新型洗碗机设计

论文题目：新型洗碗机设计新型洗碗机设计摘要：随着人们生活水平的提高和生活节奏的加快，原先繁重的家务都交由家电来完成，省下了许多 的时间。在国内家电的普及率已经很高，然而家用洗碗机的市场潜力巨大但是未被完全开发。故本文设计 了一款新型的洗碗机，从用户需求，功能需求和技术要求等方面着手，运用多种设计分析方法(形态学分 析，公理化设计原理，质量屋分析等)对洗碗机进行了详细的研究，提取出了核心技术，并完成了概念设 计和结构设计。新型洗碗机保证了清洗效果和清洗效率，同时达到节能环保的目的。关键词：超声波清洗概念设计结构设计建模与仿真The Design ofNewnstyle DishwasherAbstract: 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 home 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 analysis, 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 purposeKey words: Ultrasonic rinse, Conceptual design, Structural design, Modeling and Simulation上海大学机械设计方法1引言21. 1课题背景21. 2市场前景与经济效益分析21. 3洗碗机研究状况22设计目标22. 1产品要求22.2功能结构分析33设计分析43.1可能方案的初定43.2分功能分析54核心技术提取与解析64. 1核心技术提取64. 1. 1物质-场分析以及技术冲突64.1.2用QFD方法提取核心技术和规划设计战略74. 1. 3基于TRIZ理论的方案求解84. 2核心技术的分析94. 2. 1超声波基础理论94. 2.2建模与仿真105实验设计与验证 136结构设计156. 1 分功能载体设计 156.2总体结构设计16致谢17参考文献181引言251.1课题背景随着人们生活节奏的加快，人们的可利用时间越来越少，难得在家里的时间也要为家务 所困扰，无法得到完全的放松，无疑加重了负担。在所有家务中洗碗是每天必做的事，当人 们饱餐一顿后不得不去清理油腻腻的餐具，特别是有比较大型聚会的时候，当客人尽力而归 后众多的餐具让主人着实头疼。冬天洗碗冰冷的水很是刺骨，洗涤剂也对皮肤有害，同时因 为通常对于碗具是否清洁干净完全是凭借人的感觉，对用水量也把握不住，所以水的浪费量 也很严重。有的人为了不洗碗就用一次性的碗碟，虽然方便了但是制造了白色污染。由上述 情况可见，洗碗所引起的一系列问题是无法忽视的，所以人们需要一款自动洗碗机来减轻家 务的负担，可以有更多的时间去享受生活，实现绿色生活，同时能对环保尽自己的一份力。 1.2市场前景与经济效益分析洗碗机的设计初衷完全符合人们想要从家务中解放出来的想法，同时根据洗碗的数量口 动调节水量，达到节能环保的要求，为每个家庭都能节省一笔开支，提高了工作效率，釆用 高新技术能使洗涤的效果也比人工洗涤更好，对碗具不会造成损坏，基于上述的优点，洗碗 机的性价比能得到人们的认同和接受。目前国外一些发达国家家用洗碗机的普及率已到达 30%40%,特别在美、德、法等西方发达国家的普及率高达60%70%,东南亚国家也在以 每年20%的增幅发展，近年来随着中国经济飞速的发展，国民的生活水平和经济实力大大提 高，家用电器已经成为家庭不可缺少的一部分，只要家电的设计符合人们的需要，符合国情, 那么价格合理的家电必然为大众所接受。综上所述，只要洗碗机在中国定位准确，那么市场 前景和经济效益都很可观。1.3洗碗机研究状况洗碗机属于比较复杂的机电一体化产品，需要自动完成包括洗涤，消毒，烘干，排进水 等等工作。从洗涤技术，布置结构，内置材料到控制器，控制技术，儿乎每个方而的技术提 高都可以让洗碗机的性能有很大变化。