家用超声波洗碗机整体结构设计[全套机械毕业设计含图纸].rar

湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 中 期 检 查 表 学 院： 工学院 学生姓名 卢宇翔 学 号 20094061430 2 年级专业及班级 2009级机械设计制造及其自动化机电(3)班 指导教师姓名 莫亚武 指导教师职 称 副教授 论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 已完成的主要内容 尚需解决的主要问题 毕业论文（设计）工作进 度 1.家用超声波洗碗机外观设 计 2.部件设计 3.超声波清洗原理的研究 1.结构细节的研究 2.图纸的绘制 指导教师意见 签名： 年 月 日 检查小组意见 组长签名： 年 月 日 注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 2.此表可从教务处网站下载中心下载。 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）任务书 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 2009级机械 设计制造及其自动化( 3)班 指导教师及职称 莫亚武 副教授 学 院 工学院 2012年12月3日 填 写 说 明 一、毕业论文（设计）任务书是学校根据已经确定的毕业论文（设计）题目下达给学生的一种教 学文件，是学生在指导教师指导下独立从事毕业论文（设计）工作的依据。此表由指导教师填写。 二、此任务书必需针对每一位学生，不能多人共用。 三、选题要恰当，任务要明确，难度要适中，份量要合理，使每个学生在规定的时限内，经过自 己的努力，可以完成任务书规定的设计研究内容。 四、任务书一经下达，不得随意更改。 五、各栏填写基本要求。 （一）毕业论文（设计）选题来源、选题性质和完成形式： 请在合适的对应选项前的“□”内打“√”，科研课题请注明课题项目和名称，项目指“国家青 年基金”等。 （二）主要内容和要求： 1．工程设计类选题 明确设计具体任务，设计原始条件及主要技术指标；设计方案的形成（比较与论证）；该生的侧 重点；应完成的工作量，如图纸、译文及计算机应用等要求。 2．实验研究类选题 明确选题的来源，具体任务与目标，国内外相关的研究现状及其评述；该生的研究重点，研究的 实验内容、实验原理及实验方案；计算机应用及工作量要求，如论文、文献综述报告、译文等。 3．文法经管类论文 明确选题的任务、方向、研究范围和目标；对相关的研究历史和研究现状简要介绍，明确该生的 研究重点；要求完成的工作量，如论文、文献综述报告、译文等。 （三）主要中文参考资料与外文资料： 在确定了毕业论文（设计）题目和明确了要求后，指导教师应给学生提供一些相关资料和相关信 息，或划定参考资料的范围，指导学生收集反映当前研究进展的近1－3年参考资料和文献。外文资料 是指导老师根据选题情况明确学生需要阅读或翻译成中文的外文文献。 （四）毕业论文（设计）的进度安排： 1．设计类、实验研究类课题 实习、调研、收集资料、方案制定约占总时间的20%；主体工作，包括设计、计算、绘制图纸、 实验及结果分析等约占总时间的50%；撰写初稿、修改、定稿约占总时间的30%。 2．文法经管类论文 实习、调研、资料收集、归档整理、形成提纲约占总时间的60%；撰写论文初稿，修改、定稿约 占总时间的40%。 六、各栏填写完整、字迹清楚。应用黑色签字笔填写，也可使用打印稿，但签名栏必须相应责任 人亲笔签名。 毕业论文 （设计） 题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 选题来源 □结合科研课题 课题名称： ■生产实际或社会实际 □其他 选题性质 □基础研究 ■应用研究 □其他 题目完成 形式 □毕业论文 ■毕业设计 □提交作品，并撰写论文 主要内容和要求 以超声波清洗原理为理论基础，通过对现有洗碗机不同洗涤方式的比较，结合超声清洗的特点和餐 具洗涤的要求，对超声波洗碗机的整体结构进行设计。