壁挂式离子水治疗仪电解槽的结构研究与设计开发Word下载.docx
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而本次设计的离子水治疗仪就是能产生不同ph值离子水的离子水生成器。
从医学角度来说,健康的人体是呈弱碱性的,碱性离子水利于清除体内酸性代谢产物和毒素,增强机体抵抗能力,并对由于酸性食物摄取过多,运动量不足引起的胃酸过多,慢性腹泻,胃内食物异常发酵,消化不良等病症有显著疗效,同时对糖尿病和结石病有显著疗效。
酸性离子水具有较强的清洁与漂白作用,是最佳的美容收敛剂,可作为洗脸,洗发,洗涤用水,对烧伤,烫伤,擦伤,皮肤感染,有消炎止痛作用,酸性离子水也是清洗蔬菜,水果,餐具等的最佳用水。
1、碱性电解水的特点及功用：
（1）消除体内过多“自由基”对人体侵害，延缓组织器官衰老。
（2）渗透力与溶解力强，有效促进新陈代谢，对人体进行“体内清洗”，迅速排除体内毒素，提高人体免疫机能。
（3）含电解态矿物质（如钙、镁、锌等），易于人体吸收，有效补充微量矿物元素。
（4）含氧量高，迅速补充运动中丧失的氧分；
使花、鱼特别鲜活。
（5）富含离子态微量元素，高效补充人体所需要的微量。
（6）经过临床验证对粘滞血症有辅助治疗的作用。
2、酸性电解水的特点及功用：
（1）符合人体表皮的酸度要求，能有效清除毛孔内污垢，收敛皮肤，增强弹性。
（2）强档酸性电解水，有较好的抑除菌毒功效，可用来清洗身体及其他日常用品。
可收敛割伤口，迅速止血除菌，并可有效处理皮肤炎症。
30秒高效杀灭十几种细菌，病毒，可广泛用于家庭和公共场所的消毒。
（3）保鲜：
深层次杀灭至腐微生物，对鱼，肉，水果蔬菜等有良好的防腐保鲜效果。
总之，离子水可以在生产、生活的很多领域发挥积极的作用，而离子水治疗仪（离子水生成器）的研制将会为人们开来更健康的生活。
1.2国内外研究的现状
1、国内外电解水机的研究现状
电解水是目前世界先进国家公认最安全、最先进的水。
它以自来水为原料，自来水在通过电解水机时，水在电解过程中被功能化。
电解水行业面市至今,已在欧、美、日、韩、台和东南亚等地得到了极大发展。
以日本为例：
日本是电解水机的发源地，也是目前发展最好的国家。
早在上个世纪三十年代，日本开始研究电解水生成器，日本研究出第一台电解水机.进而将电解水机作为医疗器械，并承认它对于胃肠疾病的疗效。
并成立"
电解水研究委员会"
。
1966年，电解水生成器作为医疗器械正式获得日本卫生当局核准生产，至今已有30多年的历史。
近年来关于离子水的研究在韩国、欧洲、美国等地区也得到了迅速发展。
日本的医学博士北洞哲治研究了碱性离子水功效、安全性及其机理；
1992年，厚生省提出在品质，安全性，有效性方面依据当时的科学水准进行再研究，成立了专门的碱性离子制水机研究委员会。
1974年电解水机引入韩国；
1976年引入美国；
1994年，我国开始涉足电解水领域，厂家结合我国地域广阔、水质差异大及污染严重的实际情况开发生产出了更适合我国国情的电解水机。
1999年，中国功能水研究促进会在北京成立；
2001年，首届“亚洲功能水论坛”在昆明举行，我国的电解水事业迎来了又一个发展的春天。
2、塑料零部件设计技术的国内外研究现状
在国外，早在50年代美国学者就对聚合物过程的数值模拟建模作了一系列工作。
同期，瑞士的学者给出了有关挤出的重要模型。
70年代初期，有关塑化挤出模拟软件EXTRUD已商品化，该软件很大程度上是基于Tadmor和Klein书中所描述的模型。
80年代，随着C-MOLD软件的问世及其他一些软件广泛用于注射成型过程，模具设计才成为依赖于计算机预测的工程科学。