Maytag和GE公司的新款洗碗机以智能化见长，模 糊控制逻辑技术和精密传感装置则是智能化实现的关键技术，而德国Siemens公司的SN型 洗碗机可根据碗碟的污垢度不同合理选用喷水温度，可见各种高级控制技术和各类传感器的 应用使得洗碗机越来越智能化。清洗方式和理念的改进和改变使得清洗效果更为明显，例如 三洋电机公司的DW-S200型在水流的通路上安装了超声波发生器，采用超声波喷射水流； 法国Thomson公司则采用的新型磁化技术；海尔4系列洗碗机采用的全包络洗涤技术；美 的洗碗机WQPS-8002系列采用高层扇形三层喷洗，最高喷水速度为7.2米/秒；英国Smeg 公司开发的“Stncg 6kital”装置，可使水流至碗具的任何地方。此外，防噪声技术，消毒 技术，碗篮机构设计以及人性化交互界而设计等方而的推陈出新同样提升了洗碗机的功能性 和实用性。2设计目标2.1产品要求基于市场潜在的需求拟设计开发一种新型洗碗机。通过对用户调查，了解到用户对新型 洗碗机在功能性，可靠性，经济性和操作性这四个方而上的要求，现将相应的资料汇总后， 确定出用户需求树如图1所示：图1新型洗碗机用户需求树2.2功能结构分析通过用户需求树的建立，确定新型洗碗机具有进水排水功能，清洗功能，消毒功能，加 热功能，餐具盛放功能，控制功能以及人机交互功能，成功将用户需求转化成功能结构，对 应的新型洗碗机功能分解树如图2：洗碗机功能进水卅水功能沾沉功能消奇功能加执功能餐ft盛放功能控制功能水 位 检 测 功污 浊 度 检 测 功 能温 度 检 测 功 能用户界血图2新型洗碗机的功能分析3设计分析3.1可能方案的初定根据上述对新型洗碗机的用户需求的理解和功能分析，同时结合各方而技术状况运用 形态学分析方法初定几种可能方案，列出的形态学矩阵如表1所示。分功能功能载体12345A清洗功能机械摩擦电磁振荡热胀水射流超声波B消毒功能消毒剂高温消毒臭氧消毒C加热功能电加热微波加热太阳能 加热D控制功能人工手控机械定时单片机口控E用户界而按钮遥控触摸屏F餐具放置 功能拉篮式转篮式G降低噪音 功能吸音板静音装置减震壁表1新型洗碗机形态学矩阵由上述形态学矩阵可得，理论上可组合出5x3x3x3x3x2x3 = 2430种方案，从中挑 选了两种合理的方案：方案 A： A4-B2-C3-D3-E3-F1-G3方案A是基于主流的水射流清洁技术的自动化洗碗机，人机交互是其优势。方案 B： A5-B3-C1-D3-E1-F1-G1方案B则是采用了超声波技术的自动化洗碗机，清洗方式的变革可能会带来不同的 效果。3.2分功能分析木小节运用公理化设计原理，求解出新型洗碗机各个分功能模块对应的物理域中的设 计参数，并对这样的映射关系进行分析和评价：根据前而对新型洗碗机的总功能和分功能的分析，可以将该洗碗机的功能域分解为以 下8个模块：F&.控制功能，朋2 餐具放置功能，视进水排水功能，FR加热功能, 朋5 清洗功能，矶消毒功能，朋7 人机交互功能，矶降低噪音功能，并对其进行了二次分解，具体实现过程如下:(1) FR厂控制功能：碍数据采集碍2控制核心(2) F&餐具放置功能：F&、.餐具固定fr22 餐具摆放(3) F&进水排水功能：视流量调节 F&2 动力源 F傀3 水位检测(4) FR加热功能：FRy加热方式fr42温度检测(5) F&清洗功能：fr5-清洗方式fr52-水污浊度检测(6)消毒功能(7) FRj人机交互功能：码命令输入FR”数据与状态显示(8)取降低噪音功能对应物理域的设计参数如下：(1)控制系统：砂数据采集接口电路DPn单片机(2)餐具放置机构：DP2X-餐具固定器率2 餐具摆放篮(3) D再进水排水系统：纠进，排水电磁阀DP垃 进，排水泵%水位检测开关(4) D巳.加热系统：D瑞.