洗碗机的整体结构设计应包括清洗槽、超声系统 、进水和排水系统、加热系统、水位控制系统、碗架和外壳的结构设计。要求其结构紧凑，便于控制。 主要内容： 1. 了解超声波理论及其发展，加深对超声波清洗的认识与了解。 2. 超声波振子与清洗效果的关系研究与结构设计 3. 对超声波洗碗机的结构进行设计 4. 对超声波发生器进行设计 基本要求： 1．认真收集有关资料，熟悉有关专用机械的设计方法，正确使用各类工具书；掌握有关工程设计的 程序、方法和技术规范；锻炼分析与解决工程实际问题的能力。 2．在设计中应树立正确的设计思想，培养严肃认真的科学态度，严谨求实的工作作风。 3．学生应按时完成所规定的内容和工作量，撰写设计计算说明书，并正确绘制有关工程图； 4．毕业设计说明书应包括与设计题目相关的阐述说明及计算，内容完整，文字流畅，符合毕业论文 规范。 5．设计装配图，部件图，零件图。 6．总图纸工作量不少于3张A0图幅，说明书不少于12000字。 注：此表如不够填写，可另加附页。 主要中文参考资料与外文资料 [1]施静发．小型家用洗碗机大有可为[J] ．天津轻工，1989 ，7（5）：19-25． [2]王向红、毛汉领．超声波洗碗机的设计构想[J] ．广西民族学院学报， 2003，5（2）：33-35． [3]袁易全．近代超声原理与应用[M] ．南京：南京大学出版社， 1996：55-64． [4]庄开达．家用洗碗机的外观与工业设计[J] ．家电科技， 2002，10（4）：41-42． [5]李玉平、周里群．超声波洗碗技术[J] ．家电科技，2004 ，12（5）：155-156． [6]任建新．物理清洗[M]．北京：化学工业出版社， 2000：322-383． [7]刘晋春、赵家齐、赵万声．特种加工[M] ．北京：机械工业出版社： 2001 [8]徐苏声、陈晏如．家用电动器具原理及设计[M] ．北京：中国轻工业出版社： 1997 [9]成大先．机械设计手册[M] ．．北京：化学工业出版社， 2003：212-224． [10]赵凯华，陈熙谋．电磁学[M] ．北京：人民教育出版社， 1978, 334. 工作进度安排 起止日期 主要工作内容 2012.12.03~2013.01.31 熟悉题目要求，查阅文献，收集资料，完成开题报告 2013.02.01~2013.02.28 设计方案拟订，完成文献综述 2013.03.01~2013.03.31 设计计算，草图绘制，撰写初稿，进行中期检查 2013.04.01~2013.04.30 绘制装配图及零件图，撰写设计说明书 2013.05.01~2013.05.13 提交正稿给指导老师评阅，参加学院预审 2013.05.14~2013.05.26 根据评阅人意见进行修改，准备答辩 2013.05.26~2013.05.30 根据答辩组意见修改，给指导老师复审定稿，按规范要求装订 2013.06.01 提交毕业设计所有材料 要求完成日期：20 年 月 日 指导教师签名： 审查日期：20 年 月 日 专业委员会主任签名： 批准日期：20 年 月 日 学院指导委员会签名（公章）： 接受任务日期：20 年 月 日 学生本人签名： 注：签名栏必须由相应责任人亲笔签名。此表可从教务处网站下载中心下载。 湖南农业大学全日制普通本科生 毕业论文（设计）开题报告 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 09机械设计制造及其自动化 机电（3）班 指导教师及职称 莫亚武 副教授 学 院 工学院 20 年 月 日 毕业论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 文献综述（选题研究意义、国内外研究现状、主要参考文献等，不少于 1000字） 洗碗是一个家庭每天必须做的家务，尤其在中国，人们喜欢饭后马上洗碗，这无疑 给家庭带来了较大的负担。因而被称为继洗衣机之后“对人手第二次解放”的洗碗机作 为具有“餐后革命”迈向健康新生活的美誉的新一代时尚家电能够使人们从繁琐的家务 劳动中解脱出来。