自80年代以来，北美和欧洲的许多研究小组对聚合物熔体流经管道、口模和成型设备的各个方面进行了深入的研究，推出了许多关于聚合物流动的有限元分析软件。
目前工业发达国家都在投入大量人力物力进行注塑模CAE研究，并竟相推出商品化的注塑模CAE软件，许多软件已在生产中广泛应用，产生了巨大的经济效益。
我国注塑模CAE研究始于70年代末，到了80年代后期才逐渐开始发展。
“八五”期间，由北京航空航天大学、华中理工大学、四川联合大学等高校联合进行了国家重点科技公关课题“注塑模CAD/CAE/CAM系统HSC3.0。
郑州工业大学模具研究所研制的Z-MOLD3.0等。
各科研院、所经过十多年来的不懈努力，在注塑模CAD/CAE领域取得了长足的进步，软件的国有化比重在不断递增，但仍有许多不足之处。
如：
目前国内自行开发的注塑模CAD/CAE系统都是基于一定的平台基础上，而自行开发的图形系统和CAE软件较少，并且还没有统一的标准，开发系统的实用性和局限性较大，因而，上述系统真正成为普及型软件还不成熟，有待于进一步技术研究和通过实践检验[10]。
1.3课题研究的主要内容
本文主要完成的工作：
1、查阅离子水治疗仪相关产品的资料，分析现有壁挂式产品中电解槽结构的优缺点，初步确定产品电解槽的基本结构。
2、对电解槽的相关结构进行详细的论证，用PRO/E软件建立相关零件的实体模型。
3、进行零件的装配分析。
4、完成相关零件的设计文件及装配工艺文件及相关部件的对接。
5、对典型零件进行相应的模具设计，并完成相关设计文件。
2壁挂式离子水治疗仪的电解槽设计
2.1壁挂式离子水治疗仪电解槽的结构设计
电解槽是离子水生成器的心脏,是决定离子水性质的关键部位.其功能是电解活化原水,产生碱性离子水和酸性离子水。
电解方式可以用一槽无隔膜式、二槽隔膜式以及经阳极电解后经阴极电解等方式。
一槽无隔膜式电解槽由于其阴极室和阳极室未分开，只能得到PH为5.0~6.0的弱酸性离子水，应用价值不大。
本次设计的壁挂式离子水治疗仪的电解槽选择二槽隔膜式将原水通过过滤消毒除菌后通过入电解槽，控制电压、电解时间，在阴极室生成不同强度的碱性离子水，阳极室生成不同强度的酸性离子水，应用到生产和生活的有关领域。
电解槽的设计理论基础
根据“法拉第定律”，电解时在电极上产生的物质的质量于通过电解时的电量成正比。
尽可能的提高单位面积的电流强度，以增加其电解度。
增加电极上产生物质的质量。
单位体积的水产生的物质（H2,O2）越多，则水的酸碱度范围越宽。
电解槽的适应性也越强。
关于水的负电位，可以分成两部分去分析，一是电解水所产生的OH-离子所带的负电位（相对稳定）；
二是电解水时产生的“电容效应”使水带过饱和电子所带负电位（不稳定）。
负电位和正对面积，间距及介质特性决定，它是否带电，带电量多少极板电势差的大小无关。
水的电位完全取决于电荷的密度，电荷的密度越大，电场线的分布越窄，场强越大，也就是电势越强，酸碱水的电势差也越大。
电解槽，包括槽体，电极板，膜和盖板，在电极板之间设有一中间制有多个槽孔的并相夹合构成的夹片，单向离子膜位于该夹片夹合的中间，只有正离子可以通过，这样既保证电解水的正负离子通过，又固定了离子模作用，这样电解后的H离子和HO离子就被分隔在不同的腔内，在不同的腔内连出不同的出水管，就可以得到了酸性水和碱性水。
在槽体内腔前后端内侧各设置制有凹槽并可插入夹片的固定板，其中后端一固定板开有可插入正、负电极板插头的插孔，对应位置的槽体则开有滑槽，该滑槽滑接有可插入电极板插头的滑块，如此结构使得离子模、夹片、电极板、滑块与槽体间牢牢地配装成一个整体；
在两个出水槽与槽体内腔的贮水槽之间设有一栅栏，该栅栏制有与正、负电极板相对应分配的栅栏槽孔，位于栅栏槽孔两边还制有凸条，该凸条可嵌装夹片；