加热装置dpA2温度传感器(5) D清洗模块：DP5-清洗装置dp52-污浊度检测传感器(6) DR消毒装置(7)砂用户界而： 巧厂命令输入形式 巧2显示屏幕(8)吸音装置由此可得到设计矩阵：(8)吸音装置由此可得到设计矩阵：林X00F&2000F00比F000FR空0000F&20000矶30000FR“0000FR420000昭0000F&20000FR&0000码，0000码200000000000X0X000000000000X000000X0XX000000比0000000乂0000000X0000000X0000000比0000000X00000000000000000000000000000 0 0 0_0 0 0 0砂20 0 0 00 0 0 00 0 0 00 0 0 0必20 0 0 0阴0 0 0 0DPh0 0 0 0DP420 0 0 00 0 0 0X 000DP(、0X00DP00X0DP72000 X_DP._观察此设计矩阵发现该矩阵是上三角矩阵，所以该设计为准耦合设计，满足独立公理, 且包含信息量少，这样的映射关系符合要求。由形态学矩阵分析得出的方案A和B都基本 符合功能需求的独立性和设计中的信息含量最少。4核心技术提取与解析4.1核心技术提取4.1.1物质-场分析以及技术冲突本小节根据形态学矩阵分析所得的两个方案，为了找出其技术冲突，现对其进行物质- 场分析如图3：S2超声波发 生装置S1餐具H有乳化油污, 二次污染U淸洗种类多, 无死角 U无须洗涤剂H洗涤易出现 死角S2水射流发 生装置呗械U冲刷力大,无二次污染U对于某几种 餐具较好固定H其他种类餐具 无法很好固定图3物质-场分析由此可分析出技术冲突如下：(1)如果选择超声波清洗技术可以清洗不同种类的餐具，并且清洗无死角，但是超声波是以 水为介质，水和油会发生乳化作用形成悬浮油污，在排水时油污会再次附着在餐具上形成二 次污染影响清洁度；超声波清洗对质地较硬、声反射强的材料其清洗效果较好，而对质地较 软、声吸收较大的材料清洗效果就要差一些。为了使不同质地的餐具都有很好的清洗效果， 可以提升超生波强度，但是这会使噪声变大，同时餐具和洗碗机内部都易腐蚀。 如果选择水射流清洗技术可以形成很大的清洗力，但是可清洗餐具的种类减小，留多死角， 清洗效果差；在此情况下如果要保证清洗效果好，可以多加射水点和增大水压，但是增加了 结构的复杂性，占用体积必然增加。为了增加可摆放餐具的多样性和数量，可以加大放置篮的体积并将篮子的结构做成符合 各种餐具摆放的形式，但是这样会增加洗碗机内部清洗槽的体积，增加用水量，如果需要放 置的是同一种且大批量餐具则无法实现。相对应的物理冲突：(1)超声波清洗技术能满足不同形状餐具的清洗,但是无法很好保证不同质地餐具的清洗效 果，即超生功率大小与噪声音量和腐蚀性的冲突；水射流清洗技术能满足不同质地餐具的清 洗，但是需要在空间内增加多角度的射水点保证不同形状餐具的全而清洁，这样则增加了结 构复杂性，即水速度，水压，数量与洁净度的冲突。餐具篮的尺寸结构与清洗槽容积和餐具种类的冲突。4丄2用QFD方法提取核心技术和规划设计战略根据前而对用户需求的分析、系统功能分析以及形态学分析，可以得出如图4所示的用 户需求和技术特征的QFD矩阵表。X外形尺寸噪声淸洗技术控制系统加热系统排水进水系统消再方法消洗时间用户界面餐具放直机构技术成本使用寿命功能耍壊0n0050n400I00n4000n5 - ,Ir0n0n4 - ,n03 - ,IIn可靠性4 - -nn5rr经济性3 - Inn50nJT2DDuu0u图4用户需求和技术特征的QFD矩阵表从图4可以看出，用户最关心的需求与技术特征中的清洗技术，清洗时间，餐具放置 机构，技术成木都是对应强相关的。而技术特征自相关矩阵中清洗技术，控制系统，加热系 统，进排水系统，消毒方法，餐具放置机构都与技术成木是负相关的。因此，该设计的核心 技术是清洗技术。新型洗碗机质量屋全图如图5:用户需求技术特征动皿放置程具科类多灣洗效杲好用水用电量少流程体化对餐具无损吉占用空间小成本合理清洙效率高mF性技术特征垂要度 技术待征相对垂要度：（）操作性好to20|O964243412.112.816.1o7.ooo10.3o6.3443441.0342512.816.14.01.04344卖 点34345454454354344254244425355344445.8?443333O621.713L7i0.85.3O g5.0402A40653927L7704S48731.5573?731319.9 2.0795?91904515751|29|石26211916.97.7最差到殳好12345用户竞争性 木公司产品 竞争者甲产品A竞争乙甲产品相对垂要度图形比较 JI IJB JI 亠 JI JI 上! j JI .