然而，随着人们使用普通洗碗机以来，发现在普通洗碗机存在着许多 不足人意的地方：价格高、洗碗时间长、工作噪音较大、结构复杂、一般需用专用洗涤 剂、排放的残余洗涤剂影响环境、长久使用需清洁内胆等等，在新世纪科技水平不断提 高，人们节约、环保意识的增强，存在着诸多不足的普通洗碗机很难得到更多的支持与 接受，因此，超声波应用技术不断成熟与进步的今天，超声波洗碗机也就应命而生了。 1. 文献检索关键词：洗碗机（ dishwasher） 厨房机械 家用电器 2. 施静发．小型家用洗碗机大有可为[J]．天津轻工，1989，7（5）：19-25． 3. 王向红、毛汉领．超声波洗碗机的设计构想[J] ．广西民族学院学报， 2003，5（2）： 33-35． 4.袁易全．近代超声原理与应用[M] ．南京：南京大学出版社，1996：55-64． 5.庄开达．家用洗碗机的外观与工业设计[J] ．家电科技，2002，10（4）：41-42． 6.李玉平、周里群．超声波洗碗技术[J] ．家电科技，2004，12（5）：155-156． 7.任建新．物理清洗[M]．北京：化学工业出版社，2000：322-383． 8.刘晋春、赵家齐、赵万声．特种加工[M] ．北京：机械工业出版社：2001 9.徐苏声、陈晏如．家用电动器具原理及设计[M] ．北京：中国轻工业出版社：1997 10.成大先．机械设计手册[M]．．北京：化学工业出版社，2003：212-224． 11.赵凯华，陈熙谋．电磁学[M]．北京：人民教育出版社，1978, 334. 注：此表如不够填写，可另加页。 研究方案（研究目的、内容、方法、预期成果、条件保障等） 研究目的：进入 90年代，科学技术的巨大变革也促使超声波清洗技术快速发展， 其性能和应用领域获得前所未有的突破：大型的、连续化的超声波清洗设备改变了传统 的小型设备形象；化学合成技术极大的丰富了传统的超声波清洗工艺软件；新的应用领 域不断扩展；超声波带来更多有利于环境保护的清洗手段，超声波清洗技术需要重新被 人们认识。超声波清洗技术有着新的理念，符合当今人文发展的社会发展大主题，顺应 着人民对生活方式的追求，当科技和生活水平的不断提高，超声波洗碗机有着她广阔的 发展舞台，倍受广大消费者的喜爱。必将促进我国超声波技术的进一步发展与完善，提 高我国人民饮食质量。超声波洗碗机，采用超声技术的洗涤方式，不用添加任何洗涤剂 达到清洗目的，这样既经济又环保。同时也会对洗碗机更为普及的进入中国市场起到很 大的促进作用。 内容：以超声波清洗原理为理论基础，通过对现有洗碗机不同洗涤方式的比较，结 合超声清洗的特点和餐具洗涤的要求，对超声波洗碗机的整体结构进行设计。洗碗机的 整体结构设计应包括清洗槽、超声系统、进水和排水系统、加热系统、水位控制系统、 碗架和外壳的结构设计。要求其结构紧凑，便于控制。 方法：首先在熟悉课本上专业知识，了解基本原理，独立思考、继承甚至创新,后 全面、系统考虑设计部件地强度、刚度、工艺性、经济性和维护等要求.在对图纸有个 基本的了解后，带着问题去生产现场调研，形成一个大概轮廓；确定基本方案，大体定 出基本尺寸，再通过计算确定具体尺寸（精度）；使用标准和规范的尺寸进行标注，达 到准确、美观要求。完善设计方案，完成设计。 预计成果：对超声波洗碗机的结构有透彻的了解，及对各种技术参数的计算方法有 一定的掌握，能够了解各种洗碗机的结构与优缺点，对机械行业会有更深层次研究的欲 望。 条件保障：市场上有各种洗碗机的成品，有专业书籍参考资料，及老师的悉心指导。 进程计划（各研究环节的时间安排、实施进度、完成程度等） 2012.12.03~2013.01.31 熟悉题目要求，查阅文献，收集资料，完成开题报告 2013.02.01~2013.02.28 设计方案拟订，完成文献综述 2013.03.01~2013.03.31 设计计算，草图绘制，撰写初稿，进行中期检查 2013.04.01~2013.04.30 绘制装配图及零件图，撰写设计说明书 2013.05.01~2013.05.13 提交正稿给指导老师评阅，参加学院预审 2013.05.14~2013.05.26 根据评阅人意见进行修改，准备答辩 2013.05.26~2013.05.30 根据答辩组意见修改，给指导老师复审，按规范要求装订 2013.06.01 提交毕业设计所有材料 论证小组意见 组长签名： 20 年 月 日 专业委员会意见 专业委员会主任签名： 20 年 月 日 注：1.