韓　杰，王開寶，周振強，劉玉力，宋春雷，秦慶坤

(北華大學 機械工程學院，吉林 吉林 132021)

現(xiàn)在水果和蔬菜的病蟲害越來越重[1]，在上市之前，絕大部分果蔬需要進行多次用藥.當人們食用了農(nóng)藥殘留超標的果蔬后,會導致人體的神經(jīng)系統(tǒng)和肝、腎等重要器官出現(xiàn)損傷.農(nóng)藥殘留超標問題嚴重危害著人類的生命安全,這一問題已引起全球的重點關(guān)注.降解農(nóng)藥殘留是減少環(huán)境農(nóng)藥殘留、降低農(nóng)藥毒負作用的一個重要研究領(lǐng)域.隨著農(nóng)產(chǎn)品需求量的不斷擴大,隨之帶來的是農(nóng)藥的大面積使用,自然分解已經(jīng)無法達到人類食用的安全需求,因此只有通過科技的手段來促進農(nóng)藥的降解,使農(nóng)產(chǎn)品達到食用的安全級別.

綜上所述，市場急需一種能高效降解農(nóng)藥殘留的裝置，根據(jù)臭氧消毒法，設(shè)計了一款果蔬清洗機，可以有效地降解果蔬中的農(nóng)藥殘留，分離重金屬離子，讓人們吃的更健康.

1　臭氧消毒法果蔬清洗機總體方案設(shè)計

在滿足功能的前提下，果蔬清洗機還應(yīng)該滿足模塊化、實用、操作簡單等設(shè)計要求[2]，并且考慮到實際應(yīng)用，通過優(yōu)化設(shè)計的方法設(shè)計的果蔬清洗機，整機的機構(gòu)顯得較為緊湊，同時整機的功能得到了完善.果蔬清洗機主要是利用臭氧消毒的化學原理，對果蔬進行快速高效的清洗、消毒.根據(jù)我們的設(shè)計，基本結(jié)構(gòu)如圖1所示[3]：

圖1　臭氧消毒法果蔬清洗機三維結(jié)構(gòu)

整體由四個部分組成，臭氧發(fā)生裝置、超聲波發(fā)生裝置、果蔬清洗槽、控制系統(tǒng).工作時，首先將清洗槽中注入適量的清水，然后將需要清洗的果蔬放入清洗槽中，并將透明蓋蓋于清洗槽上.同時按下臭氧發(fā)生控制按鈕，臭氧發(fā)生裝置通過電暈放電產(chǎn)生臭氧，在氣泵作用下通過單向閥后，再分別由曝氣石通入水中，產(chǎn)生臭氧水.按下臭氧控制按鈕的同時按下超聲波控制按鈕，超聲波通過換能器產(chǎn)生高頻振動，加速臭氧對有機物的分解，5～10 min完成對果蔬的清洗、消毒工作.

1.1　果蔬清洗機超聲波發(fā)生器

果蔬清洗機在工作時，超聲波為其提供合適的中頻脈沖[4]，通過超聲波的空化作用使強氧化性的臭氧迅速進入微生物的細胞膜，氧化細胞內(nèi)的物質(zhì)，致使微生物失活.超聲波釋放的能量通過換能器使清洗介質(zhì)產(chǎn)生高頻振動，并由此產(chǎn)生較大的初速度，使介質(zhì)分子猛烈碰撞，造成分子鍵斷裂，從而加速臭氧對有機物質(zhì)的分解作用.為此我們選擇了一款超聲波發(fā)生器，如圖1所示，功率、頻率、時間均可調(diào)節(jié).主要的參數(shù)如表1所示：

表1　超聲波發(fā)生器相關(guān)參數(shù)

1.2　果蔬清洗機清洗槽的結(jié)構(gòu)設(shè)計

清洗槽必須滿足食品級衛(wèi)生要求[5]，清洗槽既要有一定的耐腐蝕性，同時還要對超聲波的能量吸收較少，因此清洗槽的制作材料選用不銹鋼，槽壁厚度要適中，一般選用1～2 mm本清洗槽采用1.5 mm厚的不銹鋼板[6]，與清洗液接觸的內(nèi)部槽面均經(jīng)過拋光處理，以減少空化腐蝕，為了使粘接更加牢固，槽底與換能器粘接面磨砂處理,清洗槽形狀和尺寸是影響超聲波清洗機清洗效果重要因素之一,傳統(tǒng)清洗設(shè)備的槽體一般有圓筒形和多邊形兩種，由于圓筒形清洗槽與超聲波換能器耦合性差，因此本超聲波清洗機選用多邊形槽體，如圖2所示.

圖2　果蔬清洗機清洗槽三維模型

1.3　臭氧發(fā)生裝置的設(shè)計

臭氧由臭氧發(fā)生管產(chǎn)生[7],其原理為電暈法.圖3為電暈法制備臭氧的原理，干燥空氣在高壓電的作用下產(chǎn)生臭氧.主要由供氣系統(tǒng)、冷卻風扇、電源和臭氧發(fā)生管組成.其工作過程如下：氣體在空氣壓縮機的作用下進入氣體過濾器,出來的干凈空氣導入臭氧發(fā)生管，電暈放電產(chǎn)生的高能電子轟擊空氣中的O2使其解離成活性O(shè),O又與O2產(chǎn)生化學反應(yīng)生成O3分子,臭氧發(fā)生管中的氣體為臭氧與空氣的混合氣體.由于在電暈放電時會產(chǎn)生高溫,加速臭氧的分解,所以需要對臭氧發(fā)生管進行冷卻處理，確保臭氧不會因為溫度升高而分解.

