新型洗碗機設(shè)計

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1、論文題目： 新型洗碗機設(shè)計 新型洗碗機設(shè)計 摘要：隨著人們生活水平的提高和生活節(jié)奏的加快，原先繁重的家務(wù)都交由家電來完成，省下了許多 的時間。在國內(nèi)家電的普及率已經(jīng)很高，然而家用洗碗機的市場潛力巨大但是未被完全開發(fā)。故本文設(shè)計 了一款新型的洗碗機，從用戶需求，功能需求和技術(shù)要求等方面著手，運用多種設(shè)計分析方法(形態(tài)學(xué)分 析，公理化設(shè)計原理，質(zhì)量屋分析等)對洗碗機進(jìn)行了詳細(xì)的研究，提取出了核心技術(shù)，并完成了概念設(shè) 計和結(jié)構(gòu)設(shè)計。新型洗碗機保證了清洗效果和清洗效率，同時達(dá)到節(jié)能環(huán)保的目的。 關(guān)鍵詞：超聲波清洗概念設(shè)計結(jié)構(gòu)設(shè)計建模與仿真 The Design ofNewnstyle D

2、ishwasher Abstract: 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 ho

3、me 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 anal

4、ysis, 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 purpose? Key words: Ultrasonic rinse, Conceptual design, Structural desi

5、gn, Modeling and Simulation 上海大學(xué)機械設(shè)計方法 1引言 2 1. 1課題背景 2 1. 2市場前景與經(jīng)濟(jì)效益分析 2 1. 3洗碗機研究狀況 2 2設(shè)計目標(biāo) 2 2. 1產(chǎn)品要求 2 2.2功能結(jié)構(gòu)分析 3 3設(shè)計分析 4 3.1可能方案的初定 4 3.2分功能分析 5 4核心技術(shù)提取與解析 6 4. 1核心技術(shù)提取 6 4. 1. 1物質(zhì)-場分析以及技術(shù)沖突 6 4.1.2用QFD方法提取核心技術(shù)和規(guī)劃設(shè)計戰(zhàn)略 7 4. 1. 3基于TRIZ理論的方案求解 8 4. 2核心技術(shù)的分析 9 4. 2. 1超聲波基礎(chǔ)理論 9

6、 4. 2.2建模與仿真 10 5實驗設(shè)計與驗證 13 6結(jié)構(gòu)設(shè)計 15 6. 1 分功能載體設(shè)計 15 6.2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 16 致謝 17 參考文獻(xiàn) 18 1引言 25 1.1課題背景 隨著人們生活節(jié)奏的加快，人們的可利用時間越來越少，難得在家里的時間也要為家務(wù) 所困擾，無法得到完全的放松，無疑加重了負(fù)擔(dān)。在所有家務(wù)中洗碗是每天必做的事，當(dāng)人 們飽餐一頓后不得不去清理油膩膩的餐具，特別是有比較大型聚會的時候，當(dāng)客人盡力而歸 后眾多的餐具讓主人著實頭疼。冬天洗碗冰冷的水很是刺骨，洗滌劑也對皮膚有害，同時因 為通常對于碗具是否清潔干凈完全是憑借人的感覺，對用水量也把

7、握不住，所以水的浪費量 也很嚴(yán)重。有的人為了不洗碗就用一次性的碗碟，雖然方便了但是制造了白色污染。由上述 情況可見，洗碗所引起的一系列問題是無法忽視的，所以人們需要一款自動洗碗機來減輕家 務(wù)的負(fù)擔(dān)，可以有更多的時間去享受生活，實現(xiàn)綠色生活，同時能對環(huán)保盡自己的一份力。 1.2市場前景與經(jīng)濟(jì)效益分析 洗碗機的設(shè)計初衷完全符合人們想要從家務(wù)中解放出來的想法，同時根據(jù)洗碗的數(shù)量口 動調(diào)節(jié)水量，達(dá)到節(jié)能環(huán)保的要求，為每個家庭都能節(jié)省一筆開支，提高了工作效率，釆用 高新技術(shù)能使洗滌的效果也比人工洗滌更好，對碗具不會造成損壞，基于上述的優(yōu)點，洗碗 機的性價比能得到人們的認(rèn)同和接受。目前國外一些發(fā)達(dá)國家家

8、用洗碗機的普及率已到達(dá) 30%~40%,特別在美、德、法等西方發(fā)達(dá)國家的普及率高達(dá)60%~70%,東南亞國家也在以 每年20%的增幅發(fā)展，近年來隨著中國經(jīng)濟(jì)飛速的發(fā)展，國民的生活水平和經(jīng)濟(jì)實力大大提 高，家用電器已經(jīng)成為家庭不可缺少的一部分，只要家電的設(shè)計符合人們的需要，符合國情, 那么價格合理的家電必然為大眾所接受。綜上所述，只要洗碗機在中國定位準(zhǔn)確，那么市場 前景和經(jīng)濟(jì)效益都很可觀。 1.3洗碗機研究狀況 洗碗機屬于比較復(fù)雜的機電一體化產(chǎn)品，需要自動完成包括洗滌，消毒，烘干，排進(jìn)水 等等工作。從洗滌技術(shù)，布置結(jié)構(gòu)，內(nèi)置材料到控制器，控制技術(shù)，兒乎每個方而的技術(shù)提 高都可以讓洗碗機的性能