此表可用黑色签字笔填写，也可打印，但意见栏必须相应责任人亲笔填写。 2.此表可从教务处网站下载中心下载。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业论文（设计） 开题论证记录 学 院： 工学院 记录人： 学生姓名 卢宇翔 学 号 200940614302 年级专业及班级 2009 级机械设计制造及其自动化 指导教师姓名 莫亚武 指导教师职称 副教授 论文（设计）题目 家用超声波洗碗机整体结构设计 论证小组质疑： （1）超声波洗碗机原理？ （2）与传统相比，有何优秀之处？ （3）清洗效果如何？ 学生回答简要记录： （1）当超声波通过液体介质时，将以极高频率压迫液体介质振动，使分子产生正负 交变的冲击波；当声强达到一定数值时，液体中空话气泡急剧生长，并瞬间强烈闭合， 产生微爆炸和冲击波使污物脱离。 （2）省水省电，噪音小，由于采用超声波产生的水分子振动来工作，不需传统的机 械结构，维护少了很多麻烦。不需采用传统的洗涤剂，而是采用洗涤剂起辅助作用。 （3）利用水分子振动原理来清洗，决定了清洗不存在死角，清洗效果很好。 论证小组 成员签名 论证地点： 论证日期： 年 月 日 注：此表可从教务处网站下载中心下载。记录、签名栏必须用黑色笔手工填写。 湖南农业大学全日制普通本科生毕业设计 诚 信 声 明 本人郑重声明：所呈交的本科毕业设计是本人在指导老师的指导下，进行研究工 作所取得的成果，成果不存在知识产权争议。除文中已经注明引用的内容外，本论文 不含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的作品成果。对本文的研究做出重要贡献 的个人和集体在文中均作了明确的说明并表示了谢意。本人完全意识到本声明的法律 结果由本人承担。 毕业设计作者签名： 年 月 日 目 录 摘要……………………………………………………………………………………1 1 前言……………………………………………………………………………………1 1.1 家用洗碗机简介……………………………………………………………………1 1.2 国外发展现状………………………………………………………………………2 1.3 国内发展现状 ……………………………………………………………………3 1.4 国内主流产品……………………………………………………………………3 2 超声波清洗原理及方案………………………………………………………………4 2.1 超声波清洗原理……………………………………………………………………4 2.1.1 概述……………………………………………………………………4 2.1.2 超声波清洗的机制………………………………………………………………4 2.1.3 超声空化阀值……………………………………………………………………6 2.2 超声波洗碗机方案设计……………………………………………………………6 3 超声波清洗参数……………………………………………………………………7 3.1 声强……………………………………………………………………7 3.2 频率……………………………………………………………………8 3.3 清洗液……………………………………………………………………8 4 超声场相对空化强度…………………………………………………………………8 4.1 空化强度测量方法原理……………………………………………………………8 4.2 空化强度测量……………………………………………………………………8 4.2.1 实验结果处理……………………………………………………………………9 