家用超声波洗碗机整体结构设计.docx

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家用超声波洗碗机整体结构设计

摘要………………………………………………………………………1

第一章前言…………………………………………………………3

1.1背景………………………………………………………3

1.1.1选题的依据及研究意义………………………………3

1.1.2国内外洗碗机发展与现状……………………………3

1.2 国内市场上洗碗机的分析………………………………4

1.2.1国内市场上洗碗机的特点与不足……………………4

第二章总体方案…………………………………………………6

2.1 设计要求…………………………………………………6

2.2整体方案设计……………………………………………6

2.3本章小结…………………………………………………7

第三章超声波清洗原理…………………………………………8

3.1 超声波清洗技术简介……………………………………8

3.2超声清洗机理……………………………………………8

3.2.1超声空化作用…………………………………………8

3.3 超声空化阀……………………………………………9

第四章超声清洗参数选定………………………………………10

4.1 影响超声波清洗效果的因素……………………………10

4.1.1 声强…………………………………………………10

4.1.2 频率…………………………………………………10

4.1.3 清洗液………………………………………………11

4.2 超声场的研究………………………………………………11 

4.2.1 空化强度的测量……………………………………11

4.3 选取参数…………………………………………………11 

4.3.1 超声清洗参数………………………………………11

4.4本章小结…………………………………………………11

第五章超声波洗碗机结构设计…………………………………13

5.1 整体方案设计……………………………………………13

 5.2 各重要部件设计…………………………………………13

5.2.1 清洗槽………………………………………………13

5.2.2 进排水系统…………………………………………13

5.2.3 水位感应系统………………………………………13

5.2.4喷臂系统……………………………………………14

5.2.5 超声波发生器………………………………………15

5.2.6 超声波换能器………………………………………16

5.2.7加热系统……………………………………………17

5.3本章小结………………………………………………18

第六章控制系统…………………………………………………19

6.1控制逻辑…………………………………………………19

6.2处理器选择………………………………………………19

第七章总结……………………………………………………21

致谢…………………………………………………………22

参考文献…………………………………………………………23

附录………………………………………………………………24

摘要

随着中国人生活水平的提高和生活节奏的加快，市场上出现了更多的适合于现代家庭生活的新型家用电器。

这些电器都具有高效、节能和环保的特点。

中国目前的家用电器产业发展很快，出现了海尔、TCL等国际企业，在一些方面也达到了国际顶尖水平。

在家用电器里，彩电和洗衣机的普及率比较高，然而家用洗碗机却一直是一个未开发但拥有极大潜力的领域。

究其原因，是因为传统的洗碗机仅采用喷臂式冲洗的清洗结构，不适合中国深度大的碗、盆等餐具的清洗，导致清洗效果差、效率低，耗能大，所以并不受欢迎。

根据这些问题，提出将超声波的清洗功能利用在这个领域，设计出高效节能的新型洗碗机。

根据超声波清洗的特点和餐具清洗的工艺，在洗碗机整体结构、清洗工艺和控制系统三个方面进行改良设计。

结构方面，采用不锈钢清洗槽，合理布置超声波系统，喷臂冲水装置和进排水装置等，使结构更加紧凑合理，提升清洗效果。

清洗工艺方面，根据铝锡箔腐蚀法所得的结果，分析洗涤槽内超声波空化强度的分布，选择合适的参数，确定最优的清洗流程。

控制系统方面，选取合适的PLC，以各个部分作用的时间先后为逻辑顺序，实现清洗过程的自动化。

关键词：

超声波；洗碗机；结构设计；PLC

Abstract

 With the improvement of people's living standards and the acceleration of modern life speed, new household electrical equipment which are more adaptable to the modern family life are required to meet customers’ need. These appliances are more efficient, energy-saving and environmentally-friendly. The household appliances industry in China has being developing rapidly. And there appear some international corporations such as Haier, TCL etc. Furthermore, we have reached in top level in some technical fields. Among household appliances, the penetration rate of color TV and washing machine are relatively higher, the household dishwasher, however, is an undeveloped but great potential field. The reason is because the traditional dishwasher’s flush cleaning system and spray arm structure are not applicable to the Chinese tableware such as deep bowls, deep pots etc. It was generally regarded as “bad cleaning effect, low efficiency and high energy consumption”, so it was not popular. Now, I try to takes advantage of the cleaning feature of ultrasonic to solve these problems by designing a new efficient dishwasher. According to the characteristics of ultrasonic cleaning and dishwashing’s process, I have 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 ultrasound 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:

 according to the academic result of corrosion of the aluminum foil research, figuring out the distribution of ultrasonic cavitations’ intensity and selecting appropriate parameters to determine the optimal cleaning process. Control system:

 selecting the appropriate SCM（Single Chip Microcomputer）and basing logical order on the running order of each part to makecleaning process automatic. 