9、有很大變化。Maytag和GE公司的新款洗碗機以智能化見長，模 糊控制邏輯技術(shù)和精密傳感裝置則是智能化實現(xiàn)的關(guān)鍵技術(shù)，而德國Siemens公司的SN型 洗碗機可根據(jù)碗碟的污垢度不同合理選用噴水溫度，可見各種高級控制技術(shù)和各類傳感器的 應(yīng)用使得洗碗機越來越智能化。清洗方式和理念的改進(jìn)和改變使得清洗效果更為明顯，例如 三洋電機公司的DW-S200型在水流的通路上安裝了超聲波發(fā)生器，采用超聲波噴射水流； 法國Thomson公司則采用的新型磁化技術(shù)；海爾4系列洗碗機采用的全包絡(luò)洗滌技術(shù)；美 的洗碗機WQPS-8002系列采用高層扇形三層噴洗，最高噴水速度為7.2米/秒；英國Smeg 公司開發(fā)的“Stn

10、cg 6kital”裝置，可使水流至碗具的任何地方。此外，防噪聲技術(shù)，消毒 技術(shù)，碗籃機構(gòu)設(shè)計以及人性化交互界而設(shè)計等方而的推陳出新同樣提升了洗碗機的功能性 和實用性。 2設(shè)計目標(biāo) 2.1產(chǎn)品要求 基于市場潛在的需求擬設(shè)計開發(fā)一種新型洗碗機。通過對用戶調(diào)查，了解到用戶對新型 洗碗機在功能性，可靠性，經(jīng)濟(jì)性和操作性這四個方而上的要求，現(xiàn)將相應(yīng)的資料匯總后， 確定出用戶需求樹如圖1所示： 圖1新型洗碗機用戶需求樹 2.2功能結(jié)構(gòu)分析 通過用戶需求樹的建立，確定新型洗碗機具有進(jìn)水排水功能，清洗功能，消毒功能，加 熱功能，餐具盛放功能，控制功能以及人機交互功能，成功將用戶需求轉(zhuǎn)化

11、成功能結(jié)構(gòu)，對 應(yīng)的新型洗碗機功能分解樹如圖2： 洗碗機功能 進(jìn)水卅水功能 沾沉功能 消奇功能 加 執(zhí) 功 能 餐ft盛放功能 控制功能 水 位 檢 測 功 污 濁 度 檢 測 功 能 溫 度 檢 測 功 能 用戶界血 圖2新型洗碗機的功能分析 3設(shè)計分析 3.1可能方案的初定 根據(jù)上述對新型洗碗機的用戶需求的理解和功能分析，同時結(jié)合各方而技術(shù)狀況運用 形態(tài)學(xué)分析方法初定幾種可能方案，列出的形態(tài)學(xué)矩陣如表1所示。 分功能 功能載體 1 2 3 4 5 A 清洗功能 機械摩擦 電磁振蕩 熱脹 水射流 超聲波 B 消毒

12、功能 消毒劑 高溫消毒 臭氧消毒 C 加熱功能 電加熱 微波加熱 太陽能 加熱 D 控制功能 人工手控 機械定時 單片機 口控 E 用戶界而 按鈕 遙控 觸摸屏 F 餐具放置 功能 拉籃式 轉(zhuǎn)籃式 G 降低噪音 功能 吸音板 靜音裝置 減震壁 表1新型洗碗機形態(tài)學(xué)矩陣 由上述形態(tài)學(xué)矩陣可得，理論上可組合出5x3x3x3x3x2x3 = 2430種方案，從中挑 選了兩種合理的方案： 方案 A： A4-B2-C3-D3-E3-F1-G3 方案A是基于主流的水射流清潔技術(shù)的自動化洗碗機

13、，人機交互是其優(yōu)勢。 方案 B： A5-B3-C1-D3-E1-F1-G1 方案B則是采用了超聲波技術(shù)的自動化洗碗機，清洗方式的變革可能會帶來不同的 效果。 3.2分功能分析 木小節(jié)運用公理化設(shè)計原理，求解出新型洗碗機各個分功能模塊對應(yīng)的物理域中的設(shè) 計參數(shù)，并對這樣的映射關(guān)系進(jìn)行分析和評價： 根據(jù)前而對新型洗碗機的總功能和分功能的分析，可以將該洗碗機的功能域分解為以 下8個模塊：F&.控制功能，朋2 ■餐具放置功能，視■進(jìn)水排水功能，F(xiàn)R「加熱功能, 朋5 ■清洗功能，磯■消毒功能，朋7 ■人機交互功能，磯■降低噪音功能，并對其進(jìn)行 了二次分解，具體實現(xiàn)過程如下: (1) FR

14、廠控制功能： 礙「數(shù)據(jù)采集 礙2?控制核心 (2) F&?餐具放置功能： F&、.餐具固定 fr22 ■餐具擺放 (3) F&?進(jìn)水排水功能： 視］■流量調(diào)節(jié) F&2 ■動力源 F傀3 ?水位檢測 (4) FR「加熱功能： FRy加熱方式 fr42?溫度檢測 (5) F&?清洗功能： fr5}-清洗方式 fr52-水污濁度檢測 (6) 消毒功能 (7) FRj?人機交互功能： 碼］?命令輸入 FR”數(shù)據(jù)與狀態(tài)顯示 (8)取?降低噪音功能 對應(yīng)物理域的設(shè)計參數(shù)如下： (1) 控制系統(tǒng)： 砂「數(shù)據(jù)采集接口電路DPn?單片機 (2)

