許升 呂艷芬 梁泉 尹俊明 方相九

1.青島海爾洗衣機(jī)有限公司 山東青島 266101；

2.數(shù)字化家電國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 山東青島 266101；

3.青島海爾滾筒洗衣機(jī)有限公司 山東青島 266101

1 引言

隨著生活質(zhì)量的提升，人們對(duì)洗衣機(jī)的品質(zhì)要求不斷提高，洗衣機(jī)的洗凈性能成為消費(fèi)者衡量洗衣機(jī)品質(zhì)的首要衡量指標(biāo)。而洗衣粉溶解問題越來越成為制約洗凈效果的一個(gè)重要因素[1]。各洗滌廠商通過技術(shù)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(jié)構(gòu)成本、安裝空間等因素，提升效果性價(jià)比不高，直接影響了洗衣機(jī)各項(xiàng)性能指標(biāo)的提高，制約了洗衣機(jī)高性能化的發(fā)展[1]。針對(duì)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(xiàn)狀分析

如圖1所示為現(xiàn)有滾筒洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)原理圖（圖1中：1-控制面板；2-洗滌劑盒；3-外筒；4-內(nèi)筒；5-門體；6-泵軟管；7-進(jìn)水閥；8-配重；9-箱體；10-電機(jī)），洗衣前洗衣粉被放置在洗滌劑投放盒2中，隨進(jìn)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(zhì)上與將洗衣粉直接投入洗衣筒的做法差別不大。在國內(nèi)接入洗衣機(jī)的水多為常溫自來水，難以實(shí)現(xiàn)洗衣粉的短時(shí)快速溶解。

問題點(diǎn)：

（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(nèi)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(dǎo)致洗衣粉的浪費(fèi)，影響衣物的洗凈率。

（2）在洗滌筒內(nèi)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(huì)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(dǎo)致洗滌結(jié)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(shí)間，特別是一些速洗程序的洗滌時(shí)間較短，洗滌結(jié)束洗衣粉還沒溶解完全，導(dǎo)致洗滌效果大打折扣[2]。

研究發(fā)現(xiàn)洗衣粉的溶解性，除了受自身性能的影響外，受機(jī)械力和溫度的影響較大，如圖2和圖3所示。

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(jī)械力的添加可以明顯提高洗衣粉的溶解效率。針對(duì)以上的研究結(jié)論，目前洗滌行業(yè)促進(jìn)洗衣粉溶解的方式主要有以下幾種：

（1）機(jī)械力作用下的效果改進(jìn)——水流沖刷

針對(duì)機(jī)械力對(duì)洗衣粉溶解的促進(jìn)作用，各洗滌廠家對(duì)洗滌劑盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行了特殊化設(shè)計(jì)。在洗滌劑投放盒中增設(shè)攪拌葉輪，通過流入洗滌劑盒內(nèi)部的水流推動(dòng)攪拌葉片旋轉(zhuǎn)，促使洗滌劑發(fā)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(nèi)部設(shè)置曲線型水流通道和水流噴射口，從多角度對(duì)洗滌劑進(jìn)行對(duì)沖溶解。該方式需要對(duì)洗滌劑盒的結(jié)構(gòu)進(jìn)行復(fù)雜式設(shè)計(jì)，且對(duì)加速洗衣粉溶解的持續(xù)時(shí)間僅短短的10 s，作用效果有限。

（2）溫度作用下的效果改進(jìn)——洗滌水加熱

針對(duì)溫度對(duì)洗衣粉溶解的促進(jìn)作用，通過在進(jìn)水管路中設(shè)置速熱裝置，或者在洗滌筒內(nèi)部設(shè)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(nèi)部設(shè)置普通的加熱裝置，則會(huì)存在加熱時(shí)間長、能耗大等問題，同時(shí)洗衣粉發(fā)揮的作用也會(huì)被制約。