目标值木公可产品技术评估竞争者甲产品技术评估竞争者乙产品技术评估木公司产品竞争者甲产品 竞争乙甲产品方案评估图5新型洗碗机质量屋全图4丄3基于TRIZ理论的方案求解对前而得出的技术冲突所设计的参数按照标准的39个工程参数重新描述，然后对技术冲 突重新描述，矛盾矩阵如表2。恶化参数26物质或30作用于物体31有害方的36装置改善参数事物的数量的有害因子影响复杂性10力35,334, 3930, 181,3119,2735,28静止物体的体积14, 291,3513,326, 351& 3640, 1836, 2410, 18表2矛盾矩阵从矛盾矩阵中，可以找出已分析出的技术冲突或者物理冲突的原理：（1）可釆用分离原则，先运用合适的超声波强度对餐具进行清洗，保证清洗的洁净度，效 率高，无死角和噪声小，之后用水射流进行冲洗，能有效清除排水后附着在餐具上的乳化油 污，同时能对超声波洗涤效果较差的餐具进行二次清洗，保证对不同质地的餐具都有很好的 清洗效果。（2）可釆用分割原则，将放置餐具的容器做成容易组装和拆卸的组合拉篮。主篮根据碗， 碟的形状进行设计，配有固定器用于固定杯子，同时设计了可拆卸的刀叉篮，可折叠器皿架。 因此，适用于各个种类餐具的摆放和固定，同时也可以满足数量较大的同一种类餐具摆放。最后洗碗机方案主要参考B方案，其中清洗技术和餐具摆放机构使用上述由发明原理 解出的方法。4.2核心技术的分析通过物质-场分析和QDF法可知，清洗技术是核心技术。超声波技术作为本方案主要的清 洗技术对洗碗机的性能影响最大，所以有必要对其进行深入的分析和研究。4.2.1超声波基础理论超声清洗的主要机理是超声空化效应。空化是液体中的一种物理现象。液体中导入超声 后，原来存在于液体中的微气泡（空化核）将在声场的作用下振动，当声压达到一定值（空化 阀）时，一部分气泡在负压期迅速长大，在正压期又突然闭合，产生高达数千大气压的冲击 压力和局部高温，这就是空化效应。除了空化效应外，对清洗起作用的还有辐射压和声流。 辐射压是大振幅声波在介质中传播时，对阻挡的物体产生的压力。声流则是由于声场的存在 而引起的介质的流动，这两者都能够起到搅拌作用。由上述可知超声波清洗的主要机理是超声空化效应，而超声空化效应与声源（声压，频 率等）和媒质参数（温度，表而张力、粘性等）有关。例如声波频率越高，空化阀越大，也 就是要产生超声空化要更高的声强，相反频率在10HZ左右空化较强但是伴有比较大的噪音; 温度升高能使空化核增多，对产生空化有利，但是温度过高气泡闭合期间增强了缓冲作用而 使空化减弱。从超声清洗技术而言，最主要的性能还是是超声空化的强弱，在清洗槽中产生 一个高强超声场是决定清洗效果的关键。在超声清洗系统中，常用“振板声源”来产生所需 的高强超声场。振板声源是由多个超声换能器粘于钢板上构成的，钢板上所用换能器的个数 取决于工程要求，一般从几个到上百个不等。当振板声源的换能器以同一电信号激励时，换 能器推动钢板振动，振板声源向液体中辐射超声波，在超声处理槽中即得到高强超声场因为超声清洗均是在有限空间内进行，超声处理槽中的高强超声场均是驻波场。驻波场 的特点是在液体空间的某些地方强度大，而在另外一些地方强度小，这样造成了超声处理声 场的不均匀，通常的解决办法是改变清洗槽的形状或者是采用调频技术。而声场不均匀的另 一个因素是振板声源的换能器布阵方式，虽然一个振板声源的所有换能器由同一电信号激 励，但是振板声源的辐射而并不是作等幅的活塞运动，实验发现振板声源辐射而的振幅是不均匀的。由此可见，换能器的布阵方式将影响振板声源的振幅分布，进而影响其声场的均匀 性。