全自動超聲波洗碗機結構優化設計

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，大多數餐飲店采用人工完成餐具清洗工作，不僅費時費力，而且增加了企業的勞動成本[1]。所以，設計一款可以替代人工清洗餐具的商用洗碗機，可以更好地解放工人雙手，降低企業的用工成本。但是，目前市場上常見的洗碗機存在體積大、性能差等缺點[2]。為進一步加快我國家餐飲業的發展，以洗碗機為對象進行深入研究，在前人的基礎上進行優化改造，設計了一款可以替代人工自動完成餐具清洗功能的雙層超聲波洗碗機，進一步解放了人們的雙手，降低了餐飲行業的用工成本，加快了我國餐飲業的發展，也為家用洗碗機的研發提供了相關參考。

1 洗碗機系統組成

圖1為設計的洗碗機系統組成結構示意圖，主要由循環傳送網帶機構1、網帶升降機構2、網帶張緊機構3、循環噴淋機構4、超聲波清洗機槽5以及控制器6等多個子系統組成。

循環傳送網帶機構1是利用傳送帶原理設計的，可以實現被清洗餐具的自動運輸功能[3]。網帶升降機構2主要是將洗碗機分為上下兩層，在網帶運輸過程中可以實現餐具在上下兩層之間的循環輸送，實現多功能清洗。網帶張緊機構3屬于輔助設備，主要是在網帶機構循環傳送時可以自動調節其張緊力，使網帶運行更加穩定。循環噴淋機構4用來對餐具進行噴水，從而起到更好的清洗作用。超聲波清洗槽5通過發送超聲波帶動網帶振動，可以使餐具在清洗液中清洗得更加徹底。控制器6是洗碗機的控制核心，相當于人的大腦，可以對各個子系統進行總體協調控制。

圖1 洗碗機系統組成結構示意圖

2 洗碗機的總體設計及其工作原理

圖2為洗碗機的整體機械結構圖，主要由網帶輸送機、循環噴淋、超聲波清洗、電氣箱及控制單元等構成。

循環傳送網帶機構1屬于一個小型子系統，由網帶升降機構2、網帶張緊機構3等機構組成。將需要清洗的餐具存放在網帶上，利用網帶傳動原理，通過電機驅動，實現網帶的循環運動，進而實現餐具的自動運輸功能。為更好地實現餐具的穩定運輸和清洗功能，增加了網帶升降機構2和網帶張緊機構3。三大機構相互配合，可以更好地實現餐具的自動運輸。因為設計的是雙層洗碗機，因此在網帶升降機構2的配合下，可以實現上層網帶上的餐具自行運送至下層，便于完成潔凈清洗。此外，張緊機構3的存在可以更好地調節網帶運動過程中的張緊力，使網帶運行更加穩定。

圖2 洗碗機整體機械結構圖

循環噴淋機構4位于洗碗機上層位置，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。當位于網帶上的餐具運行到預設位置時，此時水泵9開始工作。通過噴淋管8將集水箱11內部的清洗液體抽到集水板10上，利用控制系統驅動集水板10實現打通，此時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主要由導流板12、超聲波發生器13等關鍵部件組成。當承載著餐具的網帶運送至下層超聲波清洗槽中時，通過超聲波發生器13工作來帶動網帶在清洗槽中來回振動，進而帶動餐具在清洗液中振動起到較好的清洗作用。為避免網帶振動時餐具的滑落，在網帶周圍安裝有導流板12，可以起到防護作用。

箱體7是所有機構的載體并對它們起到支撐與固定作用。將控制器6安裝在箱體7內部，可以更好地簡化結構，節約空間。

3 控制系統設計

3.1 電機及其控制方式設計

洗碗機的動力源來自驅動電機，通過控制電機正反轉實現網帶的循環傳送功能。目前，電機的種類及其控制方式比較多。在眾多的電機類型中，伺服電機使用范圍最廣泛，所以設計選用伺服電機。對于伺服電機來說，它具有位置、轉矩、速度3種控制策略[4]。通過比較并結合設計要求，最終選用位置控制方式，可以較好地保證控制精度，提高網帶運行的穩定性。電機位置控制形態如圖3所示。

3.2 電機選型設計

傳動裝置電機的功率PW由工作阻力和運轉參數求定，即：

式中：F為工作阻力，取300 N；V為運轉參數，取1 m·s-1。將數據帶入式（1），可得電機的功率為0.3 kW。

最終，選用Y160M2-8型電機，參數如表1所示。

圖3 伺服驅動器位置控制形態圖

表1 Y160M2-8型電機參數

4 帶傳動的設計計算

4.1 皮帶輪的選擇

因為網帶傳送采用的是帶傳動機構，所以需要對同步帶和帶輪進行合理的選型設計[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大，傳動更加穩定。所以，綜合比較后最終選用普通V帶輪進行傳動。

4.2 帶輪計算

第一，確定計算功率Pca：

式中：KA=1.1；P=0.3 kW。于是，有Pca=3.3 kW。

第二，選擇帶型。由上述結構可知，計算功率Pca為0.33 kW，再加上小帶輪轉速n1=1 400 r·min-1，故選用普通V帶符合本次設計要求。

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

將相關數值帶入式（3），可得V1≈5.2 m·s-1。

第四，確定中心距a0和帶的基準長度Ld0：

式中：初始中心距a0=500 mm；基準直徑dd1=71 mm，dd2=355 mm。將相關數據帶入式（4），可得帶的基準長度Ld0約為1 709.5 mm。查找機械設計手冊，依據基準長度系列，選擇帶長為1 700 mm。

第五，驗算主動輪上的包角α1，計算公式為：

第六，確定帶的根數。

式中：對于包角系數Kα，查得Kα=0.91；對于長度系數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，確定帶得預緊力F0，有：

將相關數據帶入式（7），可得(F0)min=58.14 N。

第八，計算帶傳動作用在軸上的力FP。

式中：z=1；F0=58.14 N；α=147.454°。將相關數據帶入式（8），可得FP=115.34 N。

通過計算分析可知，設計采用Z形V帶。為了使設計更合理，特選用Φ71 mm、Φ355 mm的帶輪，中心距為500 mm，帶長1 700 mm。

5 結語

自動洗碗機是一種可以替代人工自動完成餐具清洗功能的智能化設備。目前，我國市場上存在的洗碗機大都為家用類型，商用洗碗機種類較少，不利于我國餐飲業的發展。針對這一現狀，在傳統的洗碗機基礎上進行升級改造，設計了一款適合商用的全自動超聲波雙層洗碗機。

（1）查閱資料了解洗碗機的結構原理和最新的研究進展，總結前人的設計經驗并提出本次研究的必要性。

（2）在傳統的洗碗機基礎上升級改造，提出了全自動超聲波洗碗機的整體設計方案，并對其系統組成及各部分功用進行詳細介紹。

（3）針對超聲波洗碗機的循環傳送網帶機構、循環噴淋機構以及超聲波清洗槽機構等核心機構進行詳細設計，并介紹其工作原理。

（4）針對洗碗機的傳動部件進行詳細設計，一方面對驅動電機的功率、型號及其控制方式進行合理的選型計算，另一方面針對帶傳動機構進行合理設計及計算，使設計更加完善合理。

本次設計是全自動雙層超聲波洗碗機，功能豐富，結構緊湊，操作簡單，不僅加快了洗碗機的發展，而且全面促進了我國餐飲行業的高質量發展。