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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生
畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書
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學(xué)生姓名
盧宇翔?
學(xué)??? 號
200940614302?
年級專業(yè)及班級
2009級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化(3)班
指導(dǎo)教師及職稱
莫亞武???副教授
學(xué)??? 院
工學(xué)院?
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2012年12月3日
填 寫 說 明
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一、畢業(yè)論文（設(shè)計）任務(wù)書是學(xué)校根據(jù)已經(jīng)確定的畢業(yè)論文（設(shè)計）題目下達(dá)給學(xué)生的一種教學(xué)文件，是學(xué)生在指導(dǎo)教師指導(dǎo)下獨立從事畢業(yè)論文（設(shè)計）工作的依據(jù)。此表由指導(dǎo)教師填寫。
二、此任務(wù)書必需針對每一位學(xué)生，不能多人共用。
三、選題要恰當(dāng)，任務(wù)要明確，難度要適中，份量要合理，使每個學(xué)生在規(guī)定的時限內(nèi)，經(jīng)過自己的努力，可以完成任務(wù)書規(guī)定的設(shè)計研究內(nèi)容。
四、任務(wù)書一經(jīng)下達(dá)，不得隨意更改。
五、各欄填寫基本要求。
（一）畢業(yè)論文（設(shè)計）選題來源、選題性質(zhì)和完成形式：
請在合適的對應(yīng)選項前的“□”內(nèi)打“√”，科研課題請注明課題項目和名稱，項目指“國家青年基金”等。
（二）主要內(nèi)容和要求：
1．工程設(shè)計類選題
明確設(shè)計具體任務(wù)，設(shè)計原始條件及主要技術(shù)指標(biāo)；設(shè)計方案的形成（比較與論證）；該生的側(cè)重點；應(yīng)完成的工作量，如圖紙、譯文及計算機(jī)應(yīng)用等要求。
2．實驗研究類選題
明確選題的來源，具體任務(wù)與目標(biāo)，國內(nèi)外相關(guān)的研究現(xiàn)狀及其評述；該生的研究重點，研究的實驗內(nèi)容、實驗原理及實驗方案；計算機(jī)應(yīng)用及工作量要求，如論文、文獻(xiàn)綜述報告、譯文等。
3．文法經(jīng)管類論文
明確選題的任務(wù)、方向、研究范圍和目標(biāo)；對相關(guān)的研究歷史和研究現(xiàn)狀簡要介紹，明確該生的研究重點；要求完成的工作量，如論文、文獻(xiàn)綜述報告、譯文等。
（三）主要中文參考資料與外文資料：
在確定了畢業(yè)論文（設(shè)計）題目和明確了要求后，指導(dǎo)教師應(yīng)給學(xué)生提供一些相關(guān)資料和相關(guān)信息，或劃定參考資料的范圍，指導(dǎo)學(xué)生收集反映當(dāng)前研究進(jìn)展的近1－3年參考資料和文獻(xiàn)。外文資料是指導(dǎo)老師根據(jù)選題情況明確學(xué)生需要閱讀或翻譯成中文的外文文獻(xiàn)。
（四）畢業(yè)論文（設(shè)計）的進(jìn)度安排：
1．設(shè)計類、實驗研究類課題
實習(xí)、調(diào)研、收集資料、方案制定約占總時間的20%；主體工作，包括設(shè)計、計算、繪制圖紙、實驗及結(jié)果分析等約占總時間的50%；撰寫初稿、修改、定稿約占總時間的30%。
2．文法經(jīng)管類論文
實習(xí)、調(diào)研、資料收集、歸檔整理、形成提綱約占總時間的60%；撰寫論文初稿，修改、定稿約占總時間的40%。
六、各欄填寫完整、字跡清楚。應(yīng)用黑色簽字筆填寫，也可使用打印稿，但簽名欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。
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畢業(yè)論文
（設(shè)計）題目
家用超聲波洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計?
選題來源
□結(jié)合科研課題?? 課題名稱：????????????????????????????????????????
■生產(chǎn)實際或社會實際?????????? □其他???
選題性質(zhì)
□基礎(chǔ)研究????? ■應(yīng)用研究???? □其他
題目完成形式
□畢業(yè)論文????? ■畢業(yè)設(shè)計???? □提交作品，并撰寫論文
主要內(nèi)容和要求
以超聲波清洗原理為理論基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)有洗碗機(jī)不同洗滌方式的比較，結(jié)合超聲清洗的特點和餐具洗滌的要求，對超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括清洗槽、超聲系統(tǒng)、進(jìn)水和排水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、碗架和外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。要求其結(jié)構(gòu)緊湊，便于控制。
主要內(nèi)容：
1. 了解超聲波理論及其發(fā)展，加深對超聲波清洗的認(rèn)識與了解。????????????????
2. 超聲波振子與清洗效果的關(guān)系研究與結(jié)構(gòu)設(shè)計?????????????????????????????????????????????????????????????????????????????????