如果能通过换能器合理的布局，减少能量的使用，得到高强度的均匀声场，提高处理效 果和洗碗机的工作效率，那就是一种既合理又经济的手段。所以，本节将利用建模仿真手段研究换能器的布阵方式对振板声源的振幅分布的影响。 4.2.2建模与仿真本小节用有限元方法对不同频率下不同换能器布阵方式进行研究，并且采用振幅均值和 偏移估计对结果进行数学处理，比较在相同频率不同换能器布阵方式下超声清洗系统板声源 振动分布，从而得出较合理的布阵方式，以下建模与仿真均在ANASYS环境下实现：1.板声源叠加验证试验假设：根据理论可知，超声波在传播中符合波的叠加原理，即同频率不同声源在向某介 质中传播超声波时，该介质中任意点的振动等于各单一声源在该点振动的矢量和。此处简单 认为在同一频率下，板声源振动分布是各单一换能器驱动板声源的振幅矢量叠加而成。建模过程及结果：设计一块长0. 3m,宽0. 2m,厚0.00加的矩形薄板，在薄板下增加两个 质量块作为换能器。在左换能器上加上激励频率28KHz,对其进行谐响应分析得出。在分析 结果中取长度方向的中线，均匀选取60个点，做出薄板在该线上振动分布图，如图6(a)所示, 并且输出各点的振幅值。然后同时在两换能器上加上激励频率28KHz,再对其进行谐响应分 析，方法同上。在分析结果中取长度方向的中线，均匀选取60个点，做出薄板在该线上振动 分布图，如图6(b)所示。最后，我们将第一步输出的各点的幅值，利用对称原理得到单一右图6(a)左换能器振动分布图图6(b)左,右换能器振动分布图aoCE 062.4. OCE 06Q 0C6-HX?图6(c)叠加振动分布图结果分析：在带质量块状况下，板声源振动分布并非完全是两个但换能器各自振动时振 幅叠加之和，在两换能器中间的部分，板声源在两个换能器同时作用下的振幅分布和分别作 用后相加的振幅分布图形一样，而在质量块(换能器)上而的振幅就明显存在较大的差别。因此，可知先前的假设是不正确的，在同一频率下不同换能器布阵方式并不是简单的各单一 换能器驱动板声源的振幅矢量叠加。2.同一频率下不同换能器布阵方式对板声源振动特性的影响试验(1)超声清洗主要使用的频率为28KHz. 40 KHz. 120 KHz,这里将使用有限元方法对三 种频率下各种不同换能器布阵方式对超声清洗系统板声源进行振动分析。因为三种频率下的 建模过程相同，所以只以28KHz为例进行说明：建模对象:长0.38m、宽0.269m、厚0.002m的矩形板声源，换能器为喇叭形，高0.065m, 最大直径而直径为0.059m,后盖板和压电片直径为0.027m,喇叭形高0.038m。建模过程：定义负载中在换能器上加上而位移。实际应用中将超声换能器激励的板声源 固定在清洗槽上，清洗槽固定在支架或壳体上，所以在建模过程中将超声换能器激励的板声 源周边固定(实际超声换能器激励的板声源周边也在振动，但其振动微弱，在建模过程中就 做了忽略处理)。在单元选取中，采用solid45单元。在网格划分过程中，为了保持一定的计 算精度，同时也为了满足计算速度，在满足波长要求时，按线划分，0.01m划一个网格, 精度釆用smart3o换能器为矩形布阵的板声源中，长度方向换能器中心间距为0.09m,宽度方向换能器中 心间距为0.0795m,换能器中心距板声源周边为0.055m。其模型和网格划分如图7(a)所示。 在换能器为三角形布阵的板声源中，中心距离均为0.09m,换能器中心距离板周边的距离为 0.055m.其模型和网格划分如图7(b)所示。在换能器为正方形布阵的板声源中，长度方向换 能器中心间距为0.09m,宽度方向换能器中心间距也为0.09m,长度方向换能器中心距板声 源周边为0.055m,宽度方向换能器中心距板声源周边为0.0445m,其模型和网格划分如图 7(c)所示。图7 (a)矩形布阵有限元模型图7(b)三角形布阵有限元模型图7(c)正方形布阵有限元模型仿真及结果：在板上加上谐振频率28KHZ,载荷使用stepped方式，计算在谐振频率下 板声源的振动分布。