圖3　電暈放電原理

1.4　控制系統(tǒng)的設(shè)計

核心器件是2片51單片機[8]，分別作為主機和從機，通過渾濁度傳感器、水位傳感器、臭氧發(fā)生器、超聲波發(fā)生器采集相關(guān)信息和數(shù)據(jù)，將這些信息和數(shù)據(jù)傳給從機，從機與主機進行直接通訊，主機接收這些信息和數(shù)據(jù)，通過外圍電路，如 AT24C02、顯示電路、報警電路、按鍵電路等將這些數(shù)據(jù)進行加工和處理達到預(yù)定要求.

2　有限元模態(tài)分析過程

振動模態(tài)是彈性結(jié)構(gòu)固有的、整體的特性[9].通過模態(tài)分析方法搞清楚了結(jié)構(gòu)物在某一易受影響的頻率范圍內(nèi)的各階主要模態(tài)的特性，就可以預(yù)言結(jié)構(gòu)在此頻段內(nèi)在外部或內(nèi)部各種振源作用下產(chǎn)生的實際振動響應(yīng).因此，模態(tài)分析是結(jié)構(gòu)動態(tài)設(shè)計及設(shè)備故障診斷的重要方法.

任何結(jié)構(gòu)都具有固有頻率，其值有本身的結(jié)構(gòu)所決定，自由振動是一種無衰減力的振動狀態(tài).振動外力的周期與結(jié)構(gòu)固有周期一致或者接近時，則要發(fā)生共振，在設(shè)計時我們應(yīng)該避免共振.清洗槽是整個裝置的主要承載機構(gòu)，并且激振源與其緊密連接，所以需要對清洗槽做模態(tài)分析.

2.1　參數(shù)設(shè)置、網(wǎng)格劃分

依據(jù)設(shè)計圖紙，在模態(tài)分析界面設(shè)置材料的密度、彈性模量以及泊松比等必要參數(shù).為了提高計算精度，采用了標準網(wǎng)格劃分參數(shù)，設(shè)置了最大、最小單元尺寸如圖4所示.共有12 154個節(jié)點以及6 743個單元.

(a) 有限元模型

(b) 網(wǎng)格劃分參數(shù)圖4　有限元模型及網(wǎng)格劃分

2.2　約束條件設(shè)置

約束條件設(shè)置清洗槽在工作時，是平放在固定平面上的，整個殼體呈平放狀態(tài).因此需要對清洗槽地面施加完全固定約束，與實際工作狀態(tài)相符合.除此之外，還需給清洗槽加一定的載荷，因為在工作過程中，清洗槽中有工作介質(zhì)(水)以及果蔬.

2.3　有限元分析結(jié)果

在使用時，為了檢驗清洗槽是否能滿足使用強度，同時考慮到清洗槽的動態(tài)性能會受到超聲波頻率的影響，超聲波的工作頻率為25～50 Hz，而清洗槽的一階固定頻率為163.95 Hz(為最小頻率),綜上我們提取前六階模態(tài)(表2)進行求解，并觀察預(yù)應(yīng)力作用下殼體變形情況&求得殼體在靜力作用下的最大變形為沿徑向的彎曲變形，最大變形量為(0.009 2 m

表2　清洗槽各階模態(tài)的固定頻率

(a) 一階振型

(b) 二階振型

(c) 三階振型

(d) 四階振型

(e) 五階振型

(f) 六階振型

為了檢驗清洗槽是否能滿足使用強度，同時考慮到清洗槽的動態(tài)性能受到超聲波頻率的影響，綜上所述我們?nèi)∏傲A模態(tài)進行分析(固有頻率隨階數(shù)的增加而增大)，并觀察預(yù)應(yīng)力作用下槽體的體變形情況，求得槽體在靜力作用下的最大變形為沿徑向的彎曲變形，最大變形量為(0.009 2 m

通過對清洗槽進行有限元模態(tài)分析，得到了該結(jié)構(gòu)的前六階固有頻率以及相應(yīng)的振動形式，分析后得出結(jié)論：

由表2可知清洗槽的前六階頻率分布在163.95 Hz和199.08 Hz之間[10].共振的條件為：當外部的激勵頻率與結(jié)構(gòu)的固有頻率接近或相等是，將發(fā)生共振現(xiàn)象，會對裝置造成較大的損傷.該裝置超聲波正常工作時的最大頻率為50 Hz遠小于清洗槽的最小固有頻率163.95 Hz，因此，內(nèi)部和外部激勵源不會使清洗槽產(chǎn)生共振現(xiàn)象.對清洗槽的前六階的振動特點分析后，得到了結(jié)構(gòu)的薄弱區(qū)域(清洗槽口邊緣)，為以后的結(jié)構(gòu)改進以及優(yōu)化提供了理論基礎(chǔ).

3　結(jié)　　論

本文根據(jù)臭氧消毒法，研制了一種新型的臭氧消毒法果蔬清洗機.利用超聲波和臭氧的協(xié)同作用，通過超聲波的空化作用使強氧化性的臭氧迅速進入微生物的細胞膜，氧化細胞內(nèi)的物質(zhì)，致使微生物失活.超聲波釋放的能量通過換能器使清洗介質(zhì)產(chǎn)生高頻振動，使介質(zhì)分子猛烈碰撞，從而加速臭氧對有機物質(zhì)的分解作用.此外，超聲波振動可以將臭氧氣泡破碎成微氣泡，大大地提高了臭氧的溶解速度，可以使臭氧在短時間內(nèi)達到較高的濃度，有利于臭氧滅菌、降解農(nóng)藥殘留.

該裝置操作簡單，無須專門訓練，能滿足不同人群和不同場所的需求.

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