4.2.2 实验结论………………………………………………………………………9 5 超声波重要参数确定………………………………………………………………10 5.1 温度，清洁时间，超声功 率………………………………………………………10 5.2 餐具合理摆放……………………………………………………………………11 5.3 总结………………………………………………………………………………11 6 洗碗机整体结构设计………………………………………………………………12 6.1 整体方案…………………………………………………………………………12 6.2 外壳和碗篮………………………………………………………………………12 6.3 清洗槽……………………………………………………………………………13 6.4 进排水系统………………………………………………………………………13 6.4.1 水位感应系统…………………………………………………………………13 6.5 加热系统……………………………………………………………………14 6.6 门开关电路………………………………………………………………………14 6.7 喷臂系统…………………………………………………………………………14 6.8 超声清洗系统……………………………………………………………………15 6.8.1 超声波发生器…………………………………………………………………15 6.8.2 超声波换能器…………………………………………………………………16 6.9 总结………………………………………………………………………………17 7 结论…………………………………………………………………………………17 参考文献……………………………………………………………………………18 致谢……………………………………………………………………………………19 1 家用超声波洗碗机整体结构设计 摘 要：超声波技术在洗碗机领域的应用，使洗碗机的发展更加多元。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，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。 关键词：超声波；洗碗机；结构设计； 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 ; 2 1 前言 1.1 家用洗碗机简介 洗碗机是用来自动清洗碗、筷、盘、碟、刀、叉等餐具的设备，在饭后清洁沾满 油污的餐具是人们日常生活中不得不面对的一大家务劳动，洗碗机的出现减轻了劳动 强度，提高了工作效率，并增进清洁卫生。 早在 1850 年，Joel Houghton 就申请到了世界上第一个洗碗机专利，不过是一个 手动设备；1893 年世界博览会上，蒸汽船发明人 John Fitch 的孙女 Josephine 展出了 她设计的手动洗碗机，她也被称为现代洗碗机之母；1920 年德国米勒公司制造出世界 上第一台电动洗碗机，只不过它当时的外形并不适合家庭使用；1954 年美国通用电气 公司制造出一台电动洗碗机，这台机器不仅洗涤性能大幅改善，而且外形更适合家庭 使用；1978 年德国米勒公司有制造出第一台微电脑电动洗碗机，使洗碗机开始进入寻 常人家的厨房。 现有的家用洗碗机种类繁多，按控制方式分为机电式控制和电子式控制；按安装 方式分为台式、独立式和嵌入式；按洗涤方式分为喷淋式和涡流式。虽然市场上有各 式各样的洗碗机，但这些洗碗机基本都有机壳、机门、内胆、控制系统、清洗系统和 餐具摆放架等重要部件。 机壳有金属和塑料两种。金属机壳的好处是高档，机械强度高，结构牢固，但它 也具有易锈蚀，成本高等缺点；塑料机壳的优点是制作成本低，重量轻，但它有易老 化，耐热性差等缺点 [1]。 机门通常使用冷轧钢板制成，有上开门式和前开门式两种。通常设置有意外开门 保护装置，在儿童或其他使用者不小心在家用洗碗机工作过程中打开机门，洗碗机会 马上停止工作，以保护人身安全。 