15、 餐具放置機構(gòu)： DP2X-餐具固定器 率2 ?餐具擺放籃 (3) D再■進(jìn)水排水系統(tǒng)： 糾］■進(jìn)，排水電磁閥 DP垃 進(jìn)，排水泵 %水位檢測開關(guān) (4) D巳.加熱系統(tǒng)： D瑞.加熱裝置 dpA2?溫度傳感器 (5) D?清洗模塊： DP5}-清洗裝置 dp52-污濁度檢測傳感器 (6) DR?消毒裝置 (7)砂?用戶界而： 巧廠命令輸入形式 巧2?顯示屏幕 (8) 吸音裝置 由此可得到設(shè)計矩陣： (8) 吸音裝置 由此可得到設(shè)計矩陣： 林■ X 0 0 F&2 0 0 0 F 0 0 比 F

16、0 0 0 FR空 0 0 0 0 F&2 0 0 0 0 磯3 0 0 0 0 FR“ — 0 0 0 0 FR42 0 0 0 0 昭 0 0 0 0 F&2 0 0 0 0 FR& 0 0 0 0 碼， 0 0 0 0 碼2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 X 0 X

17、 X 0 0 0 0 0 0 比 0 0 0 0 0 0 0 乂 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 比 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0_ 0 0 0 0 砂2 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 0 必

18、2 0 0 0 0 陰 0 0 0 0 DPh 0 0 0 0 DP42 0 0 0 0 0 0 0 0 X 0 0 0 DP(、 0X00 DP" 0 0X0 DP72 0 0 0 X _DP._ 觀察此設(shè)計矩陣發(fā)現(xiàn)該矩陣是上三角矩陣，所以該設(shè)計為準(zhǔn)耦合設(shè)計，滿足獨立公理, 且包含信息量少，這樣的映射關(guān)系符合要求。由形態(tài)學(xué)矩陣分析得出的方案A和B都基本 符合功能需求的獨立性和設(shè)計中的信息含量最少。 4核心技術(shù)提取與解析 4.1核心技術(shù)提取 4.1.1物質(zhì)-場分析以及技術(shù)沖突 本小節(jié)根據(jù)形態(tài)學(xué)矩陣分析所得的兩個方案，為了找出其技術(shù)沖突，

19、現(xiàn)對其進(jìn)行物質(zhì)- 場分析如圖3： S2超聲波發(fā) 生裝置 S1餐具 H有乳化油污, 二次污染 U淸洗種類多, 無死角 ■ U無須洗滌劑 H洗滌易出現(xiàn) 死角 S2水射流發(fā) 生裝置唄械 U沖刷力大, 無二次污染 U對于某幾種 餐具較好固定 H其他種類餐具 無法很好固定 圖3物質(zhì)-場分析 由此可分析出技術(shù)沖突如下： (1)如果選擇超聲波清洗技術(shù)可以清洗不同種類的餐具，并且清洗無死角，但是超聲波是以 水為介質(zhì)，水和油會發(fā)生乳化作用形成懸浮油污，在排水時油污會再次附著在餐具上形成二 次污染影響清潔度；超聲波清洗對質(zhì)地較硬、聲反射強的材料其清洗效果較好，而對質(zhì)地較 軟、聲吸收

20、較大的材料清洗效果就要差一些。為了使不同質(zhì)地的餐具都有很好的清洗效果， 可以提升超生波強度，但是這會使噪聲變大，同時餐具和洗碗機內(nèi)部都易腐蝕。 如果選擇水射流清洗技術(shù)可以形成很大的清洗力，但是可清洗餐具的種類減小，留多死角， 清洗效果差；在此情況下如果要保證清洗效果好，可以多加射水點和增大水壓，但是增加了 結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性，占用體積必然增加。 ⑵為了增加可擺放餐具的多樣性和數(shù)量，可以加大放置籃的體積并將籃子的結(jié)構(gòu)做成符合 各種餐具擺放的形式，但是這樣會增加洗碗機內(nèi)部清洗槽的體積，增加用水量，如果需要放 置的是同一種且大批量餐具則無法實現(xiàn)。 相對應(yīng)的物理沖突： (1)超聲波清洗技術(shù)能滿足不同形

21、狀餐具的清洗,但是無法很好保證不同質(zhì)地餐具的清洗效 果，即超生功率大小與噪聲音量和腐蝕性的沖突；水射流清洗技術(shù)能滿足不同質(zhì)地餐具的清 洗，但是需要在空間內(nèi)增加多角度的射水點保證不同形狀餐具的全而清潔，這樣則增加了結(jié) 構(gòu)復(fù)雜性，即水速度，水壓，數(shù)量與潔凈度的沖突。 ⑵餐具籃的尺寸結(jié)構(gòu)與清洗槽容積和餐具種類的沖突。 4丄2用QFD方法提取核心技術(shù)和規(guī)劃設(shè)計戰(zhàn)略 根據(jù)前而對用戶需求的分析、系統(tǒng)功能分析以及形態(tài)學(xué)分析，可以得出如圖4所示的用 戶需求和技術(shù)特征的QFD矩陣表。 X 外形尺寸 噪聲 淸洗技術(shù) 控制系統(tǒng) 加熱系統(tǒng) 排水進(jìn)水系統(tǒng) 消再方法 消洗時間 用戶界面