3. 對超聲波洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計
4. 對超聲波發(fā)生器進(jìn)行設(shè)計
基本要求：
1．認(rèn)真收集有關(guān)資料，熟悉有關(guān)專用機(jī)械的設(shè)計方法，正確使用各類工具書；掌握有關(guān)工程設(shè)計的程序、方法和技術(shù)規(guī)范；鍛煉分析與解決工程實際問題的能力。
2．在設(shè)計中應(yīng)樹立正確的設(shè)計思想，培養(yǎng)嚴(yán)肅認(rèn)真的科學(xué)態(tài)度，嚴(yán)謹(jǐn)求實的工作作風(fēng)。
3．學(xué)生應(yīng)按時完成所規(guī)定的內(nèi)容和工作量，撰寫設(shè)計計算說明書，并正確繪制有關(guān)工程圖；
4．畢業(yè)設(shè)計說明書應(yīng)包括與設(shè)計題目相關(guān)的闡述說明及計算，內(nèi)容完整，文字流暢，符合畢業(yè)論文規(guī)范。
5．設(shè)計裝配圖，部件圖，零件圖。
6．總圖紙工作量不少于3張A0圖幅，說明書不少于12000字。
注：此表如不夠填寫，可另加附頁。
主要中文參考資料與外文資料
[1]施靜發(fā)．小型家用洗碗機(jī)大有可為[J]．天津輕工，1989，7（5）：19-25．
[2]王向紅、毛漢領(lǐng)．超聲波洗碗機(jī)的設(shè)計構(gòu)想[J] ．廣西民族學(xué)院學(xué)報，2003，5（2）：33-35．
[3]袁易全．近代超聲原理與應(yīng)用[M] ．南京：南京大學(xué)出版社，1996：55-64．
[4]莊開達(dá)．家用洗碗機(jī)的外觀與工業(yè)設(shè)計[J] ．家電科技，2002，10（4）：41-42．
[5]李玉平、周里群．超聲波洗碗技術(shù)[J] ．家電科技，2004，12（5）：155-156．
[6]任建新．物理清洗[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：322-383．
[7]劉晉春、趙家齊、趙萬聲．特種加工[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社：2001
[8]徐蘇聲、陳晏如．家用電動器具原理及設(shè)計[M] ．北京：中國輕工業(yè)出版社：1997
[9]成大先．機(jī)械設(shè)計手冊[M]．．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：212-224．
[10]趙凱華，陳熙謀．電磁學(xué)[M]．北京：人民教育出版社，1978, 334.
工作進(jìn)度安排
起止日期
主要工作內(nèi)容
?2012.12.03~2013.01.31
?熟悉題目要求，查閱文獻(xiàn)，收集資料，完成開題報告
?2013.02.01~2013.02.28
?設(shè)計方案擬訂，完成文獻(xiàn)綜述
?2013.03.01~2013.03.31
?設(shè)計計算，草圖繪制，撰寫初稿，進(jìn)行中期檢查
?2013.04.01~2013.04.30
?繪制裝配圖及零件圖，撰寫設(shè)計說明書
?2013.05.01~2013.05.13
?提交正稿給指導(dǎo)老師評閱，參加學(xué)院預(yù)審
?2013.05.14~2013.05.26
?根據(jù)評閱人意見進(jìn)行修改，準(zhǔn)備答辯
?2013.05.26~2013.05.30
?根據(jù)答辯組意見修改，給指導(dǎo)老師復(fù)審定稿，按規(guī)范要求裝訂
?2013.06.01
?提交畢業(yè)設(shè)計所有材料
要求完成日期：20??? 年??? 月??? 日??????? 指導(dǎo)教師簽名：? ??????????????????????
審查日期：20??? 年??? 月??? 日??????????? 專業(yè)委員會主任簽名： ?????????????????
批準(zhǔn)日期：20??? 年??? 月??? 日??????????? 學(xué)院指導(dǎo)委員會簽名（公章）：??????????
接受任務(wù)日期：20??? 年??? 月??? 日? ??????學(xué)生本人簽名：???????? ???????????????
注：簽名欄必須由相應(yīng)責(zé)任人親筆簽名。此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生
畢業(yè)論文（設(shè)計）開題報告
學(xué)生姓名
盧宇翔
學(xué) 號
200940614302
年級專業(yè)及班級
09機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
機(jī)電（3）班
指導(dǎo)教師及職稱
莫亞武 副教授
學(xué) 院
工學(xué)院
20 年 月 日
畢業(yè)論文（設(shè)計）題目
家用超聲波洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
文獻(xiàn)綜述（選題研究意義、國內(nèi)外研究現(xiàn)狀、主要參考文獻(xiàn)等，不少于1000字）
洗碗是一個家庭每天必須做的家務(wù)，尤其在中國，人們喜歡飯后馬上洗碗，這無疑給家庭帶來了較大的負(fù)擔(dān)。因而被稱為繼洗衣機(jī)之后“對人手第二次解放”的洗碗機(jī)作為具有“餐后革命”邁向健康新生活的美譽(yù)的新一代時尚家電能夠使人們從繁瑣的家務(wù)勞動中解脫出來。然而，隨著人們使用普通洗碗機(jī)以來，發(fā)現(xiàn)在普通洗碗機(jī)存在著許多不足人意的地方：價格高、洗碗時間長、工作噪音較大、結(jié)構(gòu)復(fù)雜、一般需用專用洗滌劑、排放的殘余洗滌劑影響環(huán)境、長久使用需清潔內(nèi)膽等等，在新世紀(jì)科技水平不斷提高，人們節(jié)約、環(huán)保意識的增強(qiáng)，存在著諸多不足的普通洗碗機(jī)很難得到更多的支持與接受，因此，超聲波應(yīng)用技術(shù)不斷成熟與進(jìn)步的今天，超聲波洗碗機(jī)也就應(yīng)命而生了。
1. 文獻(xiàn)檢索關(guān)鍵詞：洗碗機(jī)（?dishwasher） 廚房機(jī)械 家用電器
2. 施靜發(fā)．小型家用洗碗機(jī)大有可為[J]．天津輕工，1989，7（5）：19-25．
3. 王向紅、毛漢領(lǐng)．超聲波洗碗機(jī)的設(shè)計構(gòu)想[J] ．廣西民族學(xué)院學(xué)報，2003，5（2）： 33-35．
4.袁易全．近代超聲原理與應(yīng)用[M] ．南京：南京大學(xué)出版社，1996：55-64．
5.莊開達(dá)．家用洗碗機(jī)的外觀與工業(yè)設(shè)計[J] ．家電科技，2002，10（4）：41-42．
6.李玉平、周里群．超聲波洗碗技術(shù)[J] ．家電科技，2004，12（5）：155-156．
7.任建新．物理清洗[M]．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2000：322-383．
8.劉晉春、趙家齊、趙萬聲．特種加工[M] ．北京：機(jī)械工業(yè)出版社：2001
9.徐蘇聲、陳晏如．家用電動器具原理及設(shè)計[M] ．北京：中國輕工業(yè)出版社：1997
10.成大先．機(jī)械設(shè)計手冊[M]．．北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2003：212-224．
11.趙凱華，陳熙謀．電磁學(xué)[M]．北京：人民教育出版社，1978, 334.