内胆是洗碗机工作的重要部件，市面上的洗碗机产品分为塑料内胆和金属内胆两 种。金属内胆具有耐用，耐高温，抗老化，易清洗等优点，缺点是易腐蚀，造价高； 塑料内胆也具有上述大部分优点，且造价低，但是一个显著的缺点就是难清洗，易留 异味。 1.2 国外发展现状 3 第一台家用洗碗机起源于德国，同时德国的现代家用洗碗机技术在整个欧洲也处 于前列，拥有者 BOSCH，Miele，SIEMENS 等 20 多家洗碗机制造商，年产量高达 3 百 万台，消费量也高达 1.71 百万台，拥有率高达 42%。美国是目前洗碗机普及率最高的 国家，早在 1996 年就已达 54.9%，同时也是洗碗机生产大国，年产量一直保持在 300 万台以上，著名企业包括 GE 等。日本的起步比欧美国家晚了大约 30 年，并在发展过 程中遭受坎坷，现在的普及率仍不及欧美大国，著名企业包括日立，松下，三菱，夏 普等均有生产。 国外很多家庭都拥有家用洗碗机，且传统的喷臂式洗碗机十分适合国外餐具的清 洗，传统洗碗机是通过电机驱动洗涤泵使洗涤液在一定的压力下从喷臂喷出，形成密 集的热水流；喷臂由于受到喷水的反作用而旋转，使洗涤液来回地喷射到各式餐具上， 对餐具进行喷射冲洗和淋刷。喷射水流对碗碟表面起机械冲洗作用，洗碗机专用洗涤 剂对碗碟表面油污起化学清洗作用，热水起浸泡软化作用。三者联合作用，使碗碟表 面油污和残渍分解和脱落，从而达到清洁的目的,且造价低，性价比高，使国外的家 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，且新型超声波家用洗碗机也开始在国外流行，这种良性循环使国外的洗碗机产业 焕发出蓬勃的生机。 1.3 国内发展现状 我国在 80 年代有了第一台洗碗机，但是发展过程却不尽如人意。1998 年，第一 台全自动柜式洗碗机在小天鹅诞生，之后，海尔，美的，澳柯玛，格兰仕等企业纷纷 进军洗碗机领域。但是，令人遗憾的是，这些国产企业生产的产品主要外销，作为国 产企业，却也没有对国内市场有足够的重视。究其原因，大致有以下几点：一台普通 的洗碗机动辄几千元，多则上万元，这对普通消费者来说，是一笔不小的开支，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；传统的洗碗机需要很大的室内空间，在房价寸土寸金的今天，显然是不经济的； 另外，洗碗机工作需要采用专用的洗涤剂，并对餐具的形状有一定要求，不适合中式 餐具，且中式菜肴油污较多，洗涤相对麻烦，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。 4 如此，都决定了传统洗碗机难以在中国快速普及 [2] 。 1.4 国内主流产品 以美的（Midea）举例，目前在商城大致能见到的型号为 WQP6-3207- CN，WQP8-9249A-CN，WQP12-9270-CN。三款洗碗机都针对中式餐具配套了碗篮， 并配有消毒程序。 其中，WQP6-3207-CN 体积小巧，外观时尚更适合家庭使用。它的洗涤过程为： 预洗：对碗具进行强力冲刷，除去残渣;主洗：高温高压水柱，专用洗涤用品作用 （2-4 个循环，40 分钟）;漂洗：对餐具进行清洁冲刷（一个循环，14 分钟）;清洗： 最后清洁（一个循环，14 分钟）;烘干：冷凝式烘干（预热自然烘干） WQP12-9270-CN 与 WQP6-3207-CN 相比具有容积更大，可以同时清洗 12 套餐具 的优点，且因其采用 360°“水枪式”喷淋系统，且内胆采用圆形转角，使其洗涤效 果更高效，基本无死角。 总的来说，国内洗碗机产品大体可以满足消费者日常需要，洗涤效果基本满意。 但基本是传统洗碗机，超声波洗碗机目前仅主要商业使用，例如欧倍力，康洁仕，在 家用领域几乎处于空白。 2 超声波清洗原理及方案设计 2.1 超声波清洗原理 2.1.1 概述 声波是人耳能感受到的一种纵波，它的频率在 16 到 16000HZ 范围内。当频率 超过 16000HZ 超出一般人耳听范围，就称为超声波。超声波和声波一样，可以在气 体，液体和固体中传播 [3]。 