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一種帶激蕩水流的滾筒洗衣機控制方法
發表時間:2020-10-23 14:36:09
1、引言

隨著生活質量的提升，人們對洗衣機的品質要求不斷提高，洗衣機的洗凈性能成為消費者衡量洗衣機品質的首要衡量指標。而洗衣粉溶解問題越來越成為制約洗凈效果的一個重要因素[1]。各洗滌廠商通過技術研究推出了一系列提升洗衣粉溶解性能的方式，在一定程度上提升了洗滌性能。但是考慮到能耗、結構成本、安裝空間等因素，提升效果性價比不高，直接影響了洗衣機各項性能指標的提高，制約了洗衣機高性能化的發展[1]。針對洗衣粉溶解過程中存在的問題，本文研究了一種可以提高洗衣粉溶解性能的控制方法，使洗衣粉快速高效的參與洗衣過程成為可能。

2、現狀分析

如圖1所示為現有滾筒洗衣機的結構原理圖（圖1中：1-控制面板；2-洗滌劑盒；3-外筒；4-內筒；5-門體；6-泵軟管；7-進水閥；8-配重；9-箱體；10-電機），洗衣前洗衣粉被放置在洗滌劑投放盒2中，隨進水過程直接沖入洗衣筒3中，此過程僅僅起到了投放的作用，本質上與將洗衣粉直接投入洗衣筒的做法差別不大。在國內接入洗衣機的水多為常溫自來水，難以實現洗衣粉的短時快速溶解。

圖1 滾筒洗衣機結構示意圖

問題點：
（1）洗衣粉落入泵軟管，不參與洗衣過程
洗衣粉被投入到洗滌筒以后，尚未溶解的洗衣粉很容易隨著水流滑入到與外筒連接的泵軟管6中，沉到泵軟管6內的洗衣粉很難被完全溶解，再次參與衣物洗滌的可能性較小，導致洗衣粉的浪費，影響衣物的洗凈率。

（2）在洗滌筒內被衣服包裹，不參與洗滌過程
在氣溫較低的情況下，洗衣粉投放后一部分會粘附在待洗的衣物上，在洗衣過程中被裹在衣物中，在接下來的洗滌、漂洗過程中無法完全溶解，導致洗滌結束后，衣物上仍殘留有洗衣粉顆粒。即便洗衣粉可以在洗滌過程中逐漸溶解，完全溶解過程也需要占用一半的洗滌時間，特別是一些速洗程序的洗滌時間較短，洗滌結束洗衣粉還沒溶解完全，導致洗滌效果大打折扣[2]。

研究發現洗衣粉的溶解性，除了受自身性能的影響外，受機械力和溫度的影響較大，如圖2和圖3所示。

圖2 洗衣粉在各溫度下的溶解曲線[3]

圖3 洗衣粉在35度的水溫下靜態和機械力下的溶解曲線[3]

馮志鵬等的研究[3]表明，洗衣粉的溶解效率均隨溫度的升高而提高，機械力的添加可以明顯提高洗衣粉的溶解效率。針對以上的研究結論，目前洗滌行業促進洗衣粉溶解的方式主要有以下幾種：
（1）機械力作用下的效果改進——水流沖刷
針對機械力對洗衣粉溶解的促進作用，各洗滌廠家對洗滌劑盒的結構進行了特殊化設計。在洗滌劑投放盒中增設攪拌葉輪，通過流入洗滌劑盒內部的水流推動攪拌葉片旋轉，促使洗滌劑發泡，加速洗滌劑的溶解，提高洗滌劑的洗滌效果。在洗滌劑盒內部設置曲線型水流通道和水流噴射口，從多角度對洗滌劑進行對沖溶解。該方式需要對洗滌劑盒的結構進行復雜式設計，且對加速洗衣粉溶解的持續時間僅短短的10s，作用效果有限。

（2）溫度作用下的效果改進——洗滌水加熱
針對溫度對洗衣粉溶解的促進作用，通過在進水管路中設置速熱裝置，或者在洗滌筒內部設置加熱裝置。速熱可以快速加熱洗滌水，但是速熱裝置成本較高，而在洗滌筒內部設置普通的加熱裝置，則會存在加熱時間長、能耗大等問題，同時洗衣粉發揮的作用也會被制約。

針對上述技術難題，本文提出了一種基于機械力的洗衣粉速溶技術。該速溶技術可以產生一種激蕩水流，進水完畢后控制洗滌筒以大于正常洗滌轉速的速度快速轉筒。

3、仿真分析與實驗模態研究

采用激蕩水流的技術促進洗衣粉的溶解，要保證激蕩水流的效果及洗衣機運行的平穩性，需要確定激蕩水流的轉速，本文以8公斤滾筒洗衣機為模型進行研究。

流體仿真分析：因DEM離散相模型分析常用于模擬少量分散的粒子的運動情況，故采用DEM離散相模型進行洗滌水和水中洗衣粉顆粒運動路徑的分析。將內外筒總成底部封閉，上部進水20L，洗衣粉顆粒用碳顆粒代替，顆粒大小1mm，比重設為0.45，逆時針單向持續轉動內筒，觀察洗滌水和洗衣粉顆粒的運動情況。圖4為未添加洗衣粉的工況下的洗滌水的水流體積分布，圖5為添加洗衣粉的洗滌水中洗衣粉的運動分布圖。

