基于Solid Works的廚用清洗機的創(chuàng)新設(shè)計與分析＊

邵 健，周 歡，陳洪振，朱永偉

（揚州大學(xué) 機械工程學(xué)院，江蘇 揚州 225127）

0 引言

目前市場上銷售的清洗機運用的技術(shù)主要有一般噴淋方式、循環(huán)水流夾帶氣泡使物體表面與雜質(zhì)分離的方式、紫外線（UV）技術(shù)、加入臭氧的方式、利用渦流噴淋專利清洗方式、超聲波技術(shù)、利用高活性生態(tài)氧的迅速溶解技術(shù)等。隨著時代的進步，越來越多的創(chuàng)新技術(shù)在清洗機上得到了應(yīng)用。本設(shè)計中的清洗機采用機械振蕩的方式來清洗物體表面，采用不完全齒輪通過間歇式嚙合的方式讓清洗桶按照一定頻率振蕩從而產(chǎn)生水流沖擊，通過水流產(chǎn)生的沖擊力去除吸附在清洗物表面的雜質(zhì)。

1 清洗機電路和整體運動機構(gòu)設(shè)計

1.1 清洗機電路設(shè)計方案的擬定

清洗機基本電路如圖1所示。電路中基本的操作可分為以下幾部分：

（1）電源回路：插頭K→電源開關(guān)P→觸點A2→電阻→零線。

（2）清洗機進水回路：插頭K→電源開關(guān)P→觸點A1→水位開關(guān)觸點COM→觸點NC→進水電磁閥ZF→零線。當(dāng)清洗桶內(nèi)的水位達到預(yù)定位置時，水位選擇檢測器的儲氣室中的空氣壓力逐漸升高，當(dāng)達到額定壓力時水位開關(guān)觸點COM由NC轉(zhuǎn)向NO，進水電磁閥ZF斷電，達到預(yù)定水位。

（3）清洗機清洗和排水回路：插頭K→電源開關(guān)P→觸點A1→水位開關(guān)觸點COM→觸點NC→進水電磁閥ZF→達預(yù)定水位觸點COM→觸點NO→安全開關(guān)S→觸點C1→調(diào)速電機BD開始運轉(zhuǎn)，進入清洗模式→定時器控制時間（清洗結(jié)束）→達到清洗預(yù)設(shè)時間后蜂鳴器BZ響，清洗結(jié)束。排水時，觸點C轉(zhuǎn)向觸點C2，排水電磁閥PF打開，同時頂桿電磁閥DF開始動作，為單向閥打開并順利排水做好準(zhǔn)備工作，開始排水，廢水經(jīng)由預(yù)先設(shè)計好的排水管道排出。

圖1 清洗機基本電路

1.2 總體傳動機構(gòu)工作

圖2為清洗機傳動機構(gòu)簡圖，其動力輸出傳遞的順序為：電機→離合器→電機聯(lián)軸→小帶輪→大帶輪→小齒輪→大齒輪→不完全齒輪→清洗桶齒輪→清洗桶支承軸，最后實現(xiàn)桶的往復(fù)式擺動。齒輪傳動部分局部放大后如圖3所示，齒輪Ⅰ和Ⅱ為同步齒輪，同步齒輪的角速度大小相等，方向相反。齒輪Ⅰ和Ⅱ相互嚙合時，同軸的不完全齒輪Ⅰ和Ⅱ與清洗桶齒輪分別嚙合，當(dāng)左邊的不完全齒輪Ⅰ與清洗桶齒輪嚙合時，右邊的不完全齒輪Ⅱ與清洗桶齒輪不嚙合，桶向右擺動；同理，當(dāng)不完全齒輪Ⅱ與清洗桶齒輪進入嚙合而與不完全齒輪Ⅰ脫離嚙合時，桶向左擺動，并且不完全齒輪實際上只在180°范圍內(nèi)有齒，這樣就使清洗桶能夠均勻地擺動起來。

1.3 電磁閥選擇與水流特性

進水、排水電磁閥均采用常閉型（通電開啟閥門），公稱直徑為Φ10 mm；形態(tài)為隔膜式；公稱壓力為0.1 MPa～2.5 MPa；類型為直動式電磁閥；連接形式為螺紋聯(lián)接；流量特性為8 L／min（流量可控制在0.25 L／min～8 L／min）。清洗桶在搖擺的過程中是不穩(wěn)定的，桶上不能設(shè)置電子元件。在清洗桶下部安裝單向閥，清洗機底板上設(shè)置一個容水箱，容水箱與排水電磁閥通過管道連接，使水流通過排水電磁閥管道排出箱體，從而形成一個完整的排水系統(tǒng)。水流運動為比較復(fù)雜的非恒定流動情況，液體自由面下降的速度很小，存在一條流線，如圖4所示，流線一端在水面上A點，另一端在孔口B點，流線的具體位置不易確定。對A，B兩點應(yīng)用流體伯努利方程：