在后处理器中，选择读入实部值(虚部为零)，并在描绘结果中使用nodal solu显示振动分析结果，所得结果如图&a)、图8(b)、图8(c)所示。W图8 (a)频率为28KHz矩形布阵方式振幅分布图8(b)频率为28KH三角形布阵方式振幅分布-imx-eiUQk厶 “uw图8 (c)频率为28KHz正方形布阵方式振幅分布由上而的仿真图可知，在换能器为三角形布阵方式时，板声源振幅明显大于其它两种布 阵方式，而且，在换能器为三角形布阵方式时大部分看上去比较均匀，效果较好。利用相同方法可知，在频率为40KHZ的激励频率下在换能器为三角形布阵和矩形布阵 方式时，板声源振幅明显大于正方形布阵方式，而且在换能器为正方形布阵方式时，板声源 岀现的极值现象较多，即看上去不均匀。在频率为120KHZ的激励频率下在换能器为三种不 同布阵方式下，出现极值的现象已经不明显，只是正方形布阵方式时振幅比较均匀。(2) 评价超声清洗系统的标准是声场强度和均匀性，上而通过建模仿真已经初步得到结 果，现利用统计学的方法来得出结果：y|x. 设板振源上每个点的振幅为斥，采用平均值来表示振幅大小：元二丄 n用样木标准偏差S来表示样本中各测量数据相对样木平均的分散程度(均匀性):用S除以丘，就可以得到振幅相对偏移程度值，偏移越大，就越不均匀。对上述仿真数据进行整理和计算可得各个频率下各种分布方式下的振幅和离散度，如表3：频率（KHz）2840120方式矩形三角形正方 形矩形三角 形正方 形矩形三角形正方 形X（xlO“ 加）1.529.421.655.372.811.518.7025.4176.623S（xlO“ 加）1.28.112.045.982.661.479.4775.7066.717偏移程度0.7890.8611.2361.1140.9470.9741.0891.0781.104表3数据统计表分析图表可知，在频率为28KHz的激励频率下，三角形布阵时振动幅值明显，振幅相 对偏移则较小，所以三角形布阵方式较好；在频率为40KHz的激励频率下，三角形布阵方 式振幅相对偏移较小，振幅较大，所以三角形布阵方式比较好，同时换能器减少，从能量角 度上讲，是节省了能量；在频率为120KHZ的激励频率下，正方形布阵时振动幅值比较大， 振幅相对偏移则小，效果较好。纵向分析可得，频率越高，则振幅分布越均匀。综合上述分析，基于声场强度，均匀性以及节能的方而的考虑，运用换能器三角形布阵 方式，频率使用28KHzo5实验设计与验证由于声场强度的影响因素很多，且在密闭的空间内是形成了混合场，所以要利用理论公 式推导强度及其困难，只能通过实验方法得到数据。测量超声场强度的方法有很多，如铝箔 腐蚀法，染色法，声致口由基的测量和实时谱分析和统计平均法等。根据现有的实验条件， 这里采用铝箔腐蚀法来测量清洗槽内的超声场的强度。（1） 实验环境目标是分析长470mm,宽410mm,高420mm的清洗槽内声场强度分布情况，如图9。 选择室温（25度）的自来水作为洗涤剂，液而距清洗槽顶部为50mm100mm,且必须高于 换能器的最高粘贴位置，选择离顶部75mni处。超声频率为28KHz,超声功率300w,超声 作用时间3mino用长和宽为295mm, 270mm的木框固定铝箔纸，分别平行C、B两个而垂 直放入水中并固定。测量时以声源为起点，C、B两个而的步长分别为5.85cm、6cm的距离 测量不同的八个位置的声场强度。分别在换能器成矩形，三角形和正方形布阵方式时测超声 场的强度。C换能器ABD图9清洗槽内部图一潸洗槽（2） 实验结果处理铝箔腐蚀法只能直观看到超声场的强弱和水平方向的分布，这里采用简化方法定量地描 述清洗槽内超声空化效应的相对强度，具体方法：对每一张超声作用后的铝箔纸拍照，然后 用平而图像处理软件，把照片变成灰度模式，通过调节黑口对比度来区分腐蚀区域和非腐蚀 区域，使腐蚀部分显示为黑色（色阶为0）,非腐蚀部分为口色（色阶为255）,最后用软件中的 histogram功能（直方图功能）计算出腐蚀而积所占整个而积的百分数，即黑色象素和图像总象 素的比值作为空化相对强度。