22、 餐具放直機構(gòu) 技術(shù)成本 使用壽命 功能耍壊 □ □ 0 n 0 □ □ 0 5 □ □ ? —— 0 □ ◎ n 4 0 0 I 0 0 n 4 □ □ ◎ 0 0 □ 0 n 5 - , □ □ I r 0 n 0 n 4 - , □ □ n □ □ 0 3 - , □ I I □ □ n 可靠性 4

23、 - - □ □ n n □ □ 5 □ □ r r □ □ 經(jīng)濟(jì)性 3 - 」 □ □ I n □ n 5 □ □ 0 n J □ □ □ T 2 D D u u □ 0 u  圖4用戶需求和技術(shù)特征的QFD矩陣表 從圖4可以看出，用戶最關(guān)心的需求與技術(shù)特征中的清洗技術(shù)，清洗時間，餐具放置 機構(gòu)，技術(shù)成木都是對應(yīng)強相關(guān)的。而技術(shù)特征自相關(guān)矩陣中清洗技術(shù)，控制系統(tǒng)，加熱系 統(tǒng)，進(jìn)排水系統(tǒng)

24、，消毒方法，餐具放置機構(gòu)都與技術(shù)成木是負(fù)相關(guān)的。因此，該設(shè)計的核心 技術(shù)是清洗技術(shù)。 新型洗碗機質(zhì)量屋全圖如圖5: 用戶需求 技術(shù)特征 動 皿放置程具 科類多 灣洗效杲好 用水用電量少 流程?體化 對餐具無損吉 占用空間小 成本合理 清洙效率高 mF 性 技術(shù)特征垂要度 技術(shù)待征相對垂要度：（％） 操作性好 t o 2?0|O9?6 4 2 4 3 4 12.1 12.8 16.1 o 7. o o o 10.3 o 6.3 4 4 3 4 4 1.0 3 4 2 5 12.8 16.1 4.0

25、 1.0 4 3 4 4 賣 點 3 4 3 4 5 4 5 4 4 5 4 3 5 4 3 4 4 2 5 4 2 4 4 4 2 5 3 5 5 3 4 4 4 4 5. 8? 4 4 3 3 3 3 O6?2 1.7 13 L7 i 0.8 5. 3^ O ■ g 5.0 4^0 2A 4^0 65 3^9 27 L7 70 4S 487 31.5 57 3?7 31 31 9.9 2.0 79 5?9 190 45 157 5?

26、1|2?9|石 262 119 16.9 7.7 最差到 殳好 1 2 3 4 5 用戶競爭性 ■木公司產(chǎn)品 ?競爭者甲產(chǎn)品 A競爭乙甲產(chǎn)品 相對垂要度圖形比較 ■ JI IJB JI 亠 JI JI 上! j JI . 目標(biāo)值 木公可產(chǎn)品技術(shù)評估 競爭者甲產(chǎn)品技術(shù)評估 競爭者乙產(chǎn)品技術(shù)評估 ■木公司產(chǎn)品 ?競爭者甲產(chǎn)品 ▲競爭乙甲產(chǎn)品 ▼ 方案評估 圖5新型洗碗機質(zhì)量屋全圖 4丄3基于TRIZ理論的方案求解 對前而得出的技術(shù)沖突所設(shè)計的參數(shù)按照標(biāo)準(zhǔn)的39個工程參數(shù)重新描述，然后對技術(shù)沖 突重新描述，矛盾矩陣如

27、表2。 惡化參數(shù) 26物質(zhì)或 30作用于物體 31有害方的 36裝置 改善參數(shù) 事物的數(shù)量 的有害因子 影響 復(fù)雜性 10力 35,3 34, 39 30, 18 1,31 19,27 35,2 8靜止物體的體積 14, 29 1,35 13,3 26, 35 1& 36 40, 18 36, 24 10, 18 表2矛盾矩陣 從矛盾矩陣中，可以找出已分析出的技術(shù)沖突或者物理沖突的原理： （1） 可釆用分離原則，先運用合適的超聲波強度對餐具進(jìn)行清洗，保證清洗的潔凈度，效 率高，無死角和噪聲小，之后用水射流進(jìn)行沖洗，能有效清除排水后附

28、著在餐具上的乳化油 污，同時能對超聲波洗滌效果較差的餐具進(jìn)行二次清洗，保證對不同質(zhì)地的餐具都有很好的 清洗效果。 （2） 可釆用分割原則，將放置餐具的容器做成容易組裝和拆卸的組合拉籃。主籃根據(jù)碗， 碟的形狀進(jìn)行設(shè)計，配有固定器用于固定杯子，同時設(shè)計了可拆卸的刀叉籃，可折疊器皿架。 因此，適用于各個種類餐具的擺放和固定，同時也可以滿足數(shù)量較大的同一種類餐具擺放。 最后洗碗機方案主要參考B方案，其中清洗技術(shù)和餐具擺放機構(gòu)使用上述由發(fā)明原理 解出的方法。 4.2核心技術(shù)的分析 通過物質(zhì)-場分析和QDF法可知，清洗技術(shù)是核心技術(shù)。超聲波技術(shù)作為本方案主要的清 洗技術(shù)對洗碗機的性能影響最大，所以

