全自動(dòng)超聲波洗碗機(jī)結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

游向東

（上超電器科技（上海）有限公司，上海 201801）

餐具清洗是餐飲店必不可少的一道工序。目前，大多數(shù)餐飲店采用人工完成餐具清洗工作，不僅費(fèi)時(shí)費(fèi)力，而且增加了企業(yè)的勞動(dòng)成本[1]。所以，設(shè)計(jì)一款可以替代人工清洗餐具的商用洗碗機(jī)，可以更好地解放工人雙手，降低企業(yè)的用工成本。但是，目前市場(chǎng)上常見的洗碗機(jī)存在體積大、性能差等缺點(diǎn)[2]。為進(jìn)一步加快我國(guó)家餐飲業(yè)的發(fā)展，以洗碗機(jī)為對(duì)象進(jìn)行深入研究，在前人的基礎(chǔ)上進(jìn)行優(yōu)化改造，設(shè)計(jì)了一款可以替代人工自動(dòng)完成餐具清洗功能的雙層超聲波洗碗機(jī)，進(jìn)一步解放了人們的雙手，降低了餐飲行業(yè)的用工成本，加快了我國(guó)餐飲業(yè)的發(fā)展，也為家用洗碗機(jī)的研發(fā)提供了相關(guān)參考。

1 洗碗機(jī)系統(tǒng)組成

圖1為設(shè)計(jì)的洗碗機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖，主要由循環(huán)傳送網(wǎng)帶機(jī)構(gòu)1、網(wǎng)帶升降機(jī)構(gòu)2、網(wǎng)帶張緊機(jī)構(gòu)3、循環(huán)噴淋機(jī)構(gòu)4、超聲波清洗機(jī)槽5以及控制器6等多個(gè)子系統(tǒng)組成。

循環(huán)傳送網(wǎng)帶機(jī)構(gòu)1是利用傳送帶原理設(shè)計(jì)的，可以實(shí)現(xiàn)被清洗餐具的自動(dòng)運(yùn)輸功能[3]。網(wǎng)帶升降機(jī)構(gòu)2主要是將洗碗機(jī)分為上下兩層，在網(wǎng)帶運(yùn)輸過程中可以實(shí)現(xiàn)餐具在上下兩層之間的循環(huán)輸送，實(shí)現(xiàn)多功能清洗。網(wǎng)帶張緊機(jī)構(gòu)3屬于輔助設(shè)備，主要是在網(wǎng)帶機(jī)構(gòu)循環(huán)傳送時(shí)可以自動(dòng)調(diào)節(jié)其張緊力，使網(wǎng)帶運(yùn)行更加穩(wěn)定。循環(huán)噴淋機(jī)構(gòu)4用來對(duì)餐具進(jìn)行噴水，從而起到更好的清洗作用。超聲波清洗槽5通過發(fā)送超聲波帶動(dòng)網(wǎng)帶振動(dòng)，可以使餐具在清洗液中清洗得更加徹底?？刂破?是洗碗機(jī)的控制核心，相當(dāng)于人的大腦，可以對(duì)各個(gè)子系統(tǒng)進(jìn)行總體協(xié)調(diào)控制。

圖1 洗碗機(jī)系統(tǒng)組成結(jié)構(gòu)示意圖

2 洗碗機(jī)的總體設(shè)計(jì)及其工作原理

圖2為洗碗機(jī)的整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖，主要由網(wǎng)帶輸送機(jī)、循環(huán)噴淋、超聲波清洗、電氣箱及控制單元等構(gòu)成。

循環(huán)傳送網(wǎng)帶機(jī)構(gòu)1屬于一個(gè)小型子系統(tǒng)，由網(wǎng)帶升降機(jī)構(gòu)2、網(wǎng)帶張緊機(jī)構(gòu)3等機(jī)構(gòu)組成。將需要清洗的餐具存放在網(wǎng)帶上，利用網(wǎng)帶傳動(dòng)原理，通過電機(jī)驅(qū)動(dòng)，實(shí)現(xiàn)網(wǎng)帶的循環(huán)運(yùn)動(dòng)，進(jìn)而實(shí)現(xiàn)餐具的自動(dòng)運(yùn)輸功能。為更好地實(shí)現(xiàn)餐具的穩(wěn)定運(yùn)輸和清洗功能，增加了網(wǎng)帶升降機(jī)構(gòu)2和網(wǎng)帶張緊機(jī)構(gòu)3。三大機(jī)構(gòu)相互配合，可以更好地實(shí)現(xiàn)餐具的自動(dòng)運(yùn)輸。因?yàn)樵O(shè)計(jì)的是雙層洗碗機(jī)，因此在網(wǎng)帶升降機(jī)構(gòu)2的配合下，可以實(shí)現(xiàn)上層網(wǎng)帶上的餐具自行運(yùn)送至下層，便于完成潔凈清洗。此外，張緊機(jī)構(gòu)3的存在可以更好地調(diào)節(jié)網(wǎng)帶運(yùn)動(dòng)過程中的張緊力，使網(wǎng)帶運(yùn)行更加穩(wěn)定。