超声波的主要性质有：（1）超声波能传递很强的能量，超声波的作用主要是对 其传播方向上的障碍物施加压力（声压） 。因此，有时可用这个压力的大小衡量超声 波的强度，传播的波动能量越强，则压力也越大。 （2）当超声波经过液体介质传播时， 将以极高的频率压迫液体介质质点振动，在液体介质中连续地形成压缩和稀疏区域。 由于液体基本上是不可压缩的，由此产生压力正，负交变的液压冲击和空化现象。由 5 于这一时间极短，液体空腔和压力可达几十个大气压 ，并且产生巨大的液压冲击。 这交变的脉冲压力作用在邻近的零件表面上回使其破坏，引起固体物质分散，破碎等 效应。 （3）超声波通过不同介质时，在界面上发生波速突变，产生波的反射和折射。 反射能量的大小，决定于两种介质的波阻抗（密度与波速的乘积 pc 称为波阻抗） ，介 质的波阻抗相差愈大，超声波通过界面时的反射率愈高。 （4）超声波在一定条件下会 产生波的干涉和共振现象。超声加工的应用有：型孔，型腔加工；切割加工；复合加 工和超声清洗。目前所用的超声波清洗机中，空化作用和直进流作用应用更多 [4]。 2.1.2 超声波清洗的机制： 由于超声波与声波一样是一种疏密的振动波，介质的压力作交替变化。如果对液 体中某一确定点进行观察，这点的压力如图曲线 A 所示。以静压(一般一个大气压)为 中心，产生压力的增减，若依次增强超声波的强度，则压力振幅也随着增加，像图曲 线 B 那样，并产生负的压力。 空化作用：超 声 波 以 两 万 次 /秒 以 上 的 两 种 被 称 为 压 缩 力 和 减 压 力 交 互 性 的 高 频 变 换 方 式 向 介 质 作 用 时 ， 在 减 压 力 作 用 时 ， 液 体 中 产 生 大 量 真 空 气 泡 ， 在 压 缩 力 作 用 时 ， 真 空 气 泡 被 压 碎 时 产 生 强 大 的 冲 击 力 ， 局部压力能达到上千个大气压， 6 图 1 液体内部压力图 Fig.1 The graphic of inner liquid pressure 由 此 剥 离 被 清 洗 物 表 面 的 污 垢 ， 因空化现象产生如图 2(A)所示的气泡。由冲 击形成的污垢层与表面之间的间隙和空隙渗透，由于这种小气泡与声压同步膨胀，收 缩，产生像剥皮那样的物理力重复作用于污垢层，污垢一层层被剥开，如图 2(B)所 示，小气泡再继续向前推进，直到污垢层被剥下为止。这就是空化二次效应 [5]。 当声波达到一定强度时，空洞会发生剧烈爆炸，产生强烈碰撞，压力达 5-50 吨/ 平方厘米，具有很大的能量，使水分以超过 10000G 的加速度撞击被清洗物体的表面， 将污物撞击下来，从而达到显著的清洗效果，并且这种效果可随液体到达被清洗物体 的所有表面，这是手工洗刷，机械振动等常规手段所无法达到的。由于空化效应形成 时会产生声波压力和热效应，故可对细菌，特别是链状细菌进行打击，达到杀菌消毒 的作用，从 而 达 到 精 密 洗 涤 目 的 [6]。 直 进 流 作 用 ： 超 声 波 在 液 体 中 沿 声 的 传 播 方 向 产 生 流 动 的 现 象 称 为 直 进 流 ， 通 过 此 直 进 流 使 被 清 洗 物 表 面 的 污 垢 被 搅 拌 ， 污 垢 表 面 的 清 洗 液 也 产 生 对 流 ， 溶 解 污 物 的 溶 解 液 与 新 液 混 合 ， 使 溶 解 速 度 加 快 ， 对 污 物 的 搬 运 起 着 很 大 的 作 用 。 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。 空 化 作 用 广 泛 应 用 。 另 外 ， 超 声 波 清 洗 对 声 反 射 强 烈 的 材 料 ， 如 陶 瓷 ， 金 属 ， 玻 璃 等 ， 清 洗 效 果 尤 其 好 ， 再 利 用 40 摄 氏 度 左 右 的 水 作 为 清 洗 剂 ， 可 以 将 空 化 效 应 发 挥 到 最 大 值 。 因 此 空 化 效 应 为 本 洗 碗 机 主 要 应 用 原 理 [3]。 