針對(duì)上述技術(shù)難題，本文提出了一種基于機(jī)械力的洗衣粉速溶技術(shù)。該速溶技術(shù)可以產(chǎn)生一種激蕩水流，進(jìn)水完畢后控制洗滌筒以大于正常洗滌轉(zhuǎn)速的速度快速轉(zhuǎn)筒。

3 仿真分析與實(shí)驗(yàn)?zāi)B(tài)研究

采用激蕩水流的技術(shù)促進(jìn)洗衣粉的溶解，要保證激蕩水流的效果及洗衣機(jī)運(yùn)行的平穩(wěn)性，需要確定激蕩水流的轉(zhuǎn)速，本文以8公斤滾筒洗衣機(jī)為模型進(jìn)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(yùn)動(dòng)情況，故采用DEM離散相模型進(jìn)行洗滌水和水中洗衣粉顆粒運(yùn)動(dòng)路徑的分析。將內(nèi)外筒總成底部封閉，上部進(jìn)水20 L，洗衣粉顆粒用碳顆粒代替，顆粒大小1 mm，比重設(shè)為0.45，逆時(shí)針單向持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)內(nèi)筒，觀察洗滌水和洗衣粉顆粒的運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)分布圖。

圖1 滾筒洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

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(tài)和機(jī)械力下的溶解曲線[3]

在圖4的標(biāo)尺中藍(lán)色代表水相，經(jīng)分析可知從90 rpm開始水流可以隨筒轉(zhuǎn)動(dòng)一周，并且轉(zhuǎn)速越大，筒間水分布范圍越廣泛。由圖5仿真結(jié)果可知轉(zhuǎn)速越大，對(duì)內(nèi)外筒間底部的水流攪動(dòng)作用越大，水流動(dòng)越劇烈，120 rpm時(shí)有水流在凹槽和圓周洗滌區(qū)域之間進(jìn)行交換，150 rpm轉(zhuǎn)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(qū)域。

圖4 水流分布水相圖

圖5 洗衣粉水流分布水相圖

圖6 共振點(diǎn)測試曲線

振動(dòng)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(zhuǎn)速與洗衣機(jī)總成的共振點(diǎn)速度帶重合，同時(shí)也避免能源的浪費(fèi)。因此，需要進(jìn)行振動(dòng)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(shè)置單脫程序，數(shù)據(jù)處理采用2 Hz～1000 Hz濾波，利用Simcenter Test.Lab軟件采集振動(dòng)曲線，在8公斤滾筒洗衣機(jī)的前后分別設(shè)置0 g，300 g和500 g偏心，進(jìn)行振動(dòng)測試，可知其低速共振點(diǎn)速度帶為190 rpm～250 rpm。共振點(diǎn)測試曲線如圖6所示。

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

4 激蕩水流控制方法

本文涉及的洗衣粉速溶技術(shù)的控制方法，主要通過洗滌過程中精準(zhǔn)化的稱重檢測、偏心控制以及轉(zhuǎn)速控制，實(shí)現(xiàn)筒外擱淺洗衣粉的重新代入及筒內(nèi)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：

（1）進(jìn)水打濕

進(jìn)水到預(yù)設(shè)水位，洗衣機(jī)以30 rpm～60 rpm的速度按照正轉(zhuǎn)-停止-反轉(zhuǎn)的模式反復(fù)運(yùn)行，待衣物充分吸水后，控制面板檢測洗滌筒內(nèi)水位的下降情況。當(dāng)洗滌筒內(nèi)水位下降時(shí)，執(zhí)行進(jìn)水操作，直到筒內(nèi)水位不再下降為止。該操作可以保證衣物在勻布時(shí)在內(nèi)筒中的充分滑動(dòng)，實(shí)現(xiàn)順利快速的勻布過程。