实现了弱碱性、弱酸性出水槽分离。
而且壁挂式离子水治疗仪电解槽要满足一下几点：
1、使用安全电压，使用可靠。
2、使用高强度电流，电解能力强。
3、电极的选用充分考虑到各种水质（符合国家生活饮用水卫生标准），品质高、寿命长。
4、水流速高、、膜孔不宜堵塞，提高膜使用寿命。
5、电解槽可拆卸，离子膜、电极自由更换。
6、电极采用涂铂（钌、铱）等贵重金属，抗电解强度大，耐腐蚀性强，极板电阻小、活性高，在强电解下金属不会脱落，增强了机器使用的寿命。
7、电压12～36v，电解能力强，使用寿命长（高出同型进口离子水机电解槽数十倍）
可使水电解成PH7.5～10.0的碱性离子水；
PH2.7～6.0的酸性离子水。
2.2壁挂式离子水治疗仪电解槽的材料设计要求
电解槽是塑料件，塑料件的设计要求非常多。
像强度设计要求，工艺要求等等
2.2.1材料的强度设计要求
塑料件的耐用性取决于塑料件强度。
根据塑料件承受负荷条件不同，可把所承受的负荷分为短期负荷、长期负荷、循环负荷、冲击负荷、温度负荷等五类。
在设计塑料件时，首先要考虑的是强度设计，从以下五方面入手：
1、短期应力-应变行为
短期负荷是指塑料件在搬运、组合和使用时施加的负荷。
例如，搬运时受到的冲击力，各种连接机构在调整时所承受的载荷等。
和金属零部件的设计类似，其设计一般参考材料的应力-应变图。
但与金属材料相比，塑料在高温下的抗应变能力非常低。
在设计时主要考虑以下两点：
（1）按照材料的应力-应变曲线进行强度设计；
（2）应充分考虑零部件的使用环境、温度、加工方法、化学环境对机械性能的影响。
2、长期力学性能
长期力学性能是指在比例极限以内，塑料件长时间承受外力载荷，以及塑料件在成型和组合过程中造成内应力和残留应力。
主要失效形式表现为蠕变和应力松弛。
3、循环负荷
当塑料件承受反复或循环载荷作用时，应重点考虑在其寿命内预计承受循环负荷的次数。
特别是各种皮带轮、皮带、活塞环等，在设计时必须充分考虑材料的疲劳强度。
塑料件承受循环负荷时，重点考虑以下三点：
（1）承受短间距和长期间距的反复性负荷，应使用疲劳曲线进行设计；
（2）注意圆角的设计以避免应力集中；
（3）承受高频或高振幅的周期性负荷时，会因生热而缩短寿命，改用薄壁设计和耐疲劳的导热性材料可以改善塑料件的散热功能。
4、冲击载荷
冲击负荷的加载速度比其他机械负荷的加载速度要快得多。
零件设计时应尽量避免在高应力区施加高速负荷和冲击性负荷。
设计塑料件时需要考虑使用较大的圆角及较和缓的厚度变化，以避免应力集中。
5、温度负荷
与金属件相比，塑料件的性能对温度更加敏感，温度的变化对尺寸、机械性能等有显著的影响。
这里所指的温度负荷包括高温和低温，高温负荷容易使塑料软化；
低温负荷容易使塑料变脆。
对于塑料件来说，要考虑承受相对高温和相对低温的情况。
要使零部件适应使用的温度环境，设计时应注意：
（1）遵循材料的模量-温度曲线；
（2）尽量避免将不同热膨胀系数的材料进行组合，而且应该在自由端面保留允许塑料件膨胀的余量。
2.2.2材料的工艺设计要求
1、可制造性的设计要求
这里的制造主要指注塑成型过程。
产品设计将最终决定塑料件塑模的难易程度，塑料件生产的可行性，模具的复杂性和产品的成本。
在不影响产品性能的情况下，适当地修改产品的结构可能会大大降低模具的难度，从而降低产品成本。
影响制造工艺性的三个最主要的结构：
圆角、壁厚、加强筋。
（1）壁厚
塑料件的壁厚应均匀，不应有突变。
当塑料件上有薄壁区时，充填熔体倾向往壁厚的截面部分流动，容易产生竞流效应，导致产生气泡和熔合线，在塑料件表面产生瑕疵。
塑料件在射出成形后，必须冷却到足够低的温度，顶出时才不会造成变形。
壁厚较大的塑料件需要较长的冷却和保压时间。