平行C而和B而的实验结果分别如表4和表5所示。距离（cm）06121824303642矩形强度（）10.8411.0113.0113.8511.0111.8510.0210.00三角形强度（）26.0125.562&22.27.6625.7824.0224.6624.34正方形强度（）12.019.0115.5510.8814.5612.0111.6710.46表4平行C面超声强度表距离（cm）05.8511.717.5523.429.2535.140.95矩形强度（）15.2512.2618.2013.8917.6015.3418.0215.75三角形强度（）28.6029.3426.30.27.1030.5028.2827.4628.20正方形强度（）10.0218.2313.6814.8011.2310.2013.7815.21表5平行B面超声强度表根据数据表中数据绘制成超声场相对强度分布图，如图10（a）和10（b）：超郴对逼*距声源距离（cm）图10(b)平行于B面超声场强度分布根据实验结果可知，换能器采用三角形布阵方式时的声场明显强度大于其他两种方式， 同时声场分布比较均匀，验证了选择三角形布阵方式的正确性。此外，由图10(a)上看，在 远离声源的地方，声波强度有所减弱，这是因为较高的声强会造成空化泡过多，形成声波屏 障，使声波不容易传播到整个液体空间，因而造成这样的结果。在本实验环境中，强度减小 不明显。6结构设计6.1分功能载体设计通过第二章的功能分解可以得到七个功能模块，下而对其中比较重要的部分进行部件 选择以及结构设计：(1) 超声波清洗系统超声清洗系统超声波清洗系统由三个核心部分组成，即清洗槽，超声波发生器和超声波 换能器。清洗槽主要是用来容纳清洗液和将要清洗的器件，洗涤槽的几何形状会影响到超声波声 场在其中的分布。根据清洗量，洗涤槽设计为470x410x420加加的长方体，这种对称结构 使得超声声场在其中的分布会比较均匀，使洗涤槽的各个角落都能取得较好的清洗效果。为 了防止残渣堵塞洗涤泵和排水泵，确保清洗过程正常进行，清洗槽底部向外凸出一小长方体 槽，底部与它之间加过滤网。洗涤泵和排水泵的进水口开在此小长方体内，这样就可以阻拦 残渣。同时，加热器放置在此小长方体内，确保加热的均匀性和可靠性。为保证消毒效果最 好，臭氧发生器的输出口即臭氧的出口放在洗涤槽的底部，使臭氧充分溶解在水中。此外， 槽壁选用不锈钢板，此种钢板耐腐蚀性能较好，而且与换能器的粘结强度好。超声波产生的 噪音很大，在洗碗机外壳粘四周加装吸声玻璃丝棉吸收噪音。超声波换能器选择功率为50W的压电式换能器，粘在清洗槽的侧而上，根据上而对于换 能器布阵方式对强度分布影响的研究，用11个换能器按三角形布阵，清洗槽壁和换能器粘 结处进行喷沙处理，清洗干净后，按一定工艺进行粘结，保证粘合平整，粘合而有足够的强 度。根据清洗槽的尺寸，超声波发生器的最大功率为lOOWo(2) 喷臂冲洗系统为了防止超声波清洗后对餐具产生的二次污染，最后的冲洗时必不可少的。为了保证冲 洗的充分性，采用多位冲洗方法。设计的喷臂冲洗系统主要由两个旋转喷臂以及污浊度检测 传感器组成。清水泵出水口连接两个喷臂，分别安装在洗涤槽底部和侧而，从水平和垂直方 向上对餐具进行清洗，保证了冲洗的充分性。水浊度传感器位于槽底，实时检测水的干净程 度，为控制提供细细。管路采用PVC材料的管和接头，并用PVC胶进行密封,，它有强度高、 造价低、可回收利用、性能受环境影响小、安全卫生等特点。(3) 水位系统水位系统是进、排水系统中最重要部分，其中水位开关的性能则是影响进排水速度和判 断的关键部件，这里选用的水位开关由干簧管外加磁铁组成，把磁铁装在浮子上，当磁铁靠 近两弹性舌簧时，使两舌簧受磁力作用接触而导通，该机构的刚性很好。整个系统中共有高, 中，低三个水位开关，用于检测是否完成排水，进水要求。同时为防止水位开关所在的管道 在进水时成为密闭端，用针管开小孔使管道内、外气压相通，流入排水泵，保证水位开关的 正常。