Key words:

 ultrasonic; dishwasher; structure design; SCM（Single Chip Microcomputer）

第一章绪论

1.1背景

1.1.1选题的依据及研究意义

洗碗是一项必不可少的家务活动，然而过多的油渍让人对洗碗很是厌烦，洗碗机的出现将会使这项家务活动变得简单而有趣。

有一点值得注意的是，普通洗碗机需要加入大量的洗涤剂才能达到洗涤干净的要求，浪费大量水资源且对环境构成污染。

因为超声波可以穿透固体物质，而且污染很小，因此人们想到使用超声波来清洗餐具，于是就出现了现在的超声波洗碗机。

这种超声波洗碗机的原理是：

当超声波经过液体介质时，将以极高的频率压迫液体介质振动，使液体分子产生正负交变的冲击波。

当声强达到一定数值时，液体中急剧生长微小空化气泡并瞬时强烈闭合，产生强烈的微爆炸和冲击波使被清洗物表面的污物遭到破坏，并从被清洗表面脱落下来。

虽然每个空化气泡的作用并不大，但每秒钟有上亿个空化气泡在作用，就具有很好的清洗效果和超高的洁净度。

影响超声清洗效果的因素有很多。

除了声强必须大于空化阀（即使液体产生空化的最低声强或声压幅值）外，还与被清洗物等有关。

超声清洗对声反射强烈的材料，如金属、玻璃、塑料等其清洗效果好，而对声吸收较大的材料，如橡胶、布料等清洗效果较差，碗、盘、盆、碟等从物理学角度来看属弹性介质物体，用超声清洗其表面再合适不过了!