注：此表如不夠填寫，可另加頁。
研究方案（研究目的、內(nèi)容、方法、預(yù)期成果、條件保障等）
研究目的：進(jìn)入90年代，科學(xué)技術(shù)的巨大變革也促使超聲波清洗技術(shù)快速發(fā)展，其性能和應(yīng)用領(lǐng)域獲得前所未有的突破：大型的、連續(xù)化的超聲波清洗設(shè)備改變了傳統(tǒng)的小型設(shè)備形象；化學(xué)合成技術(shù)極大的豐富了傳統(tǒng)的超聲波清洗工藝軟件；新的應(yīng)用領(lǐng)域不斷擴(kuò)展；超聲波帶來更多有利于環(huán)境保護(hù)的清洗手段，超聲波清洗技術(shù)需要重新被人們認(rèn)識。超聲波清洗技術(shù)有著新的理念，符合當(dāng)今人文發(fā)展的社會發(fā)展大主題，順應(yīng)著人民對生活方式的追求，當(dāng)科技和生活水平的不斷提高，超聲波洗碗機(jī)有著她廣闊的發(fā)展舞臺，倍受廣大消費者的喜愛。必將促進(jìn)我國超聲波技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展與完善，提高我國人民飲食質(zhì)量。超聲波洗碗機(jī)，采用超聲技術(shù)的洗滌方式，不用添加任何洗滌劑達(dá)到清洗目的，這樣既經(jīng)濟(jì)又環(huán)保。同時也會對洗碗機(jī)更為普及的進(jìn)入中國市場起到很大的促進(jìn)作用。
內(nèi)容：以超聲波清洗原理為理論基礎(chǔ)，通過對現(xiàn)有洗碗機(jī)不同洗滌方式的比較，結(jié)合超聲清洗的特點和餐具洗滌的要求，對超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計。洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)計應(yīng)包括清洗槽、超聲系統(tǒng)、進(jìn)水和排水系統(tǒng)、加熱系統(tǒng)、水位控制系統(tǒng)、碗架和外殼的結(jié)構(gòu)設(shè)計。要求其結(jié)構(gòu)緊湊，便于控制。
方法：首先在熟悉課本上專業(yè)知識，了解基本原理，獨立思考、繼承甚至創(chuàng)新,后全面、系統(tǒng)考慮設(shè)計部件地強(qiáng)度、剛度、工藝性、經(jīng)濟(jì)性和維護(hù)等要求.在對圖紙有個基本的了解后，帶著問題去生產(chǎn)現(xiàn)場調(diào)研，形成一個大概輪廓；確定基本方案，大體定出基本尺寸，再通過計算確定具體尺寸（精度）；使用標(biāo)準(zhǔn)和規(guī)范的尺寸進(jìn)行標(biāo)注，達(dá)到準(zhǔn)確、美觀要求。完善設(shè)計方案，完成設(shè)計。
預(yù)計成果：對超聲波洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)有透徹的了解，及對各種技術(shù)參數(shù)的計算方法有一定的掌握，能夠了解各種洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)與優(yōu)缺點，對機(jī)械行業(yè)會有更深層次研究的欲望。
條件保障：市場上有各種洗碗機(jī)的成品，有專業(yè)書籍參考資料，及老師的悉心指導(dǎo)。
進(jìn)程計劃（各研究環(huán)節(jié)的時間安排、實施進(jìn)度、完成程度等）
?2012.12.03~2013.01.31
熟悉題目要求，查閱文獻(xiàn)，收集資料，完成開題報告
?2013.02.01~2013.02.28
設(shè)計方案擬訂，完成文獻(xiàn)綜述
?2013.03.01~2013.03.31
設(shè)計計算，草圖繪制，撰寫初稿，進(jìn)行中期檢查
?2013.04.01~2013.04.30
繪制裝配圖及零件圖，撰寫設(shè)計說明書
?2013.05.01~2013.05.13
提交正稿給指導(dǎo)老師評閱，參加學(xué)院預(yù)審
?2013.05.14~2013.05.26
根據(jù)評閱人意見進(jìn)行修改，準(zhǔn)備答辯
?2013.05.26~2013.05.30
根據(jù)答辯組意見修改，給指導(dǎo)老師復(fù)審，按規(guī)范要求裝訂
?2013.06.01
提交畢業(yè)設(shè)計所有材料
論證小組意見
組長簽名：
20 年 月 日
專業(yè)委員會意見
????????????? 專業(yè)委員會主任簽名：
????????????????20 年 月 日
注：1.此表可用黑色簽字筆填寫，也可打印，但意見欄必須相應(yīng)責(zé)任人親筆填寫。
2.此表可從教務(wù)處網(wǎng)站下載中心下載。
湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)論文（設(shè)計）
開題論證記錄
學(xué) 院： 工學(xué)院 記錄人：
學(xué)生姓名
盧宇翔
學(xué) 號
200940614302
年級專業(yè)及班級
2009級機(jī)械設(shè)計制造及其自動化
指導(dǎo)教師姓名
莫亞武
指導(dǎo)教師職稱
副教授
論文（設(shè)計）題目
家用超聲波洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
論證小組質(zhì)疑：
?（1）超聲波洗碗機(jī)原理？
?（2）與傳統(tǒng)相比，有何優(yōu)秀之處？
?（3）清洗效果如何？
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學(xué)生回答簡要記錄：
?（1）當(dāng)超聲波通過液體介質(zhì)時，將以極高頻率壓迫液體介質(zhì)振動，使分子產(chǎn)生正負(fù)交變的沖擊波；當(dāng)聲強(qiáng)達(dá)到一定數(shù)值時，液體中空話氣泡急劇生長，并瞬間強(qiáng)烈閉合，產(chǎn)生微爆炸和沖擊波使污物脫離。
?（2）省水省電，噪音小，由于采用超聲波產(chǎn)生的水分子振動來工作，不需傳統(tǒng)的機(jī)械結(jié)構(gòu)，維護(hù)少了很多麻煩。不需采用傳統(tǒng)的洗滌劑，而是采用洗滌劑起輔助作用。
?（3）利用水分子振動原理來清洗，決定了清洗不存在死角，清洗效果很好。
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論證小組
成員簽名
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論證地點： 論證日期： 年 月 日
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湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)全日制普通本科生畢業(yè)設(shè)計
誠 信 聲 明
本人鄭重聲明：所呈交的本科畢業(yè)設(shè)計是本人在指導(dǎo)老師的指導(dǎo)下，進(jìn)行研究工作所取得的成果，成果不存在知識產(chǎn)權(quán)爭議。除文中已經(jīng)注明引用的內(nèi)容外，本論文不含任何其他個人或集體已經(jīng)發(fā)表或撰寫過的作品成果。對本文的研究做出重要貢獻(xiàn)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(jié)果由本人承擔(dān)。
畢業(yè)設(shè)計作者簽名：
年 月 日
目 錄
摘要……………………………………………………………………………………1
1前言……………………………………………………………………………………1
1.1家用洗碗機(jī)簡介……………………………………………………………………1