圖2 洗碗機(jī)整體機(jī)械結(jié)構(gòu)圖

循環(huán)噴淋機(jī)構(gòu)4位于洗碗機(jī)上層位置，主要由噴淋管8、水泵9、集水板10和水管連接集水箱11等零件組成。當(dāng)位于網(wǎng)帶上的餐具運(yùn)行到預(yù)設(shè)位置時(shí)，此時(shí)水泵9開始工作。通過噴淋管8將集水箱11內(nèi)部的清洗液體抽到集水板10上，利用控制系統(tǒng)驅(qū)動(dòng)集水板10實(shí)現(xiàn)打通，此時(shí)清洗液通過上下雙層排噴淋管將清洗液噴射到餐具中完成清洗，完畢后控制集水板10閉合。

超聲波清洗槽5主要由導(dǎo)流板12、超聲波發(fā)生器13等關(guān)鍵部件組成。當(dāng)承載著餐具的網(wǎng)帶運(yùn)送至下層超聲波清洗槽中時(shí)，通過超聲波發(fā)生器13工作來帶動(dòng)網(wǎng)帶在清洗槽中來回振動(dòng)，進(jìn)而帶動(dòng)餐具在清洗液中振動(dòng)起到較好的清洗作用。為避免網(wǎng)帶振動(dòng)時(shí)餐具的滑落，在網(wǎng)帶周圍安裝有導(dǎo)流板12，可以起到防護(hù)作用。

箱體7是所有機(jī)構(gòu)的載體并對(duì)它們起到支撐與固定作用。將控制器6安裝在箱體7內(nèi)部，可以更好地簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)，節(jié)約空間。

3 控制系統(tǒng)設(shè)計(jì)

3.1 電機(jī)及其控制方式設(shè)計(jì)

洗碗機(jī)的動(dòng)力源來自驅(qū)動(dòng)電機(jī)，通過控制電機(jī)正反轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)網(wǎng)帶的循環(huán)傳送功能。目前，電機(jī)的種類及其控制方式比較多。在眾多的電機(jī)類型中，伺服電機(jī)使用范圍最廣泛，所以設(shè)計(jì)選用伺服電機(jī)。對(duì)于伺服電機(jī)來說，它具有位置、轉(zhuǎn)矩、速度3種控制策略[4]。通過比較并結(jié)合設(shè)計(jì)要求，最終選用位置控制方式，可以較好地保證控制精度，提高網(wǎng)帶運(yùn)行的穩(wěn)定性。電機(jī)位置控制形態(tài)如圖3所示。

3.2 電機(jī)選型設(shè)計(jì)

傳動(dòng)裝置電機(jī)的功率PW由工作阻力和運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)求定，即：

式中：F為工作阻力，取300 N；V為運(yùn)轉(zhuǎn)參數(shù)，取1 m·s-1。將數(shù)據(jù)帶入式（1），可得電機(jī)的功率為0.3 kW。

最終，選用Y160M2-8型電機(jī)，參數(shù)如表1所示。

圖3 伺服驅(qū)動(dòng)器位置控制形態(tài)圖

表1 Y160M2-8型電機(jī)參數(shù)

4 帶傳動(dòng)的設(shè)計(jì)計(jì)算

4.1 皮帶輪的選擇

因?yàn)榫W(wǎng)帶傳送采用的是帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)，所以需要對(duì)同步帶和帶輪進(jìn)行合理的選型設(shè)計(jì)[5]。目前，常見的皮帶主要有普通V帶和窄V帶兩種。前者適用于小功率工況，且相比后者摩擦系數(shù)大，傳動(dòng)更加穩(wěn)定。所以，綜合比較后最終選用普通V帶輪進(jìn)行傳動(dòng)。