在洗涤液选用方面，水的粘度不大，有利于清洗，假如把水温加热到60℃，此时的空化最活跃，效果也就最好，因而利用超声波来洗碗是完全可以的。

超声波洗碗机作为健康环保的新家电，能够使人们从繁琐的家务活动中解脱出来。

超声波洗碗机有以下特点：

1、节水省电、低噪音。

2、清洁度高、没有死角。

3、不需用专用洗涤剂，环保。

4、洗碗机结构简单、使用寿命长。

1.1.2国内外洗碗机发展与现状

“1929年德国的米勒公司制造出了欧洲第一台电动家用洗碗机。

1954年美国GE公司生产了第一台电动台式洗碗机，在洗涤性能和整机体积外形上都有所改善。

1978年米勒公司又制造出了世界上第一台微电脑控制型洗碗机，使人机关系更为密切，洗碗机的家用性得到了更好的体现。

于是越来越多的洗碗机进入西方家庭。

在亚洲最早从事洗碗机的研究的是日本，到了九十年代中后期，日本已发展了微电脑全自动台式洗碗机。

所代表的企业有松下（National）、 三洋（SANY）、 三菱（MITSUB ISHI）、东芝（TOSHIBA）等。

与此同时，欧美则已经把家用洗碗机发展成具有统一形象的厨房家电。

欧美所代表的企业有米勒、 西门子（SIEMENS）、 惠而浦（Whirlpool）等公司。

”国外很多家庭都拥有家用洗碗机，并且家用洗碗机的普及率还在不断的增大。

良好的市场促进了企业对新型洗碗机的研制和开发，这种良性循环使国外的洗碗机产业焕发出蓬勃的生机。

目前传统的喷臂式和涡轮式洗碗机在西方仍然很受欢迎，因为这类洗碗机制造成本低，售价不高，而且很适用于西方餐具的特点，有很好的清洗效率。

欧美一些国家开发出的新型超声波洗碗机有着低能耗、高效率和环保的特点，在注重节能环保生活的发达国家也产生了很大的影响。

我国于80年代开始研制洗碗机，但是洗碗机在国内并没有很好的普及。

究其原因，首先是因为很多企业直接引进了国外的洗碗机生产线，虽然在结构上有所改进但是其结构特点和清洗方式仍然不太适合中餐餐具的特性。

其次是因为清洗效率低，为了达到效果，增加洗碗机的工作时间，使耗电量太大，不适合普通家庭使用。

最后，因为洗碗机普遍体积较大，在房价高昂寸土寸金的中国很难为其提供安放的场所。

我国目前生产洗碗机的企业有海尔、小天鹅、美的等。

价格一般在2000元以上。

根据作者在成都市中心几家国美和苏宁电器的调研。

商场里仅有海尔的一款家用洗碗机在销售，其类型是传统的喷臂式洗碗机，售价在3000元左右。

整体来说，中国的洗碗机产业还处在技术落后、市场开发不全的状态里。

1.2  国内市场上洗碗机的分析

1.2.1国内市场上洗碗机的特点与不足 

以海尔洗碗机为代表分析。

市场上相对比较受欢迎的海尔4和6系列。

4系列   包括WQP4—2、WQP4—3和WQP4—2000A三个型号。

采用了上下双喷淋器使餐具上下部分同时受到喷射水流的直接冲击，可以得到很好的清洗的效果，并且可以加快洗涤速度，整个过程只有6分钟。

切其过滤网外置于洗碗机前方，方便消费者整理清洁。

而且采用了臭氧消毒，提供了很好的卫生条件。

在运行有故障或门没有关好的时候发出蜂鸣声。

此外，还提供开门保护功能。

6系列洗碗机   包括WQP6—2、WQP6—2B、WQP6—3型。

都采用了800MM高度的设计。

内胆为正方体，能让喷射覆盖的面积比例达到最大。

设有上下两个餐具架，可以分别进行清洗，节约水电。

采用的是内循环式干燥系统，消除了湿热空气的影响。

利用新型磁化技术，能防垢、除垢。

设有溢水保护系统，可靠安全。

臭氧消毒，健康环保。

 总体来说，国内的洗碗机已经基本能保证清洗效果，并实现了自动化和安全化。

国内的洗碗机生产线大多从国外进口，虽然在结构性能上有一定的改良，但仍然不适合我国餐具的特点。

洗涤效果并不如想象中好。

这是国内洗碗机不能占领市场的主要原因。

其次是耗电量和耗水量大。

一台洗碗机完成洗碗、消毒、烘干耗时长。

且洗碗机的功率从600W到2300W不等，消费者将承受更多的电费。

国内的洗碗机品牌，如海尔、小天鹅、美的等，最低价格都在2000元左右，加上专用的洗涤剂，不仅价格高，而且不环保。

最后是结构设计、材料有缺陷。

国内洗碗机多为塑料内胆，长时间使用之后，内胆会变得有异味而且油腻难清洗，出现“洗碗机洗碗，人洗洗碗机”的问题。

要想在中国普及洗碗机，开拓市场。

必须要结合中国人的饮食结构、卫生习惯和生活观念等各种因素。

开发出在清洗技术和结构材料都合适的新型洗碗机。

第二章 总体方案 

2.1  设计要求 

设计的新型超声波洗碗机必须满足以下几点要求：

（1）结构设计合理，洗碗机能正常工作 

（2）清洗后，98％的餐具能达到洗净标准。

（3）高效率，能在30分钟内完成自动清洗过程。

（4）自动化，人工触动开关后，自动工作，并有指示灯提示。

2.2整体方案设计

本课题将超声波技术应用与洗碗机，取代原有的喷臂加洗涤剂洗碗机，效率更高，更加环保。

由于超声空化作用的良好清洗性能，故能很好的将油污从餐具上清离，再采用喷臂辅助清洗，能达到很好的清洗效果。

方案设计如图2-1：

自来水通过进水电磁阀流入清洗槽，达到一定水位时，进水电磁阀关闭，加热器工作，当达到一定温度时，加热器停止工作，超声波系统开启，进行超声波清洗，在超声空化作用下，油污与餐具剥离，一定时间后超声波系统关闭，排水电磁阀导通进行排水，当排水到低水位时触动低水位开关，喷臂电磁阀导通进行喷臂辅助清洗，一定时间后洗涤完毕，喷臂阀关闭，剩余水量由排水阀排出。