1.2國外發(fā)展現(xiàn)狀………………………………………………………………………2
1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀 ……………………………………………………………………3
1.4 國內(nèi)主流產(chǎn)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(jī)制………………………………………………………………4
2.1.3超聲空化閥值……………………………………………………………………6
2.2超聲波洗碗機(jī)方案設(shè)計……………………………………………………………6
3超聲波清洗參數(shù)……………………………………………………………………7
3.1聲強(qiáng)……………………………………………………………………7
3.2頻率……………………………………………………………………8
3.3清洗液……………………………………………………………………8
4超聲場相對空化強(qiáng)度…………………………………………………………………8
4.1空化強(qiáng)度測量方法原理……………………………………………………………8
4.2空化強(qiáng)度測量……………………………………………………………………8
4.2.1實驗結(jié)果處理……………………………………………………………………9
4.2.2實驗結(jié)論………………………………………………………………………9
5超聲波重要參數(shù)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(jié)………………………………………………………………………………11
6洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(jìn)排水系統(tǒng)………………………………………………………………………13
6.4.1水位感應(yīng)系統(tǒng)…………………………………………………………………13
6.5加熱系統(tǒng)……………………………………………………………………14
6.6門開關(guān)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(jié)………………………………………………………………………………17
7結(jié)論…………………………………………………………………………………17
參考文獻(xiàn)……………………………………………………………………………18
致謝……………………………………………………………………………………19
家用超聲波洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
學(xué) 生：盧宇翔
指導(dǎo)老師：莫亞武
(湖南農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，長沙 410128)
摘 要：超聲波技術(shù)在洗碗機(jī)領(lǐng)域的應(yīng)用，使洗碗機(jī)的發(fā)展更加多元。在洗碗機(jī)整體結(jié)構(gòu)、清洗工藝和控制系統(tǒng)三個方面進(jìn)行改良設(shè)計。結(jié)構(gòu)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(jìn)排水裝置等，使結(jié)構(gòu)更加緊湊合理，提升清洗效果。清洗工藝方面，分析洗滌槽內(nèi)超聲波空化強(qiáng)度的分布，選擇合適的參數(shù)，確定最優(yōu)的清洗流程。
關(guān)鍵詞：超聲波；洗碗機(jī)；結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)簡介
洗碗機(jī)是用來自動清洗碗、筷、盤、碟、刀、叉等餐具的設(shè)備，在飯后清潔沾滿油污的餐具是人們?nèi)粘Ｉ钪胁坏貌幻鎸Φ囊淮蠹覄?wù)勞動，洗碗機(jī)的出現(xiàn)減輕了勞動強(qiáng)度，提高了工作效率，并增進(jìn)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(jī)專利，不過是一個手動設(shè)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(shè)計的手動洗碗機(jī)，她也被稱為現(xiàn)代洗碗機(jī)之母；1920年德國米勒公司制造出世界上第一臺電動洗碗機(jī)，只不過它當(dāng)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(jī)，這臺機(jī)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(jī)，使洗碗機(jī)開始進(jìn)入尋常人家的廚房。
現(xiàn)有的家用洗碗機(jī)種類繁多，按控制方式分為機(jī)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(jī)，但這些洗碗機(jī)基本都有機(jī)殼、機(jī)門、內(nèi)膽、控制系統(tǒng)、清洗系統(tǒng)和餐具擺放架等重要部件。
機(jī)殼有金屬和塑料兩種。金屬機(jī)殼的好處是高檔，機(jī)械強(qiáng)度高，結(jié)構(gòu)牢固，但它也具有易銹蝕，成本高等缺點；塑料機(jī)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(jī)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(shè)置有意外開門保護(hù)裝置，在兒童或其他使用者不小心在家用洗碗機(jī)工作過程中打開機(jī)門，洗碗機(jī)會馬上停止工作，以保護(hù)人身安全。
內(nèi)膽是洗碗機(jī)工作的重要部件，市面上的洗碗機(jī)產(chǎn)品分為塑料內(nèi)膽和金屬內(nèi)膽兩種。金屬內(nèi)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(nèi)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(jī)起源于德國，同時德國的現(xiàn)代家用洗碗機(jī)技術(shù)在整個歐洲也處于前列，擁有者BOSCH，Miele，SIEMENS等20多家洗碗機(jī)制造商，年產(chǎn)量高達(dá)3百萬臺，消費量也高達(dá)1.71百萬臺，擁有率高達(dá)42%。美國是目前洗碗機(jī)普及率最高的國家，早在1996年就已達(dá)54.9%，同時也是洗碗機(jī)生產(chǎn)大國，年產(chǎn)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(chǎn)。
國外很多家庭都擁有家用洗碗機(jī)，且傳統(tǒng)的噴臂式洗碗機(jī)十分適合國外餐具的清洗，傳統(tǒng)洗碗機(jī)是通過電機(jī)驅(qū)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(zhuǎn)，使洗滌液來回地噴射到各式餐具上，對餐具進(jìn)行噴射沖洗和淋刷。噴射水流對碗碟表面起機(jī)械沖洗作用，洗碗機(jī)專用洗滌劑對碗碟表面油污起化學(xué)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(dá)到清潔的目的,且造價低，性價比高，使國外的家用洗碗機(jī)的普及率還在不斷的增大。良好的市場促進(jìn)了企業(yè)對新型洗碗機(jī)的研制和開發(fā)，且新型超聲波家用洗碗機(jī)也開始在國外流行，這種良性循環(huán)使國外的洗碗機(jī)產(chǎn)業(yè)煥發(fā)出蓬勃的生機(jī)。