4.2 帶輪計(jì)算

第一，確定計(jì)算功率Pca：

式中：KA=1.1；P=0.3 kW。于是，有Pca=3.3 kW。

第二，選擇帶型。由上述結(jié)構(gòu)可知，計(jì)算功率Pca為0.33 kW，再加上小帶輪轉(zhuǎn)速n1=1 400 r·min-1，故選用普通V帶符合本次設(shè)計(jì)要求。

第三，確定帶輪基準(zhǔn)直徑。初步暫定小帶輪的基準(zhǔn)直徑dd2=71 mm，則驗(yàn)算帶的速度V1為：

將相關(guān)數(shù)值帶入式（3），可得V1≈5.2 m·s-1。

第四，確定中心距a0和帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0：

式中：初始中心距a0=500 mm；基準(zhǔn)直徑dd1=71 mm，dd2=355 mm。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（4），可得帶的基準(zhǔn)長(zhǎng)度Ld0約為1 709.5 mm。查找機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)，依據(jù)基準(zhǔn)長(zhǎng)度系列，選擇帶長(zhǎng)為1 700 mm。

第五，驗(yàn)算主動(dòng)輪上的包角α1，計(jì)算公式為：

第六，確定帶的根數(shù)。

式中：對(duì)于包角系數(shù)Kα，查得Kα=0.91；對(duì)于長(zhǎng)度系數(shù)KL，查得KL=1.18；單根V帶的基本額定功率，P0=0.294 kW；ΔP0=0.03 kW；KA=1.1；P=0.3 kW。帶入式（6），可得z=1。因此，取1根Z形窄V帶。

第七，確定帶得預(yù)緊力F0，有：

將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（7），可得(F0)min=58.14 N。

第八，計(jì)算帶傳動(dòng)作用在軸上的力FP。

式中：z=1；F0=58.14 N；α=147.454°。將相關(guān)數(shù)據(jù)帶入式（8），可得FP=115.34 N。

通過計(jì)算分析可知，設(shè)計(jì)采用Z形V帶。為了使設(shè)計(jì)更合理，特選用Φ71 mm、Φ355 mm的帶輪，中心距為500 mm，帶長(zhǎng)1 700 mm。

5 結(jié)語

自動(dòng)洗碗機(jī)是一種可以替代人工自動(dòng)完成餐具清洗功能的智能化設(shè)備。目前，我國(guó)市場(chǎng)上存在的洗碗機(jī)大都為家用類型，商用洗碗機(jī)種類較少，不利于我國(guó)餐飲業(yè)的發(fā)展。針對(duì)這一現(xiàn)狀，在傳統(tǒng)的洗碗機(jī)基礎(chǔ)上進(jìn)行升級(jí)改造，設(shè)計(jì)了一款適合商用的全自動(dòng)超聲波雙層洗碗機(jī)。

（1）查閱資料了解洗碗機(jī)的結(jié)構(gòu)原理和最新的研究進(jìn)展，總結(jié)前人的設(shè)計(jì)經(jīng)驗(yàn)并提出本次研究的必要性。

（2）在傳統(tǒng)的洗碗機(jī)基礎(chǔ)上升級(jí)改造，提出了全自動(dòng)超聲波洗碗機(jī)的整體設(shè)計(jì)方案，并對(duì)其系統(tǒng)組成及各部分功用進(jìn)行詳細(xì)介紹。

（3）針對(duì)超聲波洗碗機(jī)的循環(huán)傳送網(wǎng)帶機(jī)構(gòu)、循環(huán)噴淋機(jī)構(gòu)以及超聲波清洗槽機(jī)構(gòu)等核心機(jī)構(gòu)進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，并介紹其工作原理。

（4）針對(duì)洗碗機(jī)的傳動(dòng)部件進(jìn)行詳細(xì)設(shè)計(jì)，一方面對(duì)驅(qū)動(dòng)電機(jī)的功率、型號(hào)及其控制方式進(jìn)行合理的選型計(jì)算，另一方面針對(duì)帶傳動(dòng)機(jī)構(gòu)進(jìn)行合理設(shè)計(jì)及計(jì)算，使設(shè)計(jì)更加完善合理。

本次設(shè)計(jì)是全自動(dòng)雙層超聲波洗碗機(jī)，功能豐富，結(jié)構(gòu)緊湊，操作簡(jiǎn)單，不僅加快了洗碗機(jī)的發(fā)展，而且全面促進(jìn)了我國(guó)餐飲行業(yè)的高質(zhì)量發(fā)展。