的超聲,主要應(yīng)用于機械、電子和醫(yī)療等工業(yè),總體來說其應(yīng)用范圍非常廣泛,發(fā)展也是非常迅速。超聲波清洗效率高,易于實現(xiàn)自動控制。對形狀復(fù)雜、造型不規(guī)則的工件有著不可比擬的清洗效果,所以特別適合中餐各種各樣的餐具的洗滌。 3.2 超聲清洗機理 3.2.1 超聲空化作用 超聲空化作用是超

13、聲清洗的最主要機理。在液體中溶解有部分空氣,這些微小氣泡存在于液體中,稱為空化核。當(dāng)超聲波產(chǎn)生時,會帶動液體振動。在這些液體運動的過程中又會融入更多的微氣泡。液體振動時其密度會發(fā)生變化。在液體密度大的地方會對空化核產(chǎn)生正壓力,液體密度小的地方會對空化核產(chǎn)生負壓力。當(dāng)聲壓達到一定值時,這些空化核在受負壓力的時候,會對外迅速膨脹成為較大的氣泡,在正壓力作用下會迅速閉合,產(chǎn)生巨大的沖擊和局部壓力,據(jù)估算閉合時的局部壓力能達到上千個大氣壓。閉合時產(chǎn)生的巨大壓力能沖擊難溶的油污,使其從餐具上脫落。同時閉合的巨大壓力能帶動水中的磨料粒子撞擊餐具表面,是油污脫落。 超聲清洗除了空化作用,還有一系列伴

14、隨作用,具體如下： 微射流：由于空化閉合時,開始是球形,然后不對稱閉合,形成一個指向餐具表面的液體射流,其速度大于100m/s,對餐具上殘留的油污形成沖擊,同時增大了洗滌液的滲透作用,稱為聲學(xué)毛細管效應(yīng)。? 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(chǎn)生環(huán)流,叫做聲流,它能使振動氣泡表面產(chǎn)生高達90Mpa的粘滯應(yīng)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。 3.3??超聲空化閥? 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。只有當(dāng)交變聲壓幅值大于靜壓力產(chǎn)生的

15、負壓力大于液體結(jié)構(gòu)強度時才會產(chǎn)生空化作用。?空化閥Pc表示為： 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(shù)。 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。可見,不同液體的空化閥不同,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。?此外,由經(jīng)驗公式： 可以得出空化閥與沾滯系數(shù)的關(guān)系。μ為沾滯系數(shù)。? 并且聲波的頻率越高空化閥也越高。當(dāng)聲波頻率超過4.8MHZ的時候,空化空化閥接近10Mpa。 ? 第四章??超聲清洗參數(shù)選定? 4.1??影響超聲波清洗效果的因素?

16、 4.1.1?聲強? 聲強是單位體積的聲波功率。根據(jù)對超聲空化閥的研究知道,只有交變聲壓幅值超過液體靜壓力時才能出現(xiàn)負壓,當(dāng)負壓超過液體強度時才能產(chǎn)生空化。而這個最低的聲強稱為空化閥。當(dāng)聲強越大的時候,空化強度也越大,此時的清洗效果更好。但是當(dāng)聲強過大的時候會在聲源表面產(chǎn)生過量氣泡形成阻隔聲波傳播的屏障。聲波能量在傳播的過程中會逐漸減弱。就水而言,其空化閥約1/3W每立方厘米。在超聲清洗中,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(nèi),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)

17、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1W/cm2---2W/cm2之間。 4.1.2?頻率? 在同樣的液體中,聲波的頻率越高,產(chǎn)生空化作用所需的聲強越大。所以如果選取的超聲波頻率越低則越容易產(chǎn)生空化作用。并且在低頻的時候,空化核從膨脹到閉合的過程越長,所以在閉合前能有更大的閉合半徑,這樣,閉合時能產(chǎn)生更大的閉合強度,對污漬的清洗效果更好。但是,當(dāng)頻率低于20KHz的時候會有噪音,對人體產(chǎn)生傷害,更重要的是,過低的頻率會讓空化核不能閉合,不能產(chǎn)生空化作用。所以,通常會選擇20KHz~40KHz作為清洗的頻率范圍。由于清洗的為陶瓷玩具,清洗槽規(guī)格為400×400×430,所

