邵 健，周 歡，陳洪振，朱永偉

（揚(yáng)州大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，江蘇 揚(yáng)州 225127）

0 引言

目前市場(chǎng)上銷售的清洗機(jī)運(yùn)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(shí)代的進(jìn)步，越來(lái)越多的創(chuàng)新技術(shù)在清洗機(jī)上得到了應(yīng)用。本設(shè)計(jì)中的清洗機(jī)采用機(jī)械振蕩的方式來(lái)清洗物體表面，采用不完全齒輪通過(guò)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(guò)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(jī)電路和整體運(yùn)動(dòng)機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 清洗機(jī)電路設(shè)計(jì)方案的擬定

清洗機(jī)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(kāi)關(guān)P→觸點(diǎn)A2→電阻→零線。

（2）清洗機(jī)進(jìn)水回路：插頭K→電源開(kāi)關(guān)P→觸點(diǎn)A1→水位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)COM→觸點(diǎn)NC→進(jìn)水電磁閥ZF→零線。當(dāng)清洗桶內(nèi)的水位達(dá)到預(yù)定位置時(shí)，水位選擇檢測(cè)器的儲(chǔ)氣室中的空氣壓力逐漸升高，當(dāng)達(dá)到額定壓力時(shí)水位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)COM由NC轉(zhuǎn)向NO，進(jìn)水電磁閥ZF斷電，達(dá)到預(yù)定水位。

（3）清洗機(jī)清洗和排水回路：插頭K→電源開(kāi)關(guān)P→觸點(diǎn)A1→水位開(kāi)關(guān)觸點(diǎn)COM→觸點(diǎn)NC→進(jìn)水電磁閥ZF→達(dá)預(yù)定水位觸點(diǎn)COM→觸點(diǎn)NO→安全開(kāi)關(guān)S→觸點(diǎn)C1→調(diào)速電機(jī)BD開(kāi)始運(yùn)轉(zhuǎn)，進(jìn)入清洗模式→定時(shí)器控制時(shí)間（清洗結(jié)束）→達(dá)到清洗預(yù)設(shè)時(shí)間后蜂鳴器BZ響，清洗結(jié)束。排水時(shí)，觸點(diǎn)C轉(zhuǎn)向觸點(diǎn)C2，排水電磁閥PF打開(kāi)，同時(shí)頂桿電磁閥DF開(kāi)始動(dòng)作，為單向閥打開(kāi)并順利排水做好準(zhǔn)備工作，開(kāi)始排水，廢水經(jīng)由預(yù)先設(shè)計(jì)好的排水管道排出。

圖1 清洗機(jī)基本電路

1.2 總體傳動(dòng)機(jī)構(gòu)工作

圖2為清洗機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖，其動(dòng)力輸出傳遞的順序?yàn)椋弘姍C(jī)→離合器→電機(jī)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(shí)現(xiàn)桶的往復(fù)式擺動(dòng)。齒輪傳動(dòng)部分局部放大后如圖3所示，齒輪Ⅰ和Ⅱ?yàn)橥烬X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(shí)，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(shí)，右邊的不完全齒輪Ⅱ與清洗桶齒輪不嚙合，桶向右擺動(dòng)；同理，當(dāng)不完全齒輪Ⅱ與清洗桶齒輪進(jìn)入嚙合而與不完全齒輪Ⅰ脫離嚙合時(shí)，桶向左擺動(dòng)，并且不完全齒輪實(shí)際上只在180°范圍內(nèi)有齒，這樣就使清洗桶能夠均勻地?cái)[動(dòng)起來(lái)。

1.3 電磁閥選擇與水流特性

進(jìn)水、排水電磁閥均采用常閉型（通電開(kāi)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(dòng)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(guò)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(jī)底板上設(shè)置一個(gè)容水箱，容水箱與排水電磁閥通過(guò)管道連接，使水流通過(guò)排水電磁閥管道排出箱體，從而形成一個(gè)完整的排水系統(tǒng)。水流運(yùn)動(dòng)為比較復(fù)雜的非恒定流動(dòng)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(diǎn)，另一端在孔口B點(diǎn)，流線的具體位置不易確定。對(duì)A，B兩點(diǎn)應(yīng)用流體伯努利方程：