1.3 國內(nèi)發(fā)展現(xiàn)狀
我國在80年代有了第一臺洗碗機(jī)，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(jī)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(jìn)軍洗碗機(jī)領(lǐng)域。但是，令人遺憾的是，這些國產(chǎn)企業(yè)生產(chǎn)的產(chǎn)品主要外銷，作為國產(chǎn)企業(yè)，卻也沒有對國內(nèi)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(jī)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(jī)完成洗碗、消毒、烘干耗時長。且洗碗機(jī)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(jī)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(jī)需要很大的室內(nèi)空間，在房價寸土寸金的今天，顯然是不經(jīng)濟(jì)的；另外，洗碗機(jī)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(nèi)洗碗機(jī)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(jī)洗碗，人洗洗碗機(jī)”的問題。如此，都決定了傳統(tǒng)洗碗機(jī)難以在中國快速普及[2] 。
1.4 國內(nèi)主流產(chǎn)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(jī)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(yù)洗：對碗具進(jìn)行強(qiáng)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(jìn)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(yù)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(nèi)膽采用圓形轉(zhuǎn)角，使其洗滌效果更高效，基本無死角。
總的來說，國內(nèi)洗碗機(jī)產(chǎn)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(jī)，超聲波洗碗機(jī)目前僅主要商業(yè)使用，例如歐倍力，康潔仕，在家用領(lǐng)域幾乎處于空白。
2 超聲波清洗原理及方案設(shè)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(nèi)。當(dāng)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(zhì)有：（1）超聲波能傳遞很強(qiáng)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(qiáng)度，傳播的波動能量越強(qiáng)，則壓力也越大。（2）當(dāng)超聲波經(jīng)過液體介質(zhì)傳播時，將以極高的頻率壓迫液體介質(zhì)質(zhì)點振動，在液體介質(zhì)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(chǎn)生壓力正，負(fù)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(dá)幾十個大氣壓 ，并且產(chǎn)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(zhì)分散，破碎等效應(yīng)。（3）超聲波通過不同介質(zhì)時，在界面上發(fā)生波速突變，產(chǎn)生波的反射和折射。反射能量的大小，決定于兩種介質(zhì)的波阻抗（密度與波速的乘積pc稱為波阻抗），介質(zhì)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(chǎn)生波的干涉和共振現(xiàn)象。超聲加工的應(yīng)用有：型孔，型腔加工；切割加工；復(fù)合加工和超聲清洗。目前所用的超聲波清洗機(jī)中，空化作用和直進(jìn)流作用應(yīng)用更多[4]。
2.1.2 超聲波清洗的機(jī)制：
由于超聲波與聲波一樣是一種疏密的振動波，介質(zhì)的壓力作交替變化。如果對液體中某一確定點進(jìn)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(chǎn)生壓力的增減，若依次增強(qiáng)超聲波的強(qiáng)度，則壓力振幅也隨著增加，像圖曲線B那樣，并產(chǎn)生負(fù)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(zhì)作用時，在減壓力作用時，液體中產(chǎn)生大量真空氣泡，在壓縮力作用時，真空氣泡被壓碎時產(chǎn)生強(qiáng)大的沖擊力，局部壓力能達(dá)到上千個大氣壓，
圖1液體內(nèi)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(chǎn)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(chǎn)生像剝皮那樣的物理力重復(fù)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(jìn)，直到污垢層被剝下為止。這就是空化二次效應(yīng)[5]。
當(dāng)聲波達(dá)到一定強(qiáng)度時，空洞會發(fā)生劇烈爆炸，產(chǎn)生強(qiáng)烈碰撞，壓力達(dá)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(dá)到顯著的清洗效果，并且這種效果可隨液體到達(dá)被清洗物體的所有表面，這是手工洗刷，機(jī)械振動等常規(guī)手段所無法達(dá)到的。由于空化效應(yīng)形成時會產(chǎn)生聲波壓力和熱效應(yīng)，故可對細(xì)菌，特別是鏈狀細(xì)菌進(jìn)行打擊，達(dá)到殺菌消毒的作用，從而達(dá)到精密洗滌目的[6]。
直進(jìn)流作用：超聲波在液體中沿聲的傳播方向產(chǎn)生流動的現(xiàn)象稱為直進(jìn)流，通過此直進(jìn)流使被清洗物表面的污垢被攪拌，污垢表面的清洗液也產(chǎn)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(chǎn)生環(huán)流，叫做聲流，它能使振動氣泡表面產(chǎn)生高達(dá)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。
空化作用廣泛應(yīng)用。另外，超聲波清洗對聲反射強(qiáng)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(yīng)發(fā)揮到最大值。因此空化效應(yīng)為本洗碗機(jī)主要應(yīng)用原理[3]。
圖2 空化二次效應(yīng)
Fig.2 The theory of second-order effect cavitation
2.1.3 超聲空化閥值
使清洗液達(dá)到空化作用的最小聲強(qiáng)或者聲壓幅值稱為空化閥值[4]。空化閥Pc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(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?？梢?，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[7]。