18、以這里選擇28KHz。 4.1.3?清洗液? ??選擇清洗液的時候要考慮三點。第一是清洗液本身的對污染物的清洗能力。第二是清洗液的粘度和表面張力對超聲空化作用的影響。最后是清洗液對環(huán)境是否有污染。在超聲空化作用中,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,并且由于水的污染小,粘度小,表面張力大,所以綜合考慮后,選取自來水為清洗液。 4.2?超聲場的研究? 4.2.1?空化強度的測量? 因為空化核運動不是線性,所以在一個超聲場中,很難知道空化強度的分布情況。但同時由于空化作用產(chǎn)生的

19、局部高溫高壓會使水分子H2O分裂成離子H-和-OH,所以可以通過測量離子在清洗液中的局部密度來間接測量空化的強度。 由于條件限制,這里參考知網(wǎng)專利論文得出實驗結(jié)論： 1：超聲波空化強度從離聲源近的地方開始逐漸增強,在中部的時候達到最大,隨后逐漸減弱。其原因是過多的空化氣泡會形成聲波屏障,會影響聲波的傳遞,所以在遠的地方,空化強度反而減弱。 2：無掃頻作用的清洗效果差。因為在清洗槽的有限空間內(nèi),為避免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。而掃頻可以避免駐波形成。只要使超聲頻率在合理的范圍內(nèi)變化。 3、相同情況下。雙面作用強度比單面作

20、用低。因為,雙面的時候超聲波會發(fā)生干涉,影響清洗效果。? 4、單面掃頻的清洗效果最好。 4.3?選取參數(shù)? 4.3.1?超聲清洗參數(shù) 超聲功率、清洗時間、水溫是影響超聲清洗的主要因素。 超聲功率密度： P=發(fā)射功率〔W〕/發(fā)射面積〔cm2〕； 通常 P≥ 0.3W/cm2,在液體中傳播的超聲波能對物體表面的污物記性清洗,其原理用空化閥表示,超聲波振動在液體中傳播的音波壓強打到一個大氣壓時,其功率密度為0.35W/cm2,這是超聲波的音波壓強峰值就可打到真空或者負壓,但實際上無負壓存在,因此在液體中產(chǎn)生一個很大的壓力。綜上,功率密度應(yīng)選在0.35—1W/cm2之間。 超

21、聲清洗時間：一般根據(jù)污垢的的不同,單次清洗時間為3—10分鐘不等,鑒于中國人飲食習(xí)慣偏向油膩,這里將超聲清洗時間定為10分鐘。 水溫：這里將清洗水溫定在50℃ 4.4 本章小結(jié) 經(jīng)上述對超聲空化強度及對基本參數(shù)設(shè)計計算,該家用超聲波洗碗機的基本參數(shù)被確定為：工作溫度為50℃,清洗時間為10min,功率密度為0.35—1W/cm2之間,頻率為28Khz,超聲單面放射,采用掃頻,餐具朝向超聲波發(fā)射面。 主要流程為：進水---加熱至工作水溫---超聲清洗10min---噴臂清洗1min

22、 第五章?超聲波洗碗機結(jié)構(gòu)設(shè)計? 5.1??整體方案設(shè)計 在設(shè)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(yīng)開關(guān),過濾網(wǎng)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,箱體,碗籃,底座等。 5.2??各重要部件設(shè)計 5.2.1?清洗槽? 清洗槽材質(zhì)為201不銹鋼板,內(nèi)箱尺寸400×400×4

23、30mm,各個平面過度的地方倒圓角。由于超聲水化腐蝕的影響,所以對洗滌槽的槽壁會有一定的損耗,長時間積累后會使超聲清洗的一些參數(shù)發(fā)生變化,所以選擇耐腐蝕性好的3mm不銹鋼板。清洗槽內(nèi)焊接一個凸臺,用于噴臂的固定。清洗槽底部與箱體有一定距離,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。 5.2.2?進排水系統(tǒng) 進排水系統(tǒng)主要由電磁閥,過濾芯,水位感應(yīng)系統(tǒng),進水管,排水管等組成。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(yīng)開關(guān)啟動,清洗完畢后,廢水經(jīng)過濾芯,排水口排出。水管材料選PVC管。 5.2.3?水位感應(yīng)系統(tǒng) 選最為簡單易控制的方式來進行水位的感應(yīng)