1：

进水电磁阀；2：

喷臂电磁阀；3：

排水电磁阀；

4：

超声波振子；5：

喷臂

图2-1总体方案图

2.3本章小结

洗碗机最重要的为清洗系统。

一个搞笑的清洗系统能打打提高清洗效果并节水节电。

采用超声波清洗既节能又环保，其关键技术在于确定超声波换能器的功率和声强等参数。

第三章超声波清洗原理

3.1  超声波清洗技术简介 

1830年，名叫Savart的科学家用一个大齿轮第一次发出了人造超声波。

1918年，名叫Langevin的科学教用石英的压电效应设计了石英换能器。

这是人类第一次设计出能控制声波频率和声强的超声装置。

现在超声波技术发展迅速，在军事和工业生产中扮演着重要作用。

通常将超声技术分为检测超声和功率超声两类。

检测超声是利用超声的波动特性，来采集信息，特别是物质的内部信息，这是一种超声的被动应用，比如超声的探伤技术。

功率超声是超声的主动应用，利用超声波本身的能量和特性来改变材料的一些有用的性质和状态，比如超声波清洗技术。

通常用的超声波清洗装置都采用20~80KHz频率的超声，主要应用于机械、电子和医疗等工业，总体来说其应用范围非常广泛，发展也是非常迅速。

超声波清洗效率高，易于实现自动控制。

对形状复杂、造型不规则的工件有着不可比拟的清洗效果，所以特别适合中餐各种各样的餐具的洗涤。

3.2超声清洗机理

3.2.1超声空化作用

超声空化作用是超声清洗的最主要机理。

在液体中溶解有部分空气，这些微小气泡存在于液体中，称为空化核。

当超声波产生时，会带动液体振动。

在这些液体运动的过程中又会融入更多的微气泡。

液体振动时其密度会发生变化。

在液体密度大的地方会对空化核产生正压力，液体密度小的地方会对空化核产生负压力。

当声压达到一定值时，这些空化核在受负压力的时候，会对外迅速膨胀成为较大的气泡，在正压力作用下会迅速闭合，产生巨大的冲击和局部压力，据估算闭合时的局部压力能达到上千个大气压。

闭合时产生的巨大压力能冲击难溶的油污，使其从餐具上脱落。

同时闭合的巨大压力能带动水中的磨料粒子撞击餐具表面，是油污脱落。

超声清洗除了空化作用，还有一系列伴随作用，具体如下：

微射流：

由于空化闭合时，开始是球形，然后不对称闭合，形成一个指向餐具表面的液体射流，其速度大于100m/s，对餐具上残留的油污形成冲击，同时增大了洗涤液的渗透作用，称为声学毛细管效应。