29、有必要對其進(jìn)行深入的分析和研究。 4.2.1超聲波基礎(chǔ)理論 超聲清洗的主要機理是超聲空化效應(yīng)?？栈且后w中的一種物理現(xiàn)象。液體中導(dǎo)入超聲 后，原來存在于液體中的微氣泡（空化核）將在聲場的作用下振動，當(dāng)聲壓達(dá)到一定值（空化 閥）時，一部分氣泡在負(fù)壓期迅速長大，在正壓期又突然閉合，產(chǎn)生高達(dá)數(shù)千大氣壓的沖擊 壓力和局部高溫，這就是空化效應(yīng)。除了空化效應(yīng)外，對清洗起作用的還有輻射壓和聲流。 輻射壓是大振幅聲波在介質(zhì)中傳播時，對阻擋的物體產(chǎn)生的壓力。聲流則是由于聲場的存在 而引起的介質(zhì)的流動，這兩者都能夠起到攪拌作用。 由上述可知超聲波清洗的主要機理是超聲空化效應(yīng)，而超聲空化效應(yīng)與聲源（聲壓，頻

30、率等）和媒質(zhì)參數(shù)（溫度，表而張力、粘性等）有關(guān)。例如聲波頻率越高，空化閥越大，也 就是要產(chǎn)生超聲空化要更高的聲強，相反頻率在10HZ左右空化較強但是伴有比較大的噪音; 溫度升高能使空化核增多，對產(chǎn)生空化有利，但是溫度過高氣泡閉合期間增強了緩沖作用而 使空化減弱。從超聲清洗技術(shù)而言，最主要的性能還是是超聲空化的強弱，在清洗槽中產(chǎn)生 一個高強超聲場是決定清洗效果的關(guān)鍵。在超聲清洗系統(tǒng)中，常用“振板聲源”來產(chǎn)生所需 的高強超聲場。振板聲源是由多個超聲換能器粘于鋼板上構(gòu)成的，鋼板上所用換能器的個數(shù) 取決于工程要求，一般從幾個到上百個不等。當(dāng)振板聲源的換能器以同一電信號激勵時，換 能器推動鋼板振動，振板

31、聲源向液體中輻射超聲波，在超聲處理槽中即得到高強超聲場 因為超聲清洗均是在有限空間內(nèi)進(jìn)行，超聲處理槽中的高強超聲場均是駐波場。駐波場 的特點是在液體空間的某些地方強度大，而在另外一些地方強度小，這樣造成了超聲處理聲 場的不均勻，通常的解決辦法是改變清洗槽的形狀或者是采用調(diào)頻技術(shù)。而聲場不均勻的另 一個因素是振板聲源的換能器布陣方式，雖然一個振板聲源的所有換能器由同一電信號激 勵，但是振板聲源的輻射而并不是作等幅的活塞運動，實驗發(fā)現(xiàn)振板聲源輻射而的振幅是不均勻的。由此可見，換能器的布陣方式將影響振板聲源的振幅分布，進(jìn)而影響其聲場的均勻 性。如果能通過換能器合理的布局，減少能量的使用，得到高強

32、度的均勻聲場，提高處理效 果和洗碗機的工作效率，那就是一種既合理又經(jīng)濟(jì)的手段。 所以，本節(jié)將利用建模仿真手段研究換能器的布陣方式對振板聲源的振幅分布的影響。 4.2.2建模與仿真 本小節(jié)用有限元方法對不同頻率下不同換能器布陣方式進(jìn)行研究，并且采用振幅均值和 偏移估計對結(jié)果進(jìn)行數(shù)學(xué)處理，比較在相同頻率不同換能器布陣方式下超聲清洗系統(tǒng)板聲源 振動分布，從而得出較合理的布陣方式，以下建模與仿真均在ANASYS環(huán)境下實現(xiàn)： 1.板聲源疊加驗證試驗 假設(shè)：根據(jù)理論可知，超聲波在傳播中符合波的疊加原理，即同頻率不同聲源在向某介 質(zhì)中傳播超聲波時，該介質(zhì)中任意點的振動等于各單一聲源在該點振動的矢量和

33、。此處簡單 認(rèn)為在同一頻率下，板聲源振動分布是各單一換能器驅(qū)動板聲源的振幅矢量疊加而成。 建模過程及結(jié)果：設(shè)計一塊長0. 3m,寬0. 2m,厚0.00加的矩形薄板，在薄板下增加兩個 質(zhì)量塊作為換能器。在左換能器上加上激勵頻率28KHz,對其進(jìn)行諧響應(yīng)分析得出。在分析 結(jié)果中取長度方向的中線，均勻選取60個點，做出薄板在該線上振動分布圖，如圖6(a)所示, 并且輸出各點的振幅值。然后同時在兩換能器上加上激勵頻率28KHz,再對其進(jìn)行諧響應(yīng)分 析，方法同上。在分析結(jié)果中取長度方向的中線，均勻選取60個點，做出薄板在該線上振動 分布圖，如圖6(b)所示。最后，我們將第一步輸出的各點的幅值，利用對

34、稱原理得到單一右 圖6(a)左換能器振動分布圖 圖6(b)左,右換能器振動分布圖 aoCE 06 2. 4. OCE 06 Q 0C6-HX? 圖6(c)疊加振動分布圖 結(jié)果分析：在帶質(zhì)量塊狀況下，板聲源振動分布并非完全是兩個但換能器各自振動時振 幅疊加之和，在兩換能器中間的部分，板聲源在兩個換能器同時作用下的振幅分布和分別作 用后相加的振幅分布圖形一樣，而在質(zhì)量塊(換能器)上而的振幅就明顯存在較大的差別。因此，可知先前的假設(shè)是不正確的，在同一頻率下不同換能器布陣方式并不是簡單的各單一 換能器驅(qū)動板聲源的振幅矢量疊加。 2.同一頻率下不同換能器布陣方式對板聲源振動特性的影