24、和控制,根據(jù)超聲波洗滌的情況,選連桿式浮球液位開關(guān)來控制。這種方式的技術(shù)核心是干簧管。干簧管可以作為磁接近開關(guān)或者繼電器使用,比一般機械開關(guān)體積小、速度高、工作壽命長,與電子開關(guān)相比,它又有抗負載沖擊能力強的特點,工作可靠性很高。干簧管結(jié)構(gòu)具體如圖5-1：? 圖5-1 干簧管結(jié)構(gòu)示意圖 水位感應(yīng)器外部套有一個帶磁鐵的浮力小球,當(dāng)水位上升下降的時候,浮力小球會隨之升降,當(dāng)浮力小球到達高低水位開關(guān)的時候會使干簧管中的兩個簧片接觸導(dǎo)通,從而導(dǎo)通開關(guān),觸發(fā)下一步。當(dāng)浮力小球第一次到達高水位開關(guān)時,會接通高水位開關(guān)的干簧管簧片,使其導(dǎo)通,從而觸發(fā)控制系統(tǒng)使加熱器工作。排水時,當(dāng)浮力小球到達低水位

25、開關(guān)時,會接通低水位開關(guān)的干簧管簧片,使其導(dǎo)通,從而觸發(fā)控制系統(tǒng)使噴臂泵工作。其示意圖如下 圖5-2 水位感應(yīng)器結(jié)構(gòu)示意圖 5.2.4 噴臂系統(tǒng)? 管道用PVC材料的管和接頭,并用PVC膠進行密封。PVC也稱為聚氯乙烯,它的特點是造價低、可回收利用、強度高、性能穩(wěn)定、安全衛(wèi)生。 超聲波結(jié)束后的噴臂清洗是很重要的一個步驟。可以將超聲清洗后殘留的油污徹底清除。當(dāng)水在噴臂泵的帶動下會從噴臂孔中噴出,水流沖擊到碗具上,利用水的沖擊對殘留進行沖洗。噴臂系統(tǒng)參照淋浴噴淋頭進行設(shè)計,采用圓形噴頭,噴孔密集排布于噴頭之上。噴臂水管與進水管之間采用水管接頭連接,連接處采用尼龍擋

26、水圈密封,防止水露出。清洗槽內(nèi)焊接有凸臺,用于固定噴臂與進水管。 圖5-3 噴臂結(jié)構(gòu)示意圖 5.2.5?超聲波發(fā)生器? 超聲波最主要的兩個部分就是超聲發(fā)生器和超聲換能器。其中超聲發(fā)生器是產(chǎn)生電磁振蕩信號并提供能量的工作部分,而超聲換能器才是最終實現(xiàn)超聲振動的工作部分。超聲發(fā)生器是一個大功率的信號發(fā)生器,它的作用就是給超聲換能器一個一定頻率的電磁振蕩能量,當(dāng)此頻率與超聲換能器的諧振頻率相等時,就產(chǎn)生共振。為了能讓超聲發(fā)生器更好的為超聲換能器提供頻率準(zhǔn)確、功率較高的信號和能量。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： 〔1〕頻率自動跟蹤問題：因為換能器的諧

27、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(zhuǎn)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(shù)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(dǎo)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

28、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(diào)作用。所以匹配的好壞直接影響到功率超聲源的產(chǎn)生和效率。 根據(jù)要求,確定超聲波設(shè)計參數(shù)： 保險座:在輸出過載或超聲換能器工作異常時及時斷開電源,保護超聲波發(fā)生器;?頻率微調(diào):超聲波輸出頻率為28K,但在一定范圍內(nèi)連續(xù)可調(diào),在不同的工況條件下調(diào)整

29、微調(diào)使換能器始終工作在最佳狀態(tài)下,換能效率達到最大;? 掃頻:在清洗過程中使超聲頻率在合理范圍內(nèi)往復(fù)掃動,帶動清洗液形成細微回流,使工件污垢在被超聲剝離的同時迅速帶離工件表面,大大縮短工件清洗時間,提高清洗效率,以達到快速清洗的目的。 功率可調(diào):根據(jù)所確定的清洗槽的尺寸,確定最大功率為800W,可實現(xiàn)本機輸出功率的10%一100%連續(xù)可調(diào)<但通過試驗,選擇洗碗機的功率為30OW>。 根據(jù)以上要求,綜合考慮選用XX科美達公司生產(chǎn)的KMD—300型超聲波發(fā)生器,其規(guī)格為220×210×100mm,功率為300W,清洗溫度50℃,頻率可調(diào)28Khz 5.2.6? 超聲波換能器 ? 超