7 图 2 空化二次效应 Fig.2 The theory of second-order effect cavitation 2.1.3 超声空化阀值 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值 [4]。空化阀 Pc 表 示为： （1） 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 [7]。 此外，由经验公式 （2） 可 以 得 出 8 空 化 阀 与 沾 滞 系 数 的 关 系， 为 沾 滞 系 数， 并 且 声 波 的 频 率 越 高 空 化 阀 也 9 越 高。 当 声 波 频 率 超 过 4.8 M H Z 的 时 候， 空 化 阀 接 近 1 0 M p a 。 空化阀值与超声波的频率有密切关系。频率越高，阀值越高；频率越低，越容易 发生空化。在低频情况下液体受到的压缩和稀疏作用有更长的时间间隔，使气泡在崩 溃前能生长到较大的尺寸，增大空化强度，有利于清洗作用，但是低频工作时易产生 10 噪声。为了经济性和清洗效率考虑，正确选择频率十分重要。 2.2 超声波洗碗机方案设计 将超声波清洗技术应用于家用餐具清洗 [8]。由于超声波的空化作用，对中式餐具 的油污具有强大的清洁能力，配合高压清洗，油污残留率仅有 0%~0.5%。配合超声发 生器，在喷臂的辅助清洗下能很好的提高效率，节约水电，给洗碗机的工作方式加入 了另一种可靠的方式。其应该满足的要求有：结构合理，适合家庭使用；清洗效率高， 要求达到 98%以上；高效率，能在较短时间内洗干净人们一餐所使用的餐具；低能耗， 在物价上涨，资源匮乏的今天，低能耗会使产品有更好的市场。 其清洗系统的洗涤循环过程:程序控制接通电磁阀后，加压的清洁水 （0.03~0.6Mpa）由过滤芯流入，进入软水处理装置后除去水中的镁和铝，此时单向 定量泵工作，水从喷臂的喷嘴中喷出。由于水流的反力矩作用，使喷臂绕着中心轴旋 转，对餐具进行全方位无死角冲洗，初步冲去油污。接着，程序控制使单向定量泵停 止工作，排水泵启动，将污水排出。接着，单向定量泵再次启动，当水没过餐具后关 闭。超声波换能器工作，利用超声波空化作用使残余油污和餐具彻底剥离。在设定的 清洗时间后，超声波换能器停止工作。排水泵再次工作，排出污水。洗涤水排尽后， 单向定量泵工作，喷臂再次工作，彻底将餐具上的油污清除。规定时间后停止，由排 水泵将污水排除。 这种方案可以很好地对餐具进行清洗，利用高压水流冲洗和空化作用，使油污残 留量达到最低。水和超声波的有机结合，既能节约水电，减少洗涤剂的排放，保护环 境，同时又能减少噪音，降低能耗，不失为家用超声波洗碗机的一种不错的候选方案。 11 图 3 清洗方案系统图 Fig.3 The system of cleaning scheme 3 超声波清洗参数 3.1 声强 在超声清洗中，声场强度和声场均匀度都是判断清洗效果的重要指标 [9]。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 ，对于一些金属表面氧化膜难221/~/Wcm 于清洗的污垢，则应采用较高的声强。 3.2 频率 当工作频率很低（在人的听觉范围内）就会产生噪音。当频率低于 20kHz 时，工 作噪音将变得很大，而且超出人耳安全所可承受的值，易引起对人的伤害，而且过低 的频率不能产生空化作用。高频率的超声波，空化作用阀值越高，适于工业上清洗较 小，较精密的零件；低频率的超声波，空化作用阀值较低，且液体受到的压缩和稀疏 作用时间间隔较长，使空化气泡在破裂前有较长的长大时间，使其长到较大的体积， 从而在破裂后释放更强的能量，产生更好的清洁效果。通常选择 20Khz-40Khz，通常， 在清洗表面光洁度不高，清洗槽大小在 500x500x500mm 的情况下，选择 28Khz。 3.3 清洗液 12 在家用超声波洗碗机工作时，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，由于水的污染小，粘度小，表面张力大，且安全卫生，