SCI论文（www.lunwensci.com）
摘要：为适应不同类型的蔬菜，提高清洗工作的质量，设计一款家用或小型餐厅使用的新型复合式蔬菜自动化清洗设备。通过对市场的调研，在现有解决方案的基础上进行创新优化设计。完成了“流水线式单腔多模”式创新结构的设计方案。设备整体采用流水线式布置，方便结构布置，使清洗工作有序进行。清洗腔将多种功能集成化，不同类型的蔬菜均在单个多功能清洗腔完成清洗工作，使设备体积有效减小。控制器根据蔬菜的类别自动调节清洗执行模块的参数，采取不同的清洗策略，满足了智能化的要求。设备左右两侧均布置蔬菜暂存点，通过合理的清洗工作调度，极大程度提高清洗效率，避免过度依赖人工操作。蔬菜在不同工位之间的移动主要靠电机和推杆配合完成。清洗完成后，将蔬菜沥干并送回起点完成工作。经过分析、验证与优化，该方案设计完整，结构布置合理，符合运行要求，可使设备轻松完成清洗工作。
关键词：洗菜机；家用电器；蔬菜清洗；电机；推杆
Design of a New Compound Vegetable Automatic Cleaning Equipment
Li Shuo，Zhang Yichen，Liu Shijie
（School of Electromechanical and Automation,Wuchang Shouyi University,Wuhan 430064,China）
Abstract:To adapt to different types of vegetables and to improve the quality of cleaning work,a new composite vegetable automatic cleaning equipment for home or small restaurant use is designed.The design is optimized based on the existing solutions.After the analysis and discussion,the design of the innovative structure of"single-chamber and multi-mode in a assembly line"is completed.The whole equipment adopts the assembly line type arrangement,which is convenient for the structure arrangement and makes the cleaning work orderly.The cleaning chamber integrates multiple functions,and different types of vegetables are cleaned in a single multi-functional cleaning chamber,so that the size of the equipment can be effectively reduced.To meet the requirements of intelligence,the controller automatically adjusts the parameters of the cleaning execution module and adopts different cleaning strategies according to the category of vegetables.Both left and right sides of the equipment are arranged with vegetable staging points,which can greatly improve the cleaning efficiency and avoid over-reliance on manual operation through reasonable scheduling of cleaning work.The movement of vegetables between different points is mainly done by the motor and actuator.After