30、聲波換能器是一種將機械能,高頻電能轉(zhuǎn)化為聲能的裝置。超聲發(fā)生器產(chǎn)生的的高頻電信號引起換能器內(nèi)換能材料中電磁場的變化,對換能器的機械振動部分產(chǎn)生一個推動力,使之進入振動狀態(tài),接著導(dǎo)致與機械振動系統(tǒng)相連的介質(zhì)振動,向介質(zhì)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(zhuǎn)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(zhì)之間獲得熱學(xué)和化學(xué)上的隔絕。換能器示意圖如圖5-4： 圖5-4 超聲

31、波換能器結(jié)構(gòu)示意圖 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(zhuǎn)換效率高,功率容量大以及結(jié)構(gòu)形狀等可以根據(jù)實際要求自行設(shè)計等優(yōu)點而廣泛使用。 超聲波振子參數(shù)設(shè)定：根據(jù)清洗槽側(cè)面積為400×430=172000mm2=1720cm2,由于功率密度應(yīng)在0.35—1W/cm2,所以在側(cè)面安裝9個超聲波振子,振子功率選擇100W。功率密度可達900W/1720cm2=0.52W/cm2。 頻率選28Khz。 綜上,這里選擇XX科美達公司生產(chǎn)的HS—3828型超聲波換能器,其規(guī)格為：59×68mm,阻抗≤20Ω,頻率28Khz正負0.5Khz可調(diào),功率為100W,最

32、高可用溫度120℃。 分別將換能器和清洗槽壁粘結(jié)處進行噴沙處理,清洗干凈后,按一定工藝進行粘結(jié),要求粘合平整,粘合面有足夠的強度。 5.2.7 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,通過實驗測定加熱器功率加熱到50℃的時間為4分鐘左右,所有加熱4分鐘后加熱器停止工作。加熱器內(nèi)有電阻絲構(gòu)成,上面用不銹鋼輻射板遮蓋,下面設(shè)置一層陶瓷纖維隔熱層。其結(jié)構(gòu)示意圖如圖 圖5-5 加熱器結(jié)構(gòu)圖 5.3 本章小結(jié)? 對洗碗機各個重要部件的材料、型號、大小、位置進行了選取和設(shè)計,

33、畫出A0號裝配圖。結(jié)構(gòu)基本合理,能達到設(shè)計要求。但很多地方的設(shè)計比較粗糙,比如排水頭的設(shè)計。 第六章?控制系統(tǒng) 6.1 控制邏輯 由方案設(shè)計可得出洗碗機工作流程圖： 進水---加熱---超聲清洗---排水---噴臂清洗---排水。 編輯控制邏輯圖如下： 圖6-1 清洗流程圖 6.2 處理器選擇 根據(jù)邏輯圖選擇PLC控制器,這里選用西門子CPU224 其參數(shù)為： 100—230V?AC電源；? 24V?DC輸入；? 繼電器輸出；?

34、 本機集成14輸入/10輸出；? 共24個數(shù)字量I/O點；? 可連接7個擴展模塊；? 最大擴展至168路數(shù)字量I/O點或35路模擬量I/O點；? 13Ｋ字節(jié)程序和數(shù)據(jù)存儲空間；? ６個獨立的30KHZ高數(shù)計數(shù)器；? 2個獨立的20KHZ高數(shù)脈沖輸出； 具有PID控制器；? 1個RS485通訊/編程口；? 具有PPI通訊協(xié)議。 第七章總 結(jié) 本文是以"新型超聲波洗碗機"課題為研究背景的。洗碗機生產(chǎn)技術(shù)在國外已經(jīng)比較成熟,但它主要適

35、合國外以碟、盤等扁平狀的餐具。而我國是以碗為主要餐具的國家,碗具類型、規(guī)格、式樣五花八門,碗的凹度大,且比較油膩?，F(xiàn)有洗碗機大多采用噴臂式,水流較強,但是沖刷點還是有可能不能遍布碗壁各處,洗滌效果并不如洗碗機生產(chǎn)廠家標(biāo)榜的那樣好,且均需專用的洗滌劑。迄今為止,超聲波清洗技術(shù)在家用洗碗機的應(yīng)用在我國還屬空白。在世界上人口最多的中國,洗碗機有很廣闊的消費市場,尤其是無需任何洗滌劑的超聲波洗碗機。因此,本課題所作的研究工作具有非常重要的意義。本文完成了預(yù)定的所有任務(wù)?，F(xiàn)把設(shè)計中具有的優(yōu)點和創(chuàng)新之處總結(jié)如下 1.洗滌方式獨特。采用超聲波清洗,在洗滌過程中不需加入任何洗滌劑,避免了洗滌劑對環(huán)境的污染,

