刍议洗碗机喷淋结构的优化设计分析

王松波

摘 要：随着计算机网络信息技术的发展，为设计工作带来了很大的便利，可将设计数据上传至计算机系统中，并生成数据模型，便于分析方案中存在的问题，不断进行调整，以保障设计质量。因此，将洗碗机喷淋结构设计与计算机技术进行融合，可直观展现传统结构设计存在的缺陷，并根据实际需求进行调整与完善，能保障优化效果，提高洗碗机的运行效率。

关键词：洗碗机；喷淋结构；优化设计

1.洗碗机喷淋结构优化设计

优化设计首先要解决的关键性问题是如何将工程的实际问题转化为数学模型。解决这个问题必须要考虑哪些是设计变量，这些设计变量是否受到约束，这个问题所追求的结果又是什么，即在优化设计过程要确定目标函数或者设计目标。设计变量、约束条件和目标函数是优化设计的三个基本要素。

1.1设计变量

设计变量是在设计过程中选择的需要调整的独立参数，固定不变的要事先给定的参数称为设计常量。设计变量的数目称为优化问题的维数，设计空间的维数同时也表征了设计的自由度，设计变量愈多，则设计的自由度愈大、可供选择的方案愈多，设计愈灵活，但难度也愈大，求解也愈复杂。设计变量有连续变量和离散变量之分，大多数产品设计中的设计变量是连续变量，但也有一些产品设计中的设计变量是离散型设计变量，如齿轮的模数、轴承的内径、弹簧的螺距等。对于离散型设计变量，目前通行的做法是在优化过程中，先将這些离散型设计变量当做连续变量来处理，待优化过程结束后，再在所取得的最优点附近援通过与其邻近离散点的目标值进行比较，来确定最优离散点。

1.2目标函数

目标函数又称为评价函数，是评价设计方案优劣的标准和反映设计者追求产品最优指标的设计意图，目标函数表征的是设计的某项或者某些最重要的特征，如产品的重量、体积、刚度、变形、承载力、功耗、产量、成本、运动误差、动态特性或其他指标等。优化设计就是要通过优选设计变量使目标函数达到优值。目标函数与设计变量值之间具有一定的函数关系，虽然这种关系并非一一对应，但是一组已知的设计变量在设计空间还是唯一地确定了目标函数的值和设计点。依据设计特征的数量，目标函数可分为单目标函数和多目标函数两类。由于单目标函数所反映智仅是产品设计中中多指标的某一项，片面性和局限性很大，故在优化设计中，多目标函数的优化设计问题比较普遍。目标函数愈多，考虑到的设计指标就愈多，设计的综合效果愈好，但是求解也更复杂。

1.3约束条件

目标函数值取决于设计变量的变化，但这种变化并不是任意的自由变化，绝大部分实际问题的设计或多或少总要满足一定的条件，而这些条件构成了对设计变量取值的限制，称为约束条件或约束函数。根据对设计变量取值的限制形式，约束条件可分为直接限制的显约束和间接限制的隐约束。结构优化提供拓扑优化、形貌优化、尺寸优化、形状优化以及自由尺寸和自由形状优化，这些方法被广泛应用于产品开发过程的各个阶段。拓扑、形貌和自由尺寸优化基于概念设计的思想，作为结果的设计参数还可以反馈给设计人员并作出适当的修改和调整，经过设计人员修改过的设计方案可以再经过更为细致的形状、尺寸以及自由形状优化，从而得到更好的方案。

2.实例分析

2.1设计缺陷

本次优化设计工作采用了Fluent软件，对现有的洗碗机喷淋结构进行数据收集、整合，并制成仿真模型，有利于对喷淋结构的实际情况进行分析，如喷孔的角度、喷孔开口直径、喷孔进出水口的配水比值、喷孔的相对位置等，为后续的优化设计工作提供了数据支撑。利用Fluent软件可生成水流速度矢量图，直观展现各项数据信息。通过分析矢量图可知，当单管出口的数目增加后，各个出口管道都充满了水，且出口处水流速度最大。但发现水流方向发生了改变，大多从右侧出口流出来，主要是因为水流方向偏于左边。因此，导致左侧出口水量较少，难以将碗碟清洗干净，对洗碗机的工作效率造成了严重的影响。

2.2优化方案

2.2.1优化思路

现阶段，我国现有的洗碗机喷淋结构设计，主要应用了驱动水泵技术，在电能的作用下，能为驱动水泵提供动力支撑，从而对洗涤水进行加压，使其从旋臂中喷射出来。当喷射出来的水流与碗碟相接触时，会产生机械能，将碗碟表面的污渍冲洗干净。油渍、蛋白质、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温度下才能效果最大；洗涤泵加压主要是保证对餐具表面的冲刷力。洗碗机杀菌是在高温漂洗阶段加热到65℃以上持续20分钟以上；洗碗机的洗涤用水的软化是通过机器中的软水器来实现的，因此，需要调整水流的出口角度、喷孔的相对排布、喷臂驱动孔对喷臂转速的影响；洗碗机的水量是有整个水路系统来决定的：最低耗水由管路的水耗及洗涤过程中洗涤水的回流速度来决定；清洗时间及时序的设定是通过对洗涤不同阶段的优化来实现的。另外，在新时期下，我国提出了建设节约型社会的目标，实现国民经济的可持续发展。

2.2.2设计过程

在进行优化设计时，应对上述问题进行分析，明确优化过程，以解决实际问题。例如，一是，喷淋结构上共有5个出水口，为了解决水流偏移、机械能不足等问题，需要合理设计出水口的角度。对此，可按照从左至右的方式，第一个出水口倾斜角度为0°，并逐个增加5°，再利用Fluent软件进行检测，能发现出水口集中偏移的问题基本解决。但还存在其他问题，由于出水口倾斜角度较大，存在水流向右偏移的问题。因此，要继续对出水口倾斜角度进行调整，保持第一个出水口为0°不变，第二个出水口倾斜角度为10°，且依次增加2.5°。利用Fluent软件检测可知，可实现垂直喷射清洗，能有效提高清洗效率，节约水资源。通过对比前后方案可知，原有的喷淋结构存在明显的水流集中偏移的问题，导致碗碟无法及时清洗干净，需要进行重复清洗。而在进行第一次优化时，出水口倾斜角度过大，导致水流出现向右偏移的问题，也无法清洗干净。因此，在此基础上调整倾斜角度，此时的清洗效果最佳。

结语

当对洗碗机喷淋结构进行优化设计时，需要先明确各项变量因素，合理使用目标函数来确定指标，并为结构优化工作限定条件，有利于保障优化效率。同时，还需要对利用计算机软件对优化后的方案进行仿真检测，不断进行调整，以确定最优设计方案，从而发挥洗碗机喷淋结构的综合效益价值。

参考文献

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[2]李晓娟，秦国庆，宋长源.基于PLC的家用喷淋式洗碗机设计[J].电子世界，2016（16）：49-50.