此外，由經(jīng)驗公式
（2）
可以得出空化閥與沾滯系數(shù)的關(guān)系，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，空化閥接近10Mpa。
空化閥值與超聲波的頻率有密切關(guān)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(qiáng)度，有利于清洗作用，但是低頻工作時易產(chǎn)生噪聲。為了經(jīng)濟(jì)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(jī)方案設(shè)計
將超聲波清洗技術(shù)應(yīng)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(qiáng)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(jī)的工作方式加入了另一種可靠的方式。其應(yīng)該滿足的要求有：結(jié)構(gòu)合理，適合家庭使用；清洗效率高，要求達(dá)到98%以上；高效率，能在較短時間內(nèi)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(chǎn)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(jìn)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(zhuǎn)，對餐具進(jìn)行全方位無死角沖洗，初步?jīng)_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(dāng)水沒過餐具后關(guān)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(shè)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(jìn)行清洗，利用高壓水流沖洗和空化作用，使油污殘留量達(dá)到最低。水和超聲波的有機(jī)結(jié)合，既能節(jié)約水電，減少洗滌劑的排放，保護(hù)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(jī)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(shù)
3.1 聲強(qiáng)
在超聲清洗中，聲場強(qiáng)度和聲場均勻度都是判斷清洗效果的重要指標(biāo)[9]。聲強(qiáng)太弱不能有效將污物洗去，太強(qiáng)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)處聲壓過小，無法發(fā)生空化，造成清洗盲區(qū)。聲強(qiáng)一般選在，對于一些金屬表面氧化膜難于清洗的污垢，則應(yīng)采用較高的聲強(qiáng)。
3.2 頻率
當(dāng)工作頻率很低（在人的聽覺范圍內(nèi)）就會產(chǎn)生噪音。當(dāng)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(chǎn)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(qiáng)的能量，產(chǎn)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(jī)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(qiáng)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(qiáng)度
4.1 空化強(qiáng)度測量方法原理
對超聲清洗設(shè)備而言，最重要的性能指標(biāo)就是超聲場的空化強(qiáng)度?，F(xiàn)在，我們尚無一種可靠的方法測量絕對空化強(qiáng)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(qiáng)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(qiáng)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(yīng)對鋁箔的腐蝕和沖擊作用使其產(chǎn)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(jī)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(qiáng)度。
4.2 空化強(qiáng)度測量
本文研究的新型家用超聲波洗碗機(jī)主要面向中國的普通家庭，根據(jù)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(jù)鋁箔腐蝕法，在容積為420×400×400的清洗槽內(nèi)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(shè)置為15KHz-30KHz，功率設(shè)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(jié)果處理
根據(jù)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(jìn)行實驗。為了更直觀的觀察洗滌槽內(nèi)空化強(qiáng)度的分布，便于建立可靠的實驗數(shù)據(jù)，便于下一步的設(shè)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(qiáng)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(jié)論
根據(jù)試驗數(shù)據(jù)可知，超聲波空化強(qiáng)度從靠近聲源處開始逐步增強(qiáng)，當(dāng)離聲源一定距離，大致為中心位置時，空化強(qiáng)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(yuǎn)的地方，空化強(qiáng)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(nèi)，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(qiáng)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(qiáng)度
Table 1 Relative cavitation intensity of surface A
表2 平行C面的相對空化強(qiáng)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(shù)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(jī)的重要參數(shù)，需要設(shè)置實驗來找出最佳參數(shù)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(biāo)：經(jīng)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(shè)置9個實驗組，見表3
表中參數(shù)因素主次：A-C-B