36、省去了沖洗洗凈劑和購買專用洗滌劑的麻煩,節(jié)約時間,也省電。同時,除超聲清洗外,還配備噴臂沖洗,使清洗更加徹底,避免了清洗死角。此外,在超聲清洗的排水過程中,加上噴臂,這解決了超聲清洗存在的油污會重新勃附餐具的缺點。這是本設(shè)計最突出的優(yōu)點。 2.選材新穎。采用不銹鋼清洗槽。長期使用洗碗機也不易有異味,且容易清洗。 設(shè)計缺陷： 1.對于洗碗過程中的食物殘渣,雖洗碗機中設(shè)有過濾裝置,但最終還是需要人工把它拿出,這并不能體現(xiàn)出洗碗機的全自動化。 2.此洗碗機僅作為洗碗,可適當(dāng)考慮讓其與洗瓜果蔬菜結(jié)合起來,達到一機多用,這樣更易得到消費者的認(rèn)可,有利于此類產(chǎn)品的普及。 3.洗滌程序不完善。對于

37、一臺經(jīng)濟而實用的智能洗碗機,除具有標(biāo)準(zhǔn)洗滌程序外,還要具備可以根據(jù)用戶的不同要求設(shè)置不同的洗滌方式。 如果沒有消費者的高度認(rèn)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(chǎn)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。 致 謝 本設(shè)計是在李玉平老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的,李玉平老師在我的畢業(yè)設(shè)計寫作過程中,嚴(yán)格要求,精心指導(dǎo),對我不清楚的問題進行了認(rèn)真的解答,并為我指出更正了設(shè)計中的不當(dāng)之處,使我在整個過程

38、中少走了很多彎路,在這里,對李玉平老師表示特別感謝。另外,在畢業(yè)設(shè)計寫作過程中,各位同學(xué)也給予了我很大的的幫助,使我感受到了合作和信息共享的重要性。 參考文獻： [ 1 ] 林仲茂, 方啟平. 超聲波清洗< Ⅱ> [J] .化學(xué)清洗, 1998, <5>: 41-44. [ 2 ] 林仲茂, 方啟平. 超聲波清洗< Ⅲ> [J] . 化學(xué)清洗, 1998, <6>: 44-46. [ 3 ] 任建新, 物理清洗 [ M ] .: 化學(xué)工業(yè), 2000. [ 4 ]

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40、 劉晉春、趙家齊、趙萬聲．特種加工[M]?．：機械工業(yè)：2001 [12] 成大先．機械設(shè)計手冊[M]．：化學(xué)工業(yè),2003：212-224． 附錄一:英文文獻原文 Optimized Kinematics of Mechanical Presses with Noncircular Gears E. Doege< l > , M. Hindersmann Received on January 8, 1997 Abstract：The quality of parts manufactured using metal form

41、ing operations depends to a large degree on the kinematics of the press ram. Non-circular gearsy to obtain those stroke-time behaviours we aim at as an optimum for the various metal forming ope with a rotational-angle-dependent speed ratio in the press drive mechanism offer a new wa rations in terms

42、 of manufacturing. The paper explains the principle using a prototype press which was built by the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools at HanoverUniversity. It will present the kinematics as well as the forces and torques that occur in the prototype. Furthermore, the paper de

43、monstrates using one example of deep drawing and one of forging that the press drive mechanism with non-circular gears may be used advantageously for virtually all metal forming operations. Keywords: Press, Gear, Kinematics 1 lntroductior Increasing demands on quality in all areas of manufact

44、uring engineering, in sheet metal forming as well as in forging, go hand in hand with the necessity to make production economical. Increasing market orientation requires that both technological and economic requirements be met. The improvement of quality, productivity and output by means of innovati

45、ve solutions is one of the keys to maintaining and extending one's market position.In the production of parts by metal forming, we need to distinguish between the period required for the actual forming process and the times needed to handle the part. With some forming processes we have to add time

46、for necessary additional work such as cooling or lubrication of the dies. This yields two methods of optimization, according to the two aspects of quality and output. In order to satisfy both aspects, the task is to design the kinematics taking into account the requirements of the process during for

47、ming; also to be considered is the time required for changing the part as well as for auxiliary operations in line with the priority of a short cycle time. 2 Pressing Machine Requirements One manufacturing cycle, which corresponds to one stroke of the press goes through three stages: loading,formi

48、ng and removing the part. Instead of the loading and removal stages we often find feeding the sheet, especially in sheer cutting. For this, the press ram must have a minimum height for a certain time. During the forming period the ram should have a particular velocity curve,which will be gone into b