辐射扭力：

空化核在运动时发生的二阶现象。

在均匀洗涤液中作用于洗涤液本身，使洗涤液产生环流，叫做声流，它能使振动气泡表面产生高达90Mpa的粘滞应力。

乳化作用：

在超声空化作用下，有油污包裹住的固体粒子，在两种液体的分界面迅速分散而乳化，固体粒子自动脱落。

3.3  超声空化阀 

使清洗液达到空化作用的最小声强或者声压幅值称为空化阀。

只有当交变声压幅值大于静压力产生的负压力大于液体结构强度时才会产生空化作用。

 空化阀Pc表示为：

其中Po为液体的静压力, Pv是蒸汽压，Ro是空气核半径，

是表面张力系数。

可以看出液体含气量越少，空化阀越高，静压力越大，空化阀越高，液体的沾度越大，空化阀也越高。

可见，不同液体的空化阀不同，同一液体在温度、压力和含气量等不同的情况下，空化阀值也不同。

 此外，由经验公式：

可以得出空化阀与沾滞系数的关系。

μ为沾滞系数。

并且声波的频率越高空化阀也越高。

当声波频率超过4.8MHZ的时候，空化空化阀接近10Mpa。

第四章  超声清洗参数选定 

4.1  影响超声波清洗效果的因素 

4.1.1 声强 

声强是单位体积的声波功率。

根据对超声空化阀的研究知道，只有交变声压幅值超过液体静压力时才能出现负压，当负压超过液体强度时才能产生空化。

而这个最低的声强称为空化阀。

当声强越大的时候，空化强度也越大，此时的清洗效果更好。

但是当声强过大的时候会在声源表面产生过量气泡形成阻隔声波传播的屏障。

声波能量在传播的过程中会逐渐减弱。

就水而言，其空化阀约1/3W每立方厘米。

在超声清洗中，声强太弱不能有效将污物洗去，太强又会对清洗件表面造成损坏，甚至在辐射面形成声障，使声能不能完全辐射到整个空间，影响清洗效果。

在有限的清洗空间内，超声波易在声源，液面和空气交界处来回反射，形成驻波，使波节处声压过小，无法发生空化，造成清洗盲区。

声强一般选在1W/cm2---2W/cm2之间。

4.1.2 频率 

在同样的液体中，声波的频率越高，产生空化作用所需的声强越大。

所以如果选取的超声波频率越低则越容易产生空化作用。

并且在低频的时候，空化核从膨胀到闭合的过程越长，所以在闭合前能有更大的闭合半径，这样，闭合时能产生更大的闭合强度，对污渍的清洗效果更好。

但是，当频率低于20KHz的时候会有噪音，对人体产生伤害，更重要的是，过低的频率会让空化核不能闭合，不能产生空化作用。

所以，通常会选择20KHz~40KHz作为清洗的频率范围。

由于清洗的为陶瓷玩具，清洗槽规格为400×400×430，所以这里选择28KHz。

4.1.3 清洗液 

  选择清洗液的时候要考虑三点。

第一是清洗液本身的对污染物的清洗能力。

第二是清洗液的粘度和表面张力对超声空化作用的影响。

最后是清洗液对环境是否有污染。

在超声空化作用中，清洗液的粘度越大，空化阀值越大，空化作用越难发生。

表面张力越大，空化的强度越大，清洗效果越好。

所以，选择的清洗液最好有粘度小。

表面张力大的特点，并且由于水的污染小，粘度小，表面张力大，所以综合考虑后，选取自来水为清洗液。

4.2 超声场的研究 

4.2.1 空化强度的测量 

因为空化核运动不是线性，所以在一个超声场中，很难知道空化强度的分布情况。

但同时由于空化作用产生的局部高温高压会使水分子H2O分裂成离子H-和-OH，所以可以通过测量离子在清洗液中的局部密度来间接测量空化的强度。

由于条件限制，这里参考知网专利论文得出实验结论：

1：

超声波空化强度从离声源近的地方开始逐渐增强，在中部的时候达到最大，随后逐渐减弱。

其原因是过多的空化气泡会形成声波屏障，会影响声波的传递，所以在远的地方，空化强度反而减弱。

2：

无扫频作用的清洗效果差。

因为在清洗槽的有限空间内，为避免超声波在交界面或者洗涤槽壁的时候反射形成驻波造成某些地方声压小某些地方声压大，从而使清洗不均。

而扫频可以避免驻波形成。

只要使超声频率在合理的范围内变化。

3、相同情况下。

双面作用强度比单面作用低。

因为，双面的时候超声波会发生干涉，影响清洗效果。

4、单面扫频的清洗效果最好。

4.3 选取参数 

4.3.1 超声清洗参数

超声功率、清洗时间、水温是影响超声清洗的主要因素。

超声功率密度：

P=发射功率（W）/发射面积（cm2）；

通常P≥0.3W/cm2，在液体中传播的超声波能对物体表面的污物记性清洗，其原理用空化阀表示，超声波振动在液体中传播的音波压强打到一个大气压时，其功率密度为0.35W/cm2，这是超声波的音波压强峰值就可打到真空或者负压，但实际上无负压存在，因此在液体中产生一个很大的压力。

综上，功率密度应选在0.35—1W/cm2之间。

超声清洗时间：

一般根据污垢的的不同，单次清洗时间为3—10分钟不等，鉴于中国人饮食习惯偏向油腻，这里将超声清洗时间定为10分钟。

水温：

这里将清洗水温定在50℃

4.4本章小结

经上述对超声空化强度及对基本参数设计计算，该家用超声波洗碗机的基本参数被确定为：

工作温度为50℃，清洗时间为10min，