the cleaning is completed,the vegetables are drained and sent back to the starting point to finish the work.After analysis,verification and optimization,the scheme is complete in design,reasonable in structure arrangement and meets the operation requirements,which can make the equipment complete the cleaning work easily.
Key words:vegetable washing machine;household appliances;vegetable washing;electrical machinery;electric actuators
0引言
蔬菜的摄入对人体的健康十分重要，蔬菜能为人体提供各种维生素、补充人体的需要、帮助人体抵抗某些疾病等[1]。人们在食用蔬果前的必不可少的步骤是对其进行清洗。如果蔬果清洗不得当，就会面临“病从口入”的风险[2]。近些年来，国内诸如果蔬清洗不彻底导致农药残留超标的新闻报道层出不穷，各类打着去农残旗号的家用洗菜机渐渐在市场上浮现。
研究市场上不同种类的家用洗菜机发现各类洗菜机产品的清洗效果参差不齐，不少卖家甚至进行夸张宣传，因此消费者对家用蔬菜清洗设备的整体信任度并不高[3-4]。如今，虽然蔬菜清洗设备在工业上已经有了较为完备的发展[5]，但是在家用市场上普及率低、品类单一、功能欠缺。大多数人们觉得洗菜机有操作不够简单、等待时间比较长等缺陷。钱井等[6]实验发现对于叶片类等强度不高蔬菜的清洗过程中极易造成蔬菜本体受损的缺陷。此外，蔬菜清洗机的设计还不够紧凑，其体积通常较为庞大，且功耗较高[7]。马雪飞等[8-9]对蔬菜清洗设备机械结构的创新设计，降低叶片蔬菜在清洗过程中的受损情况，降低功耗，提高设备的工作效率。张会娟等[10]针对块茎类清洗要求，提出了采用毛刷式和喷淋式清洗的策略。
基于以上研究，设计了一种新型复合式蔬菜自动清洗设备。在现有解决方案的基础上进行创新优化设计，完善市面上洗菜机存在的问题，使人们在家即可轻松清洗各种蔬菜。
1工作原理
该设备结构示意图如图1所示。整体为流水线式。在一次完整的清洗过程中，单个清洗腔内的喷头、毛刷、超声波、紫外线等模块按照时序分别工作；块茎类、叶片类蔬菜分两次清洗。清洗不同的蔬菜时，对各个模块是否启用、运行参数进行控制，以实现多种清洗模式。该设备的模型如图2所示，这种创新式结构称为“流水线式单腔多模”结构。
1.1工作模式
为使设备可以清洗不同类型的蔬菜，将其分为两大类，分别是块茎类（土豆、茄果、瓜果等）和叶片类（白菜、包菜、菠菜等）。清洗过程中，两类蔬菜采取不同的清洗策略，对块茎类采用毛刷刷洗、水枪喷淋等较为强劲的清洗手段，对叶片类采用超声波、淹没射流等较为柔和的清洗手段。
1.2工作流程
该设备左右两侧各布置一个清洗筐，分别用于暂存块茎类蔬菜和叶片类蔬菜。清洗腔为下沉式位于洗菜机正中间。
清洗之前，人工分类放入两个不同的清洗筐中。开始清洗时，先对左侧筐运到清洗腔内，对筐中块茎类蔬菜运进清洗位置内进行强劲清洗。在经历一系列的洗菜工序（水流冲洗、毛刷清洗、超声波清洗、杀菌消毒、沥水）后，清洗筐再运回左侧。接着，对右侧筐子中的叶片类蔬菜运进清洗腔内进行柔和清洗，在经历一系列的洗菜工序后，清洗筐再运回右侧。
2设备硬件
2.1运输传动装置
该设备采用了双边同步带传动的方式来实现菜筐的水平运动。这种传动方式可以保证菜筐的稳定性和平稳运动，从而达到更好的清洗效果。如图3所示，步进电机是该设备的驱动力源，其高精度和高效性能可以确保菜筐的精确位置控制。此外，该设备还配备了滚轮组和导轨，这些部件可以使菜筐在清洗过程中保持稳定的运动轨迹。通过托架的带动，菜筐可以准确地到达清洗位置的正上方，以便进行高效的清洗作业。
2.2升降装置
菜筐的垂直运动是通过电动推杆来实现的。这个电动推杆连接在菜筐的托架上，当菜筐水平移动到清洗点后，电动推杆开始伸长，使菜筐下沉并完全浸没在清洗腔里。这样，设备中的各个清洗模块就可以对菜筐中的蔬菜进行全面清洗。当清洗完成后，电动推杆开始收缩，将菜筐慢慢升起，以便于将清洗完的蔬菜进行沥干。