49、elow. The transitions between the periods should take place as quickly as possible to ensure short cycle time. The requirement of a short cycle time is for business reasons, to ensure low parts costs via high output. For this reason stroke numbers of about 24/min for the deep drawing of large automo

50、tive body sheets and 1200/min for automatic punching machines are standard practice.Increasing the number of strokes in order to reduce cycle times without design changes to the pressing machine results in increasing strain rates, however. This has a clear effect on the forming process, which makes

51、it necessary to consider the parameters which determine the process and are effected by it. In deep drawing operations, the velocity of impact when striking the sheet should be as low as possible to avoid the impact. On the one hand, velocity during forming must be sufficient for lubrication. On th

52、e other hand, we have to consider the rise in the yield stress corresponding to an increase in the strain rate which creates greater forces and which may cause fractures at the transition from the punch radius to the side wall of the part. In forging, short pressure dwell time is desirable. As the

53、pressure dwell time drops the die surface temperature goes down and as a result the thermal wear This is counteracted by the enhanced mechanical wear due to the greater forming force, but the increase due to the strain rate is compensated by lower yield stress because of the lower cooling of the par

54、t. The optimal short pressure dwell can nowadays be determined quantitatively using the finite element method [3]. In addition to cost avoidance due to reduction in wear, short pressure dwell time is also an important technological requirement for the precision forging of near net shape parts, which

55、 has a promising future. The requirements of high part quality and high output will only be met by a machine technology which takes into account the demands of the metal forming process in equal measure to the goal of decreasing work production costs. Previous press designs have not simultaneously

56、met these technological and economical requirements to a sufficient extent, or they are very costly to design and manufacture, such as presses with link drives [6]. This makes it necessary to look for innovative solutions for the design of the press. Its design should be largely standardized and mo

57、dularized in order to reduce costs [6]. Fig 1. Prototype press 3 Press Drive with Noncircular Gears 3.1Principle The use of non-circular gears in the drive of mechanical crank presses offers a new way of meeting the technological and economic demands on the kinematics of the press ram. A pair

58、of non-circular gears with a constant center distance is thus powered by the electric motor, or by the fly wheel, and drives the crank mechanism itself.The uniform drive speed is transmitted cyclically and non-uniformly to the eccentric shaft by the pair of noncircular gears. If the non-circular ge

59、ar wheels are suitably designed, the non-uniform drive of the driven gear leads to the desired stroke-time behaviour of the ram. Investigations at the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools of HanoverUniversity have shown that in this simple manner all the relevant uninte

60、rrupted motions of the ram can be achieved for various forming processes [2]. Apart from, the advantages of the new drive, which result from the kinematics and the shortened cycle time, the drive concept is distinguished by the following favourable propertties. Because it is a mechanical press, hig

61、h reliability and low maintenance may be expected. In comparision to linkage presses the number of parts and bearings is clearly reduced. Above all, a basic press type can be varied without further design changes by installing different pairs of gears, designed according to the demands of the custo

62、mer. Unlike link drives, bearing locations and installations do not change within one load class as a result of different kinematics. Thus the above mentioned requirement of modularization and standardization is taken into account Reductions in time and costs are possible for the design and press m

63、anufacture. 3.2 Prototype At the Institute for Metal Forming and Metal Forming Machine Tools a C-frame press has been remodeled and a pair of non-circular gears was installed. The previous backgears were replaced by a planetary gear set for this purpose. The work carried out shows that remo

64、deling of existing presses for the new drive is possible. The state of the press at the end of the remodelling is shown in fiqure 1. The press is designed for a nominal ram force of 1,000 kN and 200 kN of the die cushion. The center distance of the non-circular gears is 600 mm. The pair of non-circu

65、lar gears has an average transmission ratio of 1.Each gear wheel has 59 gear teeth, straight-toothed,module 10 mm . The face width is 150 mm. The gears have involute gear teeth. We assume a non-circular base curve for the design of the flank geometry. As a result the tooth geometry of a no

66、n-circular gear varies along the circumference. In spite of this, it can be derived from the well-known trapezium rack, however [4, 51. An algorithm for the computation, which takes the addendum and dedendum into account exactly, has been developed. Fig. 2 View of the gears from the rear The press is designed for deep drawing of flat parts in single stroke operation mode. The maximum ram stroke is 180 mm, the number of strokes 32/min. At a stroke of 140 mm the ram velocity almost remains con