一种带激荡水流的滚筒洗衣机控制方法

许升 吕艳芬 梁泉 尹俊明 方相九

1.青岛海尔洗衣机有限公司 山东青岛 266101；

2.数字化家电国家重点实验室 山东青岛 266101；

3.青岛海尔滚筒洗衣机有限公司 山东青岛 266101

1 引言

随着生活质量的提升，人们对洗衣机的品质要求不断提高，洗衣机的洗净性能成为消费者衡量洗衣机品质的首要衡量指标。而洗衣粉溶解问题越来越成为制约洗净效果的一个重要因素[1]。各洗涤厂商通过技术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涤性能。但是考虑到能耗、结构成本、安装空间等因素，提升效果性价比不高，直接影响了洗衣机各项性能指标的提高，制约了洗衣机高性能化的发展[1]。针对洗衣粉溶解过程中存在的问题，本文研究了一种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参与洗衣过程成为可能。

2 现状分析

如图1所示为现有滚筒洗衣机的结构原理图（图1中：1-控制面板；2-洗涤剂盒；3-外筒；4-内筒；5-门体；6-泵软管；7-进水阀；8-配重；9-箱体；10-电机），洗衣前洗衣粉被放置在洗涤剂投放盒2中，随进水过程直接冲入洗衣筒3中，此过程仅仅起到了投放的作用，本质上与将洗衣粉直接投入洗衣筒的做法差别不大。在国内接入洗衣机的水多为常温自来水，难以实现洗衣粉的短时快速溶解。

问题点：

（1）洗衣粉落入泵软管，不参与洗衣过程

洗衣粉被投入到洗涤筒以后，尚未溶解的洗衣粉很容易随着水流滑入到与外筒连接的泵软管6中，沉到泵软管6内的洗衣粉很难被完全溶解，再次参与衣物洗涤的可能性较小，导致洗衣粉的浪费，影响衣物的洗净率。

（2）在洗涤筒内被衣服包裹，不参与洗涤过程

在气温较低的情况下，洗衣粉投放后一部分会粘附在待洗的衣物上，在洗衣过程中被裹在衣物中，在接下来的洗涤、漂洗过程中无法完全溶解，导致洗涤结束后，衣物上仍残留有洗衣粉颗粒。即便洗衣粉可以在洗涤过程中逐渐溶解，完全溶解过程也需要占用一半的洗涤时间，特别是一些速洗程序的洗涤时间较短，洗涤结束洗衣粉还没溶解完全，导致洗涤效果大打折扣[2]。

研究发现洗衣粉的溶解性，除了受自身性能的影响外，受机械力和温度的影响较大，如图2和图3所示。

冯志鹏等的研究[3]表明，洗衣粉的溶解效率均随温度的升高而提高，机械力的添加可以明显提高洗衣粉的溶解效率。针对以上的研究结论，目前洗涤行业促进洗衣粉溶解的方式主要有以下几种：

（1）机械力作用下的效果改进——水流冲刷

针对机械力对洗衣粉溶解的促进作用，各洗涤厂家对洗涤剂盒的结构进行了特殊化设计。在洗涤剂投放盒中增设搅拌叶轮，通过流入洗涤剂盒内部的水流推动搅拌叶片旋转，促使洗涤剂发泡，加速洗涤剂的溶解，提高洗涤剂的洗涤效果。在洗涤剂盒内部设置曲线型水流通道和水流喷射口，从多角度对洗涤剂进行对冲溶解。该方式需要对洗涤剂盒的结构进行复杂式设计，且对加速洗衣粉溶解的持续时间仅短短的10 s，作用效果有限。

（2）温度作用下的效果改进——洗涤水加热

针对温度对洗衣粉溶解的促进作用，通过在进水管路中设置速热装置，或者在洗涤筒内部设置加热装置。速热可以快速加热洗涤水，但是速热装置成本较高，而在洗涤筒内部设置普通的加热装置，则会存在加热时间长、能耗大等问题，同时洗衣粉发挥的作用也会被制约。