例如厚壁区没有充足的保压，就会造成凹痕或气孔，为使塑料件的壁厚尽可能的均匀可以通过加入一些工艺孔或槽达到壁厚均匀的要求，以缩短成形周期，改善塑料件尺寸稳定性。
（2）圆角
塑料件外表面转折处有圆角不但能保证制品机械强度高、外观漂亮，而且塑料熔体在型腔中的流动也比较容易。
否则，塑料件在使用时拐角处容易产生应力集中而遭到破坏，成型冷却时易产生内应力和裂纹。
在塑料件的内表面转折处不一定要加圆角，要看加工的难易程度，当壁厚均匀时可以不加圆角，在分型面上不能有圆角过度。
（3）加强筋
设计良好的筋，不仅可以降低零件的重量，同时足以提供必要的结构强度。
如果还需要更高的刚性，可以缩小筋的间距，添加更多的筋。
筋的厚度一定要小于等于零件的壁厚。
2、可装配性的设计要求
减少产品中塑料件的数量也就减少了装配次数有利于保证产品的质量、减少所需模具的数量，但这样做的代价是塑料件的几何形状变得复杂，工艺性差，加工难度大，可塑模性很差。
在实际设计过程中，必须平衡各种因素，达到成本最低的要求。
因此，有很多产品将本由一个复杂结构的塑料件设计成单独的几个塑料件，再进行组合装配。
塑料件之间的装配有很多方法，例如压力装配、搭扣装配、机械紧固等。
在本小节中将几种塑料件装配中比较常见的方式加以归纳。
（1）压力装配
压力装配在形式上是一种非常简单的装配方式，不需要任何其他组件或者紧固件，仅仅是一个零件被压入与其相配的另一个零件中。
压力装配最重要的特征是装配零件或嵌件必须大于相配零件孔的最大公差尺寸。
但是，要完成一个良好的压力装配，获得必要的压合应力，既不会因过高的应力造成裂缝，又不会因过低的应力而造成松脱，必须选择合理的过盈配合。
同时，这种装配一定要考虑零件的材料，保证材料的一致性。
（2）搭扣装配
搭扣配合是利用塑料材料在比例极限内的变形能力进行两个塑料零件之间的连接，并且保证在完成装配后立即回复原始的形状。
完成搭扣配合连接时，搭扣两边的配合件都不承受应力，而连接过程中的最大应力也不超过比例极限，完成连接之后，组件承受的负荷必须在材料限度以内。
这种装配多用于小型或微型零部件的装配。
这种装配的最大好处是节省空间，但这种装配的缺点是重复装配的次数少，装配的精度低。
（3）机械紧固
多数机械紧固件对塑料产品的组装都是适用的。
传统上使用的固定组件主要包括固定金属组件的螺丝钉和铆钉，它们也可以应用于塑料件。
在其应用上需要考虑以下要点：
①预紧力过大的螺丝钉或铆钉可能导致应力；
②螺丝钉的螺纹可以预先加工，或是在紧自攻螺丝时产生；
③螺丝钉螺纹与头部之毛边、铆钉毛边等都可能造成应力，导致塑料件提早破坏。
2.2.3关于壁挂式离子水治疗仪底座加强筋的强度计算
壁挂式离子水治疗仪需要挂在墙壁上，由于前述所讲的长期力学效应，受长期整体重力的影响，治疗仪的壳体和底座可能会出现微小的形变，为避免这一状况，设计时在底座上加上了5个加强筋，设计厚度是2mm，为验证厚度是否足够用，现做下列验算：
1、在治疗仪的所有组件和元件都装配好了之后，通过Pro/E软件可以测得整个壁挂式离子水治疗仪的实体体积为：
1.9152×
106mm3=1.9152×
10-3m3
2、ABS塑料的密度为：
1.05×
103kg/m3；
拉伸的弹性模量E=5.1―6.1Gpa，取6.1Gpa=6.1×
109Pa；
重力加速度g=9.8N/kg
3、治疗仪的重力F=V·
ρ·
g=19.707N
4、因为应力σ=F/A，A是5个加强筋的横截面积。
加强筋是一个30度、60度的直角三角形，根据受力方向是加在60度的底边上，所以取横截面积在底边网上2/3处，算得此横截面积为4×
106m2,所以σ=F/A=19.707/（5×
4×
106）=0.985×
106N/m2