35、響試驗 (1)超聲清洗主要使用的頻率為28KHz. 40 KHz. 120 KHz,這里將使用有限元方法對三 種頻率下各種不同換能器布陣方式對超聲清洗系統(tǒng)板聲源進(jìn)行振動分析。因為三種頻率下的 建模過程相同，所以只以28KHz為例進(jìn)行說明： 建模對象:長0.38m、寬0.269m、厚0.002m的矩形板聲源，換能器為喇叭形，高0.065m, 最大直徑而直徑為0.059m,后蓋板和壓電片直徑為0.027m,喇叭形高0.038m。 建模過程：定義負(fù)載中在換能器上加上而位移。實際應(yīng)用中將超聲換能器激勵的板聲源 固定在清洗槽上，清洗槽固定在支架或殼體上，所以在建模過程中將超聲換能器激勵的板聲 源周

36、邊固定(實際超聲換能器激勵的板聲源周邊也在振動，但其振動微弱，在建模過程中就 做了忽略處理)。在單元選取中，采用solid45單元。在網(wǎng)格劃分過程中，為了保持一定的計 算精度，同時也為了滿足計算速度，在滿足波長要求時，按線劃分，0.01m劃一個網(wǎng)格, 精度釆用smart3o 換能器為矩形布陣的板聲源中，長度方向換能器中心間距為0.09m,寬度方向換能器中 心間距為0.0795m,換能器中心距板聲源周邊為0.055m。其模型和網(wǎng)格劃分如圖7(a)所示。 在換能器為三角形布陣的板聲源中，中心距離均為0.09m,換能器中心距離板周邊的距離為 0.055m.其模型和網(wǎng)格劃分如圖7(b)所示。在換能器

37、為正方形布陣的板聲源中，長度方向換 能器中心間距為0.09m,寬度方向換能器中心間距也為0.09m,長度方向換能器中心距板聲 源周邊為0.055m,寬度方向換能器中心距板聲源周邊為0.0445m,其模型和網(wǎng)格劃分如圖 7(c)所示。 圖7 (a)矩形布陣有限元模型 圖7(b)三角形布陣有限元模型 圖7(c)正方形布陣有限元模型 仿真及結(jié)果：在板上加上諧振頻率28KHZ,載荷使用stepped方式，計算在諧振頻率下 板聲源的振動分布。在后處理器中，選擇讀入實部值(虛部為零)，并在描繪結(jié)果中使用nodal solu顯示振動分析結(jié)果，所得結(jié)果如圖&a)、圖8(b)、圖8(c)所示。 W

38、  圖8 (a)頻率為28KHz矩形布陣方式振幅分布 圖8(b)頻率為28KH三角形布陣方式振幅分布 ?-imx-ei UQk 厶 “ uw 圖8 (c)頻率為28KHz正方形布陣方式振幅分布 由上而的仿真圖可知，在換能器為三角形布陣方式時，板聲源振幅明顯大于其它兩種布 陣方式，而且，在換能器為三角形布陣方式時大部分看上去比較均勻，效果較好。 利用相同方法可知，在頻率為40KHZ的激勵頻率下在換能器為三角形布陣和矩形布陣 方式時，板聲源振幅明顯大于正方形布陣方式，而且在換能器為正方形布陣方式時，板聲源 岀現(xiàn)的極值現(xiàn)象較多，即看上去不均勻。在頻率為120KHZ的激勵頻率下在換

39、能器為三種不 同布陣方式下，出現(xiàn)極值的現(xiàn)象已經(jīng)不明顯，只是正方形布陣方式時振幅比較均勻。 (2) 評價超聲清洗系統(tǒng)的標(biāo)準(zhǔn)是聲場強度和均勻性，上而通過建模仿真已經(jīng)初步得到結(jié) 果，現(xiàn)利用統(tǒng)計學(xué)的方法來得出結(jié)果： y^|x. 設(shè)板振源上每個點的振幅為斥，采用平均值來表示振幅大?。涸A n 用樣木標(biāo)準(zhǔn)偏差S來表示樣本中各測量數(shù)據(jù)相對樣木平均的分散程度(均勻性): 用S除以丘，就可以得到振幅相對偏移程度值，偏移越大，就越不均勻。 對上述仿真數(shù)據(jù)進(jìn)行整理和計算可得各個頻率下各種分布方式下的振幅和離散度，如 表3： 頻率 （KHz） 28 40 120 方式 矩形 三角

40、形 正方 形 矩形 三角 形 正方 形 矩形 三角 形 正方 形 X （xlO“ 加） 1.52 9.42 1.65 5.37 2.81 1.51 8.702 5.417 6.623 S （xlO“ 加） 1.2 8.11 2.04 5.98 2.66 1.47 9.477 5.706 6.717  偏移程度 0.789 0.861 1.236 1.114 0.947 0.974 1.089 1.078 1.104 表3數(shù)據(jù)統(tǒng)計表 分析圖表可知，在頻率為28KHz的激勵頻率下，三角形布陣時振動幅值明顯，