(4) 餐具放置装置餐具放置装置要能摆放各式各样餐具，根据这个要求设计了分层篮结构。餐具可放在分 层拉篮中，拉篮可沿着轨道滑动，根据不同餐具配有刀叉篮，可折叠器皿架（图11a）以及 固定器（图lib）起到夹持作用。图11（a）可折叠器皿架图11（b）固定器其他的系统包括加热系统（由加热器和限温器组成），消毒系统（臭氧发生器），人机界 而（显示器和按钮组件）和控制系统（西门子单片机）。6-2总体结构设计根据上而分功能载体的设计，新型洗碗机系统的整体结构示意图如图12所示。12345T72120191817致谢致谢：首先，感谢李朝东老师对本文的大力支持！李朝东老师的机械设计方法这门课，是一门综合性的课程。通过老师的详细讲解和案例审讲，我对概 念设计，结构设计以及研究方法有了更深刻的了解，经过作业的独立思考，强化了机械设计的理论，开拓 了思维，最后让我感受到设计其实并不是一件束手无策的事，只要按照一定的方法就能逐渐进入角色。最 后，再次感谢李朝东老师！参考文献1 张坤.基于AD-QFD-TRIZ-田口方法的综合设计方法研究D.天津：天津大学,20092 刘旭辉，王小平.家用洗碗机碗篮和外形的设计卩.机电工程技术,2010,15(4).3 Toma Brundzaite.双了洗碗机J.家电科技,2010,25(3):60-62.4 郭圣栋.家用洗碗机设计J.今日科苑,2008(14).5 刘高进.基于模糊技术的洗碗机控制系统研究J.内江科技,2007(7).6 黄龙春，熊好平，毛永红，李思，张志强.降噪材料对洗碗机噪声的影响研究J.家电科ft, 2008,.18(5).7 鲍宏.面向绿色设计的产品需求分析与处理D.合肥：合肥工业大学,2009.8 庞斌.超声波臭氧组合清洗技术试验研究与样机研制D.天津：西北农林科技大学,2009.9 刘梓光.用于清洗的空化水射流喷嘴的实验研究D.天津：天津科技大学,2009.10 周康.超声波清洗机用发生器的研制D.天津：华中科技大学,200&11 杨奇.超声波清洗系统振动的分析D.湖南：长沙理工大学,2007.12 汪彦军.超声振动系统的设计与性能参数的计算叨.陕西：陕西师范大学,2007.1习马坤.超声波在清洗技术中的研究D.山东：山东大学,200&14 陈志军.基于TRIZ的冰箱绿色设计冲突消解方法研究D.合肥：合肥工业大学,2009.15 李欢竹.超声波清洗技术在制药机械行业的应用J.应用能源技术,2010, 12:9092.16 Ying Liu, Tatsuo Yamabchi, Toshio Yoshizawa Sigeki Hirobayashi. Finite element simulation of coupled vibration modes in an ultrasonic cleaning tub: Effect of the presence of a washing object J. Acoustical Science and Technology, bl 25,No.2, 2004: 173-176.17 Mikko O, Lamminen, Harold W, Walker, Linda K Weavers M echanisms and factors influencing the ultrasonic cleaning of particle-fbuled ceramic membranes J Journal of Membrane Science, bl 237,No. 2, 2004:213-22318 Ming Caia? Shuna Zhaoa, Hanhua Liang. Mechanisms for the enhancement of ultrafiltration and membrane cleaning by different ultrasonic frequenciesJ Desalination, Vol 263,No.2, 2010:133-138.