5、因为应变δ=σ/E=0.985×
106/（6.1×
109）=0.000162N/m2＜0.002，所以加强筋的厚度完全满足强度设计要求。
3Pro/Ewildfire3.0的设计流程
3.1Pro/Ewildfire的特征功能及其在本次设计中的应用
Pro/ENGINEER在当今已成为最普及的三维CAD/CAM系统之一，作为一个全方位的三维产品开发软件，它以单一数据库、参数化、基于特征、全相关性及工程数据的再利用等改变了传统的设计理念，成为机械设计自动化领域的新标准。
Pro/EWildfire有三个主要的特征，它应用使用参数化设计的以实体为基础的特征模型，使用充填组合式（完全关联构造）机械设计及自动化产品概念设计的实质性标准，同时它也跨越了从设计到制造的整体系统[1]。
特征的种类：
1、草绘特征
（1）加材料拉伸
①拉伸：
使用“拉伸”命令，在绘制剖面之后，将绘制的剖面拉伸出来形成新的实体。
②旋转：
围绕一根中心轴旋转所创建的旋转特征。
③扫描：
把草绘截面以绘制的路径进行移动，以此来创建实体的特征。
④混合：
由一系列（至少两个）平面截面组成，并将这些平面截面的边界用过度曲面来连接，从而形成一个连续的特征。
⑤实体化：
把封闭的面转换成实体。
⑥加厚：
为平面输入一定的拉伸值，从而转换成实体。
（2）减材料拉伸
是与加材料拉伸相反的概念。
2、拾取和放置特征
①孔：
这个功能用也创建各种形态的特征，与钻孔操作有同样的特性。
②倒圆角：
这个功能是为了把面与面相交的地方处理成圆弧形的特征。
③壳：
这个功能是为了把实体的模型面删除，使实体拥有输入的厚度，最终创建成壳状的特征。
④抜模：
用于实体上创建出斜面的特征。
3、曲面特征
这种特征与草绘特征有相似的创建方法，使用曲面特征创建时，使其实体化特征变成精密、复杂的自由曲面特征，在建模过程中会应用到偏移、复制、修剪等功能。
4、基准特征
①基准平面：
用于三维空间上创建特征，为了定位这些特征而产生的理论上没有边界的平面。
②基准轴：
用来创建特征时的参照，可以配合基准面和基准点用于创建尺寸标注参照、圆柱、圆孔及旋转中心，也可用作阵列复制和旋转复制等操作时的旋转轴[2]。
本次毕业设计，设计的是壁挂式离子水治疗仪的电解槽，在设计三维实体零件模型的过程中，主要运用了Pro/ER软件非几何特征的“基准平面”、“基准点”，几何特征中的“拉伸”、“草绘”、“壳”、“倒圆角”、“倒角”、“旋转”、“阵列”、“镜像”等功能。
3.2壁挂式离子水治疗仪电解槽下槽体部分绘制过程
1、单击【拉伸工具】按钮，打开拉伸特征操控板，单击【放置】面板中的【定义】，系统将显示【草绘】对话框，选FRONT面为草绘平面，RIGHT为参考平面，接受系统默认的视图方向。
单击【草绘】按钮，进入草绘状态。
绘制图3.1所示的截面，单击
按钮，输入拉伸长度95，点击确定，如图3.2。
图3.1槽体实体的截面草绘
图3.2槽体实体的拉伸
2、要想做出如3.3的实体，可以用拉伸除料达到目的，但是拉伸除料还要事先选定基面绘制准确的草图还要测出除料的深度以便拉伸，这不免过于麻烦，我们可以用【壳】
命令，选中需要去除的表面直接在实体上抽出厚度为2.5的壳体。
图3.3槽体实体的抽壳
3、点击【拉伸】，以壳体的开口面为基面绘制草图如图3.4，拉伸高度3，如图3.5。
图3.4槽体底座截面草绘
图3.5槽体底座的拉伸实体
4、利用“倒圆角”
命令将拉伸出的壳体的棱角倒圆。
然后再次进行拉伸，在上步拉伸的实体的上表面进行草绘，并与上步类似，向上拉伸高度3，如图3.6。
图3.6槽体倒圆角图3.7底座凹槽草绘
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