41、振幅相 對偏移則較小，所以三角形布陣方式較好；在頻率為40KHz的激勵頻率下，三角形布陣方 式振幅相對偏移較小，振幅較大，所以三角形布陣方式比較好，同時換能器減少，從能量角 度上講，是節(jié)省了能量；在頻率為120KHZ的激勵頻率下，正方形布陣時振動幅值比較大， 振幅相對偏移則小，效果較好?？v向分析可得，頻率越高，則振幅分布越均勻。 綜合上述分析，基于聲場強度，均勻性以及節(jié)能的方而的考慮，運用換能器三角形布陣 方式，頻率使用28KHzo 5實驗設(shè)計與驗證 由于聲場強度的影響因素很多，且在密閉的空間內(nèi)是形成了混合場，所以要利用理論公 式推導(dǎo)強度及其困難，只能通過實驗方法得到數(shù)據(jù)。測量超聲場強度

42、的方法有很多，如鋁箔 腐蝕法，染色法，聲致口由基的測量和實時譜分析和統(tǒng)計平均法等。根據(jù)現(xiàn)有的實驗條件， 這里采用鋁箔腐蝕法來測量清洗槽內(nèi)的超聲場的強度。 （1） 實驗環(huán)境 目標(biāo)是分析長470mm,寬410mm,高420mm的清洗槽內(nèi)聲場強度分布情況，如圖9。 選擇室溫（25度）的自來水作為洗滌劑，液而距清洗槽頂部為50mm?100mm,且必須高于 換能器的最高粘貼位置，選擇離頂部75mni處。超聲頻率為28KHz,超聲功率300w,超聲 作用時間3mino用長和寬為295mm, 270mm的木框固定鋁箔紙，分別平行C、B兩個而垂 直放入水中并固定。測量時以聲源為起點，C、B兩個而的步長分別

43、為5.85cm、6cm的距離 測量不同的八個位置的聲場強度。分別在換能器成矩形，三角形和正方形布陣方式時測超聲 場的強度。 C 換能器 A B D 圖9清洗槽內(nèi)部圖 一潸洗槽 （2） 實驗結(jié)果處理 鋁箔腐蝕法只能直觀看到超聲場的強弱和水平方向的分布，這里采用簡化方法定量地描 述清洗槽內(nèi)超聲空化效應(yīng)的相對強度，具體方法：對每一張超聲作用后的鋁箔紙拍照，然后 用平而圖像處理軟件，把照片變成灰度模式，通過調(diào)節(jié)黑口對比度來區(qū)分腐蝕區(qū)域和非腐蝕 區(qū)域，使腐蝕部分顯示為黑色（色階為0）,非腐蝕部分為口色（色階為255）,最后用軟件中的 histogram功能（直方圖功能）計算出腐蝕而

44、積所占整個而積的百分?jǐn)?shù)，即黑色象素和圖像總象 素的比值作為空化相對強度。平行C而和B而的實驗結(jié)果分別如表4和表5所示。 距離（cm） 0 6 12 18 24 30 36 42 矩形強度（％） 10.84 11.01 13.01 13.85 11.01 11.85 10.02 10.00  三角形強度（％） 26.01 25.56 2&22. 27.66 25.78 24.02 24.66 24.34 正方形強度（％） 12.01 9.01 15.55 10.88 14.56 12.01 11.67 10.46 表4

45、平行C面超聲強度表 距離（cm） 0 5.85 11.7 17.55 23.4 29.25 35.1 40.95 矩形強度（％） 15.25 12.26 18.20 13.89 17.60 15.34 18.02 15.75 三角形強度（％） 28.60 29.34 26.30. 27.10 30.50 28.28 27.46 28.20 正方形強度（％） 10.02 18.23 13.68 14.80 11.23 10.20 13.78 15.21 表5平行B面超聲強度表 根據(jù)數(shù)據(jù)表中數(shù)據(jù)繪制成超聲場相對強度

46、分布圖，如圖10（a）和10（b）： 超郴對逼* 距聲源距離（cm） 圖10(b)平行于B面超聲場強度分布 根據(jù)實驗結(jié)果可知，換能器采用三角形布陣方式時的聲場明顯強度大于其他兩種方式， 同時聲場分布比較均勻，驗證了選擇三角形布陣方式的正確性。此外，由圖10(a)上看，在 遠(yuǎn)離聲源的地方，聲波強度有所減弱，這是因為較高的聲強會造成空化泡過多，形成聲波屏 障，使聲波不容易傳播到整個液體空間，因而造成這樣的結(jié)果。在本實驗環(huán)境中，強度減小 不明顯。 6結(jié)構(gòu)設(shè)計 6.1分功能載體設(shè)計 通過第二章的功能分解可以得到七個功能模塊，下而對其中比較重要的部分進(jìn)行部件 選

47、擇以及結(jié)構(gòu)設(shè)計： (1) 超聲波清洗系統(tǒng) 超聲清洗系統(tǒng)超聲波清洗系統(tǒng)由三個核心部分組成，即清洗槽，超聲波發(fā)生器和超聲波 換能器。 清洗槽主要是用來容納清洗液和將要清洗的器件，洗滌槽的幾何形狀會影響到超聲波聲 場在其中的分布。根據(jù)清洗量，洗滌槽設(shè)計為470x410x420加加的長方體，這種對稱結(jié)構(gòu) 使得超聲聲場在其中的分布會比較均勻，使洗滌槽的各個角落都能取得較好的清洗效果。為 了防止殘渣堵塞洗滌泵和排水泵，確保清洗過程正常進(jìn)行，清洗槽底部向外凸出一小長方體 槽，底部與它之間加過濾網(wǎng)。洗滌泵和排水泵的進(jìn)水口開在此小長方體內(nèi)，這樣就可以阻攔 殘渣。同時，加熱器放置在此小長方體內(nèi)，確保加熱的均