圖4 水流分布水相圖

圖5 洗衣粉水流分布水相圖

在圖4的標尺中藍色代表水相，經分析可知從90rpm開始水流可以隨筒轉動一周，并且轉速越大，筒間水分布范圍越廣泛。由圖5仿真結果可知轉速越大，對內外筒間底部的水流攪動作用越大，水流動越劇烈，120rpm時有水流在凹槽和圓周洗滌區域之間進行交換，150rpm轉速條件下凹槽中的水流交換加劇，洗衣粉基本可以被帶回到圓周洗滌區域。

振動測試分析：增大速度可以提高洗衣粉的溶解率和利用率，但是不能無限增大，要防止激蕩水流的轉速與洗衣機總成的共振點速度帶重合，同時也避免能源的浪費。因此，需要進行振動測試分析來確定研究模型共振帶的速度范圍。在外筒上布置PCB三軸加速度傳感器，空筒設置單脫程序，數據處理采用2Hz～1000Hz濾波，利用Simcenter Test.Lab軟件采集振動曲線，在8公斤滾筒洗衣機的前后分別設置0g，300g和500g偏心，進行振動測試，可知其低速共振點速度帶為190rpm～250rpm。共振點測試曲線如圖6所示。

圖6 共振點測試曲線

綜上，通過流體仿真分析和振動測試，最終確定激蕩水流的轉速范圍110rpm～160rpm。

4、激蕩水流控制方法

本文涉及的洗衣粉速溶技術的控制方法，主要通過洗滌過程中精準化的稱重檢測、偏心控制以及轉速控制，實現筒外擱淺洗衣粉的重新代入及筒內洗衣粉的完全溶解。上述控制方法的具體流程如下[4-5]，流程圖如圖7所示：

圖7激蕩水流控制方法

（1）進水打濕
進水到預設水位，洗衣機以30rpm～60rpm的速度按照正轉-停止-反轉的模式反復運行，待衣物充分吸水后，控制面板檢測洗滌筒內水位的下降情況。當洗滌筒內水位下降時，執行進水操作，直到筒內水位不再下降為止。該操作可以保證衣物在勻布時在內筒中的充分滑動，實現順利快速的勻布過程。

（2）偏心檢測
將衣物打濕后，在進行高速激蕩洗滌之前，為保證筒體總成運行的平穩性，需要進行高速前的偏心檢測。進行該項檢測可以有效避免筒總成撞擊箱體的問題，防止出現零部件損壞和洗衣機整體移位的情況。

控制面板根據電機反饋的轉速，來判斷筒內衣物的偏心情況，如果偏心量大于預設值，則重新執行勻布操作，條件滿足時再次執行偏心檢測；如果偏心量小于預設值，則進行后續的激蕩水流操作。

（3）高速激蕩
激蕩操作時的轉速由偏心量的大小和負載情況來決定，此速度大于正常的洗滌轉速。洗滌水在洗滌筒內的高速激蕩拍打下，水被帶起在內外筒之間快速的運動，并有大量的水分布在外筒內壁上，再從內筒前端投放口重新返回到內筒中。如此，洗滌水在外筒和內筒之間形成一個循環，既可以充分溶解洗衣粉，又能讓滯留在排水軟管內的水和洗衣粉被重新帶回到洗衣機筒內[4-5]。

5、實驗研究

（1）電導率測試：
測試對象為8公斤滾筒洗衣機，激蕩水流速度150rpm，選取普通無磷洗衣粉40g，水位選擇2水位，每隔5min讀取電導率值。電導率特性曲線圖如圖8所示。

圖8電導率特性曲線圖

由電導率特性曲線可以看出添加激蕩水流操作后，電導率隨洗衣粉溶解度的增加而增加，電導率的增長速度變快，且可以提前達到最大值。

（2）洗滌性能測試：
測試對象為8公斤滾筒洗衣機，激蕩水流速度150rpm（洗滌持續30s，漂洗持續30s）。國標負載布，混合程序91min（洗滌10min，漂洗3次，溫度40℃，轉速1200rpm），自來水溫15℃±2℃，40g國標洗衣粉。測試3個周期，洗滌性能在表1中為國標污染布洗前和洗后的反射率的平均值。在每個測試周期結束后進行漂洗性能測試，測試結果如表2所示。



綜上，按照國標測試方式進行洗凈測試，洗凈性能提升17.39%，漂洗性能提升4.32%。

6、結論

本文提出了通過激蕩水流的方式進行洗衣粉快速充分溶解的方法。闡述了目前行業內通用的促進洗衣粉溶解的方法及弊端，利用模型仿真測試確定了激蕩水流的轉速參數，并通過實驗驗證了該方法的可行性，該方法令洗衣機不必添加任何部件，在洗衣機結構和成本沒有變化的情況下，僅通過程序的調節，即可實現洗衣粉的充分溶解利用，大大提高了洗凈比[4]。


本文作者
青島海爾洗衣機有限公司 許升
青島海爾滾筒洗衣機有限公司 呂艷芬 梁泉 尹俊明 方相九

參考文獻
[1] 魯建國. 洗衣粉在洗衣機中的使用和節能[J].中國洗滌用品工業,2010, (02): 32-35.
[2] 湯志鳴. 全自動洗衣機新型洗衣粉速溶進水機構研究[J].家電科技, 2019(02): 108-112.
[3] 馮志鵬. 洗滌劑在洗衣機環境下的溶解、去污與漂洗行為的研究[D]. 無錫: 江南大學, 2013.
[4] 許升, 梁青, 何云峰, 呂艷芬. 一種帶激蕩水流的滾筒洗衣機控制方法: 中國,N201611083010.1[P]. 2012-11-28.
[5] 梁青, 何云峰, 李海濤. 一種帶激蕩水流的滾筒洗衣機控制方法:中國, CN201210497315.2[P]. 2012-11-28.

來源：《家電科技》2020年第五期