其中表中Gf與A/B/C正交的數(shù)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(jié)果表
Table 3 The result of multi-factor orthogonal experiment
參數(shù)試驗號
A（℃）B（min）C（w）
結(jié)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(shù)值為Gf/該列中f號碼重復(fù)的次數(shù), f取1，2，3
由實驗結(jié)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(shè)置另一檔位A2-B2-C3為經(jīng)濟(jì)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(jù)上面確定的三項參數(shù)，進(jìn)行擺放位置最優(yōu)化實驗，得結(jié)果如表4，所以餐具朝向B面最佳[10]。
5.3 總結(jié)
經(jīng)上述對超聲空化強(qiáng)度及對基本參數(shù)設(shè)計計算，該家用超聲波洗碗機(jī)的基本參數(shù)
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(jìn)水—噴臂清洗1min—進(jìn)水—加熱至工作水溫—超聲清洗12min—噴
表4 餐具洗滌結(jié)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(jī)整體結(jié)構(gòu)設(shè)計
6.1 整體方案
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(jī)主要有進(jìn)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(jìn)排水系統(tǒng)：電磁閥，水位感應(yīng)開關(guān)，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(jī)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(jī)材料有機(jī)結(jié)合。金屬部分采用流行的不銹鋼拉絲工藝，經(jīng)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(nèi)部清潔情況。外殼采用新型的UV固化涂料，通過先進(jìn)的光固化噴涂工藝，在產(chǎn)品外觀表面形成裝飾涂層，其涂膜硬度高，耐磨性好，手感細(xì)膩，可具有金屬或其他材質(zhì)效果[7]；另外，采用特殊鍍層工藝技術(shù)，可使普通的塑料面鍍成閃亮的金屬質(zhì)感[12]。
碗籃,見下圖，采用不銹鋼制成，表面噴涂高強(qiáng)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(diào)羹等細(xì)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(zhì)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(nèi)壁發(fā)生損耗的條件下，能長期使機(jī)器保持穩(wěn)定的清洗參數(shù)，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(jī)電源等其他部件。清洗完成的殘余手工清理。
6.4 進(jìn)排水系統(tǒng)
進(jìn)排水系統(tǒng)主要由電磁閥，軟水裝置，過濾芯，水位感應(yīng)系統(tǒng),進(jìn)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(dá)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。進(jìn)水管材料選PVC管。
6.4.1 水位感應(yīng)系統(tǒng)
在液面控制方面，選擇采用連桿式浮球液位開關(guān)，見圖7。這種開關(guān)的工作原理是將密封的非磁性金屬或工程塑膠管內(nèi)根據(jù)需要設(shè)置一點或多點磁簧開關(guān)，再將帶有內(nèi)置磁性系統(tǒng)的浮球固定在本體管內(nèi)磁簧開關(guān)相關(guān)位置上，使浮球在一定范圍內(nèi)上下浮動，利用浮球內(nèi)的磁性系統(tǒng)透過本體管去觸發(fā)磁簧開關(guān)的閉合或斷開，以產(chǎn)生開關(guān)動作，達(dá)到控制液位的目的。開關(guān)采用干簧管，這是一種磁敏的特殊開關(guān)，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(nèi)，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(guān)性能穩(wěn)定并延長使用壽命。
當(dāng)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(dāng)水位到達(dá)最高水
位時，位于高水位開關(guān)的干簧管閉合，超聲清洗開始。當(dāng)水位下降到低水位開關(guān)時，低水位開關(guān)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(jìn)入清洗槽后，控制面板控制加熱器啟動，并在達(dá)到預(yù)設(shè)溫度后停止。
加熱器采用陶瓷加熱器。這種產(chǎn)品具有防腐蝕，升溫快，效率高，清潔衛(wèi)生的優(yōu)點。主要結(jié)構(gòu)是耐熱的陶瓷外殼加上內(nèi)部的電阻絲。
圖7 水位感應(yīng)器結(jié)構(gòu)圖
Fig.7 The diagram of waterlevel inductor
6.6 門開關(guān)電路
為了保障該洗碗機(jī)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(jī)的開門保護(hù)電路十分重要，其原理類似于洗衣機(jī)的門開關(guān)電路，即將門開關(guān)作為主電路的保護(hù)開關(guān)，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(dǎo)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(jìn)行密封，PVC即聚氯乙烯，具有造價低，可回收，強(qiáng)度高，性能穩(wěn)定，安全衛(wèi)生等優(yōu)點。根據(jù)設(shè)計要求，選用二位二通電磁閥作為洗碗機(jī)的進(jìn)水及排水控制系統(tǒng)。電磁閥是用電磁控制的工業(yè)設(shè)備，是用來控制流體的自動化基礎(chǔ)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(diào)整介質(zhì)的方向、流量、速度和其他的參數(shù)。電磁閥可以配合不同的電路來實現(xiàn)預(yù)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(diào)節(jié)閥等。
因為在超聲波洗碗機(jī)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(zhuǎn)。噴臂管和進(jìn)水管采用間隙配合，采用擋水環(huán)進(jìn)行保護(hù)，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(jìn)水管之間用螺栓連接。
圖 8 噴臂結(jié)構(gòu)圖
Fig.8 The structure of boom
6.8 超聲清洗系統(tǒng)