2.3清洗装置
设备的清洗装置由毛刷、射流进水口、超声波发生器等模块组成，如图5所示。菜筐到达清洗位置后，清洗腔四角的射流水枪开始工作，以特定的角度喷射强水流，使框内蔬菜呈螺旋状运动，如图5中箭头所示。与此同时，超声波模块开始工作，依靠蔬菜与蔬菜、蔬菜与毛刷、蔬菜与水流之间的碰撞与摩擦将蔬菜清洗干净。
3设备控制方案
3.1控制模块布置
设备整体控制原理是该设备的核心部分，其实现了对设备的各种运动和动作的精确控制和调节。如图6所示，在该设备中，用户可以通过操作上位机屏幕进行交互，以达到启动、停止或调整设备参数的目的。
通过串口通信，上位机向单片机发送指令，单片机解析指令并将其转化为相应的控制信号，最终控制各个执行模块按照预设进行运动。这些控制信号包括驱动电机的方向和速度、各清洗模块驱动、水泵的开关控制等。
3.2控制模块工作时序
用户在安放好蔬菜之后，通过在上位机显示屏上交互，选择左右两侧菜筐中蔬菜的种类。控制器会根据两侧蔬菜的种类自动调整清洗策略。
当清洗程序开始运行时，首先同步带步进电机开始工作，将菜筐水平移动到清洗腔上方。接着，清洗腔下放推杆伸长，将菜筐放入到清洗腔内。控制器会根据蔬菜种类自动调节清洗装置中各个执行模块的参数，包括毛刷电机的转速、射流水枪水泵的转速，超声波工作时间等。之后，下水阀门关闭，各个清洗模块开始按照预设的参数工作。
清洗工作完成后，下水阀门打开，运输传动装置将菜筐运回起点沥水，同时进行紫外线消毒。将另一侧菜筐运到清洗腔内，按照同样的步骤清洗。
4设计计算与静态有限元分析
4.1电机选型计算
菜筐的水平移动靠1个电机控制，是设备传动部分中关键的元件。由于需要精确控制菜筐的移动距离，因此该电机选用步进电机。工作主要参数：负载质量m0=5 kg，包括蔬菜3 kg，零件（托板、菜筐等）质量为2 kg。菜筐的移动速度为v=0.15m/s。
4.2托盘的静态有限元分析
菜筐的托盘作为运输传动装置中的重要承重零件，对菜筐支承和安装起着不可或缺的作用。因此，托盘必须具有合适的结构强度，才能保证该设备正常工作。使用Inventor的应力分析功能对托盘进行静态分析，找到最大应力和最大形变的区域并对其进行校核。
在应力分析环境中对托盘两端采用孔销约束，边翼顶部采用固定约束来进行静态分析。通过生成等效应力云图和位移云图来反映底部托盘最大应力和变形区域，验证底部托盘是否符合强度要求。
4.3滑轮连接架的静态有限元分析
在菜筐运动过程中，滑轮连接架是一个关键的传动装置组件，它连接着上方的滑轮和下方的菜篮，起着传递力量的作用。这个部件的主要任务是承受蔬菜、菜筐、升降推杆以及其他部件的重量。同时，当篮筐装满蔬菜时，停止时会产生横向加速度，这意味着滑轮连接架需要具备足够的强度和耐用性，以保证安全运输和传动效率。
设菜筐的运动为一般匀加速直线运动，加速度的大小等于单位时间内的速度的增量，菜筐的速度从0.15 m/s经过0.5 s后停止，则其加速度可表示为：
5结束语
综上所述，洗菜机作为一种现代化、高效率的厨房电器，逐渐成为家庭和商业厨房的必备设备之一。本文通过对洗菜机的设计要素及其对用户体验的影响进行分析，得出以下结论：
首先，洗菜机的设计要素包括清洗效果、清洗方式、清洗容量、外观设计等方面。其中，清洗效果和清洗方式是洗菜机设计的核心要素，直接关系到用户的使用体验。因此，在设计洗菜机时应尽可能提高清洗效果和清洗方式的可操作性和智能化程度，以提高用户的满意度。
其次，洗菜机的设计应注重人机工程学原理，即在保证洗菜机功能的前提下，尽可能简化操作流程，减少用户的操作难度和疲劳感。同时，对于商业厨房的使用者来说，洗菜机的清洗容量也是一个重要考虑因素，应尽可能提高清洗效率。
本设备的优势在于“流水线式单腔多模”的结构，将水流冲洗、毛刷清洗、超声波清洗、杀菌消毒功能等模式集成一体，使得设备集成度提高、体积减少、布局紧凑，功能全、成本低。同时根据不同的蔬菜类型采取不同的清洗决策，适应性强、清洗效果显著，弥补了现有洗菜机有操作不够简单，等待时间比较长等缺陷，由较为广阔的前景，促进新型洗设备走入家用电器市场。
总之，洗菜机作为一种新型厨房电器，其设计的可操作性、清洗效果、清洗容量等方面，都需要注重用户体验和人机工程学原理。期望本文对洗菜机的设计和研究提供一定的参考和借鉴。
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