48、勻性和可靠性。為保證消毒效果最 好，臭氧發(fā)生器的輸出口即臭氧的出口放在洗滌槽的底部，使臭氧充分溶解在水中。此外， 槽壁選用不銹鋼板，此種鋼板耐腐蝕性能較好，而且與換能器的粘結(jié)強度好。超聲波產(chǎn)生的 噪音很大，在洗碗機外殼粘四周加裝吸聲玻璃絲棉吸收噪音。 超聲波換能器選擇功率為50W的壓電式換能器，粘在清洗槽的側(cè)而上，根據(jù)上而對于換 能器布陣方式對強度分布影響的研究，用11個換能器按三角形布陣，清洗槽壁和換能器粘 結(jié)處進(jìn)行噴沙處理，清洗干凈后，按一定工藝進(jìn)行粘結(jié)，保證粘合平整，粘合而有足夠的強 度。根據(jù)清洗槽的尺寸，超聲波發(fā)生器的最大功率為lOOWo (2) 噴臂沖洗系統(tǒng) 為了防止超聲波清洗

49、后對餐具產(chǎn)生的二次污染，最后的沖洗時必不可少的。為了保證沖 洗的充分性，采用多位沖洗方法。設(shè)計的噴臂沖洗系統(tǒng)主要由兩個旋轉(zhuǎn)噴臂以及污濁度檢測 傳感器組成。清水泵出水口連接兩個噴臂，分別安裝在洗滌槽底部和側(cè)而，從水平和垂直方 向上對餐具進(jìn)行清洗，保證了沖洗的充分性。水濁度傳感器位于槽底，實時檢測水的干凈程 度，為控制提供細(xì)細(xì)。管路采用PVC材料的管和接頭，并用PVC膠進(jìn)行密封,，它有強度高、 造價低、可回收利用、性能受環(huán)境影響小、安全衛(wèi)生等特點。 (3) 水位系統(tǒng) 水位系統(tǒng)是進(jìn)、排水系統(tǒng)中最重要部分，其中水位開關(guān)的性能則是影響進(jìn)排水速度和判 斷的關(guān)鍵部件，這里選用的水位開關(guān)由干簧管外加磁鐵組

50、成，把磁鐵裝在浮子上，當(dāng)磁鐵靠 近兩彈性舌簧時，使兩舌簧受磁力作用接觸而導(dǎo)通，該機構(gòu)的剛性很好。整個系統(tǒng)中共有高, 中，低三個水位開關(guān)，用于檢測是否完成排水，進(jìn)水要求。同時為防止水位開關(guān)所在的管道 在進(jìn)水時成為密閉端，用針管開小孔使管道內(nèi)、外氣壓相通，流入排水泵，保證水位開關(guān)的 正常。 (4) 餐具放置裝置 餐具放置裝置要能擺放各式各樣餐具，根據(jù)這個要求設(shè)計了分層籃結(jié)構(gòu)。餐具可放在分 層拉籃中，拉籃可沿著軌道滑動，根據(jù)不同餐具配有刀叉籃，可折疊器皿架（圖11a）以及 固定器（圖lib）起到夾持作用。 圖11（a）可折疊器皿架 圖11（b）固定器 其他的系統(tǒng)包括加熱系統(tǒng)（由加熱器和限

51、溫器組成），消毒系統(tǒng)（臭氧發(fā)生器），人機界 而（顯示器和按鈕組件）和控制系統(tǒng)（西門子單片機）。 6-2總體結(jié)構(gòu)設(shè)計 根據(jù)上而分功能載體的設(shè)計，新型洗碗機系統(tǒng)的整體結(jié)構(gòu)示意圖如圖12所示。 1 2 3 4 5 ——T7 21 20 19 18 17 致謝 致謝：首先，感謝李朝東老師對本文的大力支持！ 李朝東老師的機械設(shè)計方法這門課，是一門綜合性的課程。通過老師的詳細(xì)講解和案例審講，我對概 念設(shè)計，結(jié)構(gòu)設(shè)計以及研究方法有了更深刻的了解，經(jīng)過作業(yè)的獨立思考，強化了機械設(shè)計的理論，開拓 了思維，最后讓我感受到設(shè)計其實并不是一件束手無策的事，只要按照一定的方法就能逐漸進(jìn)入角色

52、。最 后，再次感謝李朝東老師！ 參考文獻(xiàn) [1] 張坤.基于AD-QFD-TRIZ-田口方法的綜合設(shè)計方法研究[D].天津：天津大學(xué),2009 [2] 劉旭輝，王小平.家用洗碗機碗籃和外形的設(shè)計卩].機電工程技術(shù),2010,15(4). [3] Toma Brundzaite.雙了洗碗機[J].家電科技,2010,25(3):60-62. [4] 郭圣棟.家用洗碗機設(shè)計[J].今日科苑,2008(14). [5] 劉高進(jìn).基于模糊技術(shù)的洗碗機控制系統(tǒng)研究[J].內(nèi)江科技,2007(7). [6] 黃龍春，熊好平，毛永紅，李思，張志強.降噪材料對洗碗機噪聲的影響研究[J].家電科f

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