芻議洗碗機噴淋結構的優化設計分析

王松波

摘 要：隨著計算機網絡信息技術的發展，為設計工作帶來了很大的便利，可將設計數據上傳至計算機系統中，并生成數據模型，便于分析方案中存在的問題，不斷進行調整，以保障設計質量。因此，將洗碗機噴淋結構設計與計算機技術進行融合，可直觀展現傳統結構設計存在的缺陷，并根據實際需求進行調整與完善，能保障優化效果，提高洗碗機的運行效率。

關鍵詞：洗碗機；噴淋結構；優化設計

1.洗碗機噴淋結構優化設計

優化設計首先要解決的關鍵性問題是如何將工程的實際問題轉化為數學模型。解決這個問題必須要考慮哪些是設計變量，這些設計變量是否受到約束，這個問題所追求的結果又是什么，即在優化設計過程要確定目標函數或者設計目標。設計變量、約束條件和目標函數是優化設計的三個基本要素。

1.1設計變量

設計變量是在設計過程中選擇的需要調整的獨立參數，固定不變的要事先給定的參數稱為設計常量。設計變量的數目稱為優化問題的維數，設計空間的維數同時也表征了設計的自由度，設計變量愈多，則設計的自由度愈大、可供選擇的方案愈多，設計愈靈活，但難度也愈大，求解也愈復雜。設計變量有連續變量和離散變量之分，大多數產品設計中的設計變量是連續變量，但也有一些產品設計中的設計變量是離散型設計變量，如齒輪的模數、軸承的內徑、彈簧的螺距等。對于離散型設計變量，目前通行的做法是在優化過程中，先將這些離散型設計變量當做連續變量來處理，待優化過程結束后，再在所取得的最優點附近援通過與其鄰近離散點的目標值進行比較，來確定最優離散點。

1.2目標函數

目標函數又稱為評價函數，是評價設計方案優劣的標準和反映設計者追求產品最優指標的設計意圖，目標函數表征的是設計的某項或者某些最重要的特征，如產品的重量、體積、剛度、變形、承載力、功耗、產量、成本、運動誤差、動態特性或其他指標等。優化設計就是要通過優選設計變量使目標函數達到優值。目標函數與設計變量值之間具有一定的函數關系，雖然這種關系并非一一對應，但是一組已知的設計變量在設計空間還是唯一地確定了目標函數的值和設計點。依據設計特征的數量，目標函數可分為單目標函數和多目標函數兩類。由于單目標函數所反映智僅是產品設計中中多指標的某一項，片面性和局限性很大，故在優化設計中，多目標函數的優化設計問題比較普遍。目標函數愈多，考慮到的設計指標就愈多，設計的綜合效果愈好，但是求解也更復雜。

1.3約束條件

目標函數值取決于設計變量的變化，但這種變化并不是任意的自由變化，絕大部分實際問題的設計或多或少總要滿足一定的條件，而這些條件構成了對設計變量取值的限制，稱為約束條件或約束函數。根據對設計變量取值的限制形式，約束條件可分為直接限制的顯約束和間接限制的隱約束。結構優化提供拓撲優化、形貌優化、尺寸優化、形狀優化以及自由尺寸和自由形狀優化，這些方法被廣泛應用于產品開發過程的各個階段。拓撲、形貌和自由尺寸優化基于概念設計的思想，作為結果的設計參數還可以反饋給設計人員并作出適當的修改和調整，經過設計人員修改過的設計方案可以再經過更為細致的形狀、尺寸以及自由形狀優化，從而得到更好的方案。

2.實例分析

2.1設計缺陷

本次優化設計工作采用了Fluent軟件，對現有的洗碗機噴淋結構進行數據收集、整合，并制成仿真模型，有利于對噴淋結構的實際情況進行分析，如噴孔的角度、噴孔開口直徑、噴孔進出水口的配水比值、噴孔的相對位置等，為后續的優化設計工作提供了數據支撐。利用Fluent軟件可生成水流速度矢量圖，直觀展現各項數據信息。通過分析矢量圖可知，當單管出口的數目增加后，各個出口管道都充滿了水，且出口處水流速度最大。但發現水流方向發生了改變，大多從右側出口流出來，主要是因為水流方向偏于左邊。因此，導致左側出口水量較少，難以將碗碟清洗干凈，對洗碗機的工作效率造成了嚴重的影響。

2.2優化方案

2.2.1優化思路

現階段，我國現有的洗碗機噴淋結構設計，主要應用了驅動水泵技術，在電能的作用下，能為驅動水泵提供動力支撐，從而對洗滌水進行加壓，使其從旋臂中噴射出來。當噴射出來的水流與碗碟相接觸時，會產生機械能，將碗碟表面的污漬沖洗干凈。油漬、蛋白質、淀粉的清除是洗碗粉中酶的作用，而酶的活化是需要在一定溫度下才能效果最大；洗滌泵加壓主要是保證對餐具表面的沖刷力。洗碗機殺菌是在高溫漂洗階段加熱到65℃以上持續20分鐘以上；洗碗機的洗滌用水的軟化是通過機器中的軟水器來實現的，因此，需要調整水流的出口角度、噴孔的相對排布、噴臂驅動孔對噴臂轉速的影響；洗碗機的水量是有整個水路系統來決定的：最低耗水由管路的水耗及洗滌過程中洗滌水的回流速度來決定；清洗時間及時序的設定是通過對洗滌不同階段的優化來實現的。另外，在新時期下，我國提出了建設節約型社會的目標，實現國民經濟的可持續發展。

2.2.2設計過程

在進行優化設計時，應對上述問題進行分析，明確優化過程，以解決實際問題。例如，一是，噴淋結構上共有5個出水口，為了解決水流偏移、機械能不足等問題，需要合理設計出水口的角度。對此，可按照從左至右的方式，第一個出水口傾斜角度為0°，并逐個增加5°，再利用Fluent軟件進行檢測，能發現出水口集中偏移的問題基本解決。但還存在其他問題，由于出水口傾斜角度較大，存在水流向右偏移的問題。因此，要繼續對出水口傾斜角度進行調整，保持第一個出水口為0°不變，第二個出水口傾斜角度為10°，且依次增加2.5°。利用Fluent軟件檢測可知，可實現垂直噴射清洗，能有效提高清洗效率，節約水資源。通過對比前后方案可知，原有的噴淋結構存在明顯的水流集中偏移的問題，導致碗碟無法及時清洗干凈，需要進行重復清洗。而在進行第一次優化時，出水口傾斜角度過大，導致水流出現向右偏移的問題，也無法清洗干凈。因此，在此基礎上調整傾斜角度，此時的清洗效果最佳。

結語

當對洗碗機噴淋結構進行優化設計時，需要先明確各項變量因素，合理使用目標函數來確定指標，并為結構優化工作限定條件，有利于保障優化效率。同時，還需要對利用計算機軟件對優化后的方案進行仿真檢測，不斷進行調整，以確定最優設計方案，從而發揮洗碗機噴淋結構的綜合效益價值。

參考文獻

[1]喻永康，何雪明.基于CFD商用洗碗機清洗結構的優化設計研究[J].機械研究與應用，2013，26（2）：130-131.

[2]李曉娟，秦國慶，宋長源.基于PLC的家用噴淋式洗碗機設計[J].電子世界，2016（16）：49-50.