其中：pA，pB，vA，vB分別為A，B 點(diǎn)壓強(qiáng)和流速；zA，zB為以B為參考點(diǎn)時(shí)，A，B兩點(diǎn)到參考點(diǎn)的豎直距離；ρ為水流密度；g為重力加速度。

圖2 清洗機(jī)傳動(dòng)機(jī)構(gòu)簡(jiǎn)圖

圖3 齒輪傳動(dòng)示意圖

圖4 恒定和非恒定流動(dòng)

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(shí)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(shí)間t≈10.7 s。

1.4 清洗桶設(shè)計(jì)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(qiáng)度。常見(jiàn)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(jì)采用不銹鋼。通過(guò)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(dòng)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(gè)或多個(gè)隨時(shí)間按正弦規(guī)律變化的載荷時(shí)穩(wěn)態(tài)響應(yīng)的一種技術(shù)，因此可通過(guò)諧響應(yīng)分析得到清洗桶在振蕩頻率為4 Hz時(shí)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(gè)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(jī)械式振蕩時(shí)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(shí)增加支承軸的剛度有利于發(fā)揮清洗機(jī)整體的清洗效果。

1.5 夾緊機(jī)構(gòu)與頂桿機(jī)構(gòu)、單向閥的設(shè)計(jì)

圖7為單向閥、頂桿、制動(dòng)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(yùn)動(dòng)時(shí)，兩制動(dòng)桿互相靠攏，圓弧狀剎車塊逐漸夾持半圓形凸臺(tái)。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(dòng)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(shí)頂桿將單向閥下部活塞頂開(kāi)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(dòng)，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(guò)預(yù)先設(shè)計(jì)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(shí)帶動(dòng)兩制動(dòng)桿做松開(kāi)動(dòng)作，制動(dòng)桿下部連接導(dǎo)軌方便滑動(dòng)。

圖7 單向閥、頂桿、制動(dòng)桿示意圖

2 超聲波清洗的使用試驗(yàn)

超聲波清洗（見(jiàn)圖8）就是通過(guò)換能器將超聲波發(fā)生器的電振蕩轉(zhuǎn)化為機(jī)械振蕩，再通過(guò)變幅桿的振幅擴(kuò)大原理使得與變幅桿連接的工具頭做高頻振動(dòng)對(duì)物品進(jìn)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(dòng)對(duì)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(guò)在清洗桶內(nèi)部設(shè)置一個(gè)超聲振動(dòng)部件，使得由齒輪對(duì)產(chǎn)生的小幅擺動(dòng)與超聲高幅振動(dòng)的相互作用充分發(fā)揮，則水流清洗效果會(huì)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(guò)大，水的容量也不宜過(guò)多。

（2）用帶傳動(dòng)和齒輪傳動(dòng)組合的多級(jí)傳動(dòng)有效地提高了洗滌效率，但是在傳導(dǎo)運(yùn)動(dòng)中會(huì)產(chǎn)生剛性沖擊，因此必須保持各傳動(dòng)件的潤(rùn)滑效果良好。

［1］ 馬盛明.機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)教育［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與研究，1999（2）：79－80.

［2］ 高英武，劉毅君，任述光，等.振動(dòng)噴淋式蔬菜清洗機(jī)的研究［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2000，16（6）：92－95.

［3］ 楊紅兵，丁為民，陳坤杰，等.新型蔬菜清洗機(jī)的研制［J］.農(nóng)業(yè)工程學(xué)報(bào)，2006，21（1）：92－96.

［4］ 龐斌.超聲波臭氧組合清洗技術(shù)試驗(yàn)研究與樣機(jī)研制［D］.楊凌：西北農(nóng)林科技大學(xué)，2010：2－46.

［5］ 關(guān)玉明，張文雅，肖艷春，等.間歇機(jī)構(gòu)——不完全齒輪機(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)及應(yīng)用［J］.機(jī)械設(shè)計(jì)與制造，2009（7）：59－63.