家用超聲波洗碗機(jī)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(shè)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化為聲能的儀器，它的諧振頻率與發(fā)生器產(chǎn)生的頻率相同時，就會發(fā)生共振，從而產(chǎn)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(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(yuǎn)遠(yuǎn)大于單個的功率輸出。（4）功率放大器的保護(hù)：由于受電源電壓、外界干擾脈沖及換能器負(fù)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(hù)措施有:過壓保護(hù)，過流保護(hù)，負(fù)載開路，短路保護(hù)，雙管導(dǎo)通保護(hù)，激勵信號源的誤觸發(fā)保護(hù)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(fù)載才能輸出額定功率所致，把換能器的阻抗變換成最佳負(fù)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(fù)載為純電阻，也就是諧調(diào)作用[4]。所以匹配的好壞直接影響到功率超聲源的產(chǎn)生和效率[15]。
超聲波發(fā)生器應(yīng)滿足的功能要求為：（1）頻率調(diào)節(jié)功能：在不同工作狀況下，可以根據(jù)換能器的實際情況，調(diào)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(jù)清洗槽大小，設(shè)定為800w。（3）掃頻：在清洗槽的有限空間內(nèi)，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(nèi)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(hù)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(diào)等優(yōu)點。
6.8.2 超聲波換能器
超聲波換能器是一種將機(jī)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(jī)械振動部分產(chǎn)生一個推動力，使之進(jìn)入振動狀態(tài)，接著導(dǎo)致與機(jī)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(jī)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(jī)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(jī)械系統(tǒng)從而盡可能的減少機(jī)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。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(yīng)為400/1440=0.28W/ cm2
由于此次設(shè)計的超聲波洗碗機(jī)是小功率洗碗機(jī)，且振動系數(shù)小，所以采用兩組分高強(qiáng)度膠粘劑將其安裝在清洗槽B面,個數(shù)為4，要求固定平穩(wěn)，并有一定強(qiáng)度。
6.9 總結(jié)
至此，家用超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)包括進(jìn)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(shè)計完成，該家用超聲波洗碗機(jī)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(jié)論
本文的研究課題是家用超聲波洗碗機(jī)的整體結(jié)構(gòu)設(shè)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(jī)替代，但是，傳統(tǒng)意思上的家用洗碗機(jī)發(fā)源于國外，它的設(shè)計依據(jù)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(jìn)后，雖然大大解放了人們的雙手，但是其真實工作效果卻遠(yuǎn)沒有達(dá)到人們預(yù)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(jī)工作。
我國人口基數(shù)大，家用洗碗機(jī)有很廣闊的市場空間，只要將其改進(jìn)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(jī)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(yīng)用主要廣泛應(yīng)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(guān)國內(nèi)企業(yè)對國內(nèi)市場投入不足。加上人們對超聲波清洗這項技術(shù)比較陌生，以著名企業(yè)美的，海爾為例，其生產(chǎn)的家用洗碗機(jī)主要面向歐美市場。
本設(shè)計具有的優(yōu)點：
（1）該款家用超聲波洗碗機(jī)，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(hù)使用者和兒童的安全。
（2）與傳統(tǒng)洗碗機(jī)相比，噴臂位置由上部改為底部，能對餐具進(jìn)行更全方位的清洗，避免了因中國餐具形狀問題導(dǎo)致的清洗死角，提高了預(yù)沖洗和最后沖洗程序的質(zhì)量。
（3）選材外觀時尚新穎，符合當(dāng)代家庭的審美取向，并能和家庭裝修風(fēng)格很好結(jié)合。內(nèi)部結(jié)構(gòu)選材合理，既保證了食品安全，又兼顧了耐用性。
本設(shè)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(jīng)濟(jì)而實用的智能洗碗機(jī)，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。
（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(rèn)同和接受，家用洗碗機(jī)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(jī)產(chǎn)品，家用超聲波洗碗機(jī)的出現(xiàn)，無疑為洗碗機(jī)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(shè)計是在莫亞武老師的悉心指導(dǎo)和熱情關(guān)懷下完成的，莫亞武老師在我的畢業(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(jìn)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(shè)計寫作過程中，各位同學(xué)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(jī)的優(yōu)劣之處，對我的畢業(yè)設(shè)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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