其中：pA，pB，vA，vB分別為A，B 點壓強和流速；zA，zB為以B為參考點時，A，B兩點到參考點的豎直距離；ρ為水流密度；g為重力加速度。

圖2 清洗機傳動機構(gòu)簡圖

圖3 齒輪傳動示意圖

圖4 恒定和非恒定流動

出水口流量公式：

其中：qB為出水口的水流流量；AB為出水口橫截面面積。注滿水箱的時間t為：

其中：V容水箱為容水箱容積，取為1.44×10－3m3。將vA＝0，pA＝pB＝pa（大氣壓損），zA－zB＝h，AB＝π·（0.005）2m2代入式（1）得vB≈1.71 m／s，由式（2）得qB＝1.34×10－4m3／s。將式（1）、式（2）結(jié)果代入式（3），則注滿容水箱的時間t≈10.7 s。

1.4 清洗桶設(shè)計與分析

清洗桶應(yīng)具有耐酸堿、耐沖擊、耐熱等性能，且應(yīng)具有較高的強度。常見的清洗桶材料有搪瓷、鋁合金、不銹鋼、改性聚丙烯等，本設(shè)計采用不銹鋼。通過ANSYS分析軟件可以看到在加載額定頻率的情況下清洗桶的應(yīng)力和變形情況。在清洗桶軸處施加大小為5 000 N·mm的轉(zhuǎn)矩作用，在軸兩端施加允許Y方向轉(zhuǎn)動的約束，由于諧響應(yīng)分析是用于確定線性結(jié)構(gòu)在承受一個或多個隨時間按正弦規(guī)律變化的載荷時穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)，因此可通過諧響應(yīng)分析得到清洗桶在振蕩頻率為4 Hz時的結(jié)果，如圖5、圖6所示。

圖5 清洗桶的變形

圖6 清洗桶的應(yīng)力情況

圖5中整個清洗桶在受到轉(zhuǎn)矩的作用下總變形最大為14.313 mm，位于桶壁的下邊緣；最小為0.012 mm，位于整根支承軸上。圖6中清洗桶最大應(yīng)力為0.010 98 MPa，位于支承軸與清洗桶連接的內(nèi)壁上。結(jié)果顯示采用機械式振蕩時桶的變形量是比較大的，因此采用剛度較大的材料，在適當(dāng)增加桶壁厚度的同時增加支承軸的剛度有利于發(fā)揮清洗機整體的清洗效果。

1.5 夾緊機構(gòu)與頂桿機構(gòu)、單向閥的設(shè)計

圖7為單向閥、頂桿、制動桿示意圖。工作前，頂桿與清洗桶底部電磁閥活塞底部位置的距離為20 mm，頂桿做向上運動時，兩制動桿互相靠攏，圓弧狀剎車塊逐漸夾持半圓形凸臺。剎車塊材質(zhì)為橡膠，利用物體之間的摩擦力使清洗桶減速。隨著制動桿逐漸夾緊，使清洗桶的重心落在垂直于地板的中心線上；同時頂桿將單向閥下部活塞頂開使單向閥導(dǎo)通，本應(yīng)與閥體內(nèi)壁緊密接觸的閥芯側(cè)壁向上移動，使處于清洗桶內(nèi)的水流經(jīng)閥芯內(nèi)部的小孔由側(cè)面間隙流入下部的管道內(nèi)，通過預(yù)先設(shè)計好的容水箱經(jīng)排水電磁閥排出。清洗結(jié)束后，由于電磁閥本身的復(fù)位功能，頂桿恢復(fù)到原位置，同時帶動兩制動桿做松開動作，制動桿下部連接導(dǎo)軌方便滑動。

圖7 單向閥、頂桿、制動桿示意圖

2 超聲波清洗的使用試驗

超聲波清洗（見圖8）就是通過換能器將超聲波發(fā)生器的電振蕩轉(zhuǎn)化為機械振蕩，再通過變幅桿的振幅擴大原理使得與變幅桿連接的工具頭做高頻振動對物品進行清洗。清洗后的效果如圖8（c）所示，螺絲釘表面的鐵銹被完全去除掉，這是利用超聲頻振動對單純水溶液的沖擊、渦流、空化效應(yīng)，使生銹的螺絲釘表面受到多種作用，表面銹蝕層數(shù)秒鐘得以去除。

圖8 超聲清洗

通過在清洗桶內(nèi)部設(shè)置一個超聲振動部件，使得由齒輪對產(chǎn)生的小幅擺動與超聲高幅振動的相互作用充分發(fā)揮，則水流清洗效果會更加理想。

3 結(jié)論與展望

（1）采用激蕩式洗滌是一種有效的方法，但是清洗桶的振幅不宜過大，水的容量也不宜過多。

（2）用帶傳動和齒輪傳動組合的多級傳動有效地提高了洗滌效率，但是在傳導(dǎo)運動中會產(chǎn)生剛性沖擊，因此必須保持各傳動件的潤滑效果良好。

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