（2）偏心檢測

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

控制面板根據(jù)電機(jī)反饋的轉(zhuǎn)速，來判斷筒內(nèi)衣物的偏心情況，如果偏心量大于預(yù)設(shè)值，則重新執(zhí)行勻布操作，條件滿足時(shí)再次執(zhí)行偏心檢測；如果偏心量小于預(yù)設(shè)值，則進(jìn)行后續(xù)的激蕩水流操作。

（3）高速激蕩

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

5 實(shí)驗(yàn)研究

（1）電導(dǎo)率測試：

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

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

表1 洗滌性能測試反射率 洗前均值 洗后均值 反射率 洗前均值 洗后均值23.66 52.61 24.40 50.07 24.61 55.04 24.49 48.53 24.14 52.50 24.49 49.35 24.67 53.92 24.18 49.81 23.82 51.49 25.31 48.03 24.66 52.72 25.74 49.94 26.36 53.94 25.18 49.94 26.18 54.02 25.47 49.50 23.78 52.59 25.02 48.37 24.86 53.94 25.51 49.27 24.53 51.45 24.95 48.48 23.62 53.58 24.52 49.61 23.13 54.70 24.51 49.41 23.29 52.94 24.95 50.90 22.62 55.03平均值 24.86 49.42 平均值 24.26 53.36洗凈率 0.389 洗凈率 0.457洗凈比 1.024 洗凈比 1.202性能提升 17.39%24.11 50.03常規(guī)水流激蕩水流

表2 漂洗性能測試測試項(xiàng)目 測試循環(huán)滴定試驗(yàn)用水鹽酸用量(ml)滴定主洗溶液鹽酸用量(ml)滴定殘留漂洗液鹽酸用量(ml)漂洗液去除率Pr每千克干燥負(fù)載中洗滌劑殘留量（g/Kg）漂洗率 性能提升Cycle.1 0.8 15.2 4.2 76.39% 0.327 96.70%激蕩水流測試數(shù)據(jù)Cycle.2 0.8 15.4 4.4 75.34% 0.364 96.30%Cycle.3 0.8 15.2 4.2 76.39% 0.338 96.60%平均值 0.8 15.27 4.3 76.04% 0.343 96.60%4.32%常規(guī)水流測試數(shù)據(jù)Cycle.1 0.8 15.8 6.8 60.00% 0.754 92.40%Cycle.2 0.8 15.8 6.8 60.81% 0.748 92.50%Cycle.3 0.8 15.6 6.6 60.27% 0.740 92.60%平均值 0.8 15.73 6.7 60.36% 0.747 92.60%

圖7 激蕩水流控制方法

圖8 電導(dǎo)率特性曲線圖

（2）洗滌性能測試：

測試對(duì)象為8公斤滾筒洗衣機(jī)，激蕩水流速度150 rpm（洗滌持續(xù)30 s，漂洗持續(xù)30 s）。國標(biāo)負(fù)載布，混合程序91 min（洗滌10 min，漂洗3次，溫度40℃，轉(zhuǎn)速1200 rpm），自來水溫15℃±2℃，40 g國標(biāo)洗衣粉。測試3個(gè)周期，洗滌性能在表1中為國標(biāo)污染布洗前和洗后的反射率的平均值。在每個(gè)測試周期結(jié)束后進(jìn)行漂洗性能測試，測試結(jié)果如表2所示。

綜上，按照國標(biāo)測試方式進(jìn)行洗凈測試，洗凈性能提升17.39%，漂洗性能提升4.32%。

6 結(jié)論

本文提出了通過激蕩水流的方式進(jìn)行洗衣粉快速充分溶解的方法。闡述了目前行業(yè)內(nèi)通用的促進(jìn)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(zhuǎn)速參數(shù)，并通過實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證了該方法的可行性，該方法令洗衣機(jī)不必添加任何部件，在洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)和成本沒有變化的情況下，僅通過程序的調(diào)節(jié)，即可實(shí)現(xiàn)洗衣粉的充分溶解利用，大大提高了洗凈比[4]。