针对上述技术难题，本文提出了一种基于机械力的洗衣粉速溶技术。该速溶技术可以产生一种激荡水流，进水完毕后控制洗涤筒以大于正常洗涤转速的速度快速转筒。

3 仿真分析与实验模态研究

采用激荡水流的技术促进洗衣粉的溶解，要保证激荡水流的效果及洗衣机运行的平稳性，需要确定激荡水流的转速，本文以8公斤滚筒洗衣机为模型进行研究。

流体仿真分析：因DEM离散相模型分析常用于模拟少量分散的粒子的运动情况，故采用DEM离散相模型进行洗涤水和水中洗衣粉颗粒运动路径的分析。将内外筒总成底部封闭，上部进水20 L，洗衣粉颗粒用碳颗粒代替，颗粒大小1 mm，比重设为0.45，逆时针单向持续转动内筒，观察洗涤水和洗衣粉颗粒的运动情况。图4为未添加洗衣粉的工况下的洗涤水的水流体积分布，图5为添加洗衣粉的洗涤水中洗衣粉的运动分布图。

图1 滚筒洗衣机结构示意图

图2 洗衣粉在各温度下的溶解曲线[3]

图3 洗衣粉在35度的水温下静态和机械力下的溶解曲线[3]

在图4的标尺中蓝色代表水相，经分析可知从90 rpm开始水流可以随筒转动一周，并且转速越大，筒间水分布范围越广泛。由图5仿真结果可知转速越大，对内外筒间底部的水流搅动作用越大，水流动越剧烈，120 rpm时有水流在凹槽和圆周洗涤区域之间进行交换，150 rpm转速条件下凹槽中的水流交换加剧，洗衣粉基本可以被带回到圆周洗涤区域。

图4 水流分布水相图

图5 洗衣粉水流分布水相图

图6 共振点测试曲线

振动测试分析：增大速度可以提高洗衣粉的溶解率和利用率，但是不能无限增大，要防止激荡水流的转速与洗衣机总成的共振点速度带重合，同时也避免能源的浪费。因此，需要进行振动测试分析来确定研究模型共振带的速度范围。在外筒上布置PCB三轴加速度传感器，空筒设置单脱程序，数据处理采用2 Hz～1000 Hz滤波，利用Simcenter Test.Lab软件采集振动曲线，在8公斤滚筒洗衣机的前后分别设置0 g，300 g和500 g偏心，进行振动测试，可知其低速共振点速度带为190 rpm～250 rpm。共振点测试曲线如图6所示。

综上，通过流体仿真分析和振动测试，最终确定激荡水流的转速范围110 rpm～160 rpm。

4 激荡水流控制方法

本文涉及的洗衣粉速溶技术的控制方法，主要通过洗涤过程中精准化的称重检测、偏心控制以及转速控制，实现筒外搁浅洗衣粉的重新代入及筒内洗衣粉的完全溶解。上述控制方法的具体流程如下[4-5]，流程图如图7所示：

（1）进水打湿

进水到预设水位，洗衣机以30 rpm～60 rpm的速度按照正转-停止-反转的模式反复运行，待衣物充分吸水后，控制面板检测洗涤筒内水位的下降情况。当洗涤筒内水位下降时，执行进水操作，直到筒内水位不再下降为止。该操作可以保证衣物在匀布时在内筒中的充分滑动，实现顺利快速的匀布过程。

（2）偏心检测

将衣物打湿后，在进行高速激荡洗涤之前，为保证筒体总成运行的平稳性，需要进行高速前的偏心检测。进行该项检测可以有效避免筒总成撞击箱体的问题，防止出现零部件损坏和洗衣机整体移位的情况。

控制面板根据电机反馈的转速，来判断筒内衣物的偏心情况，如果偏心量大于预设值，则重新执行匀布操作，条件满足时再次执行偏心检测；如果偏心量小于预设值，则进行后续的激荡水流操作。

（3）高速激荡

激荡操作时的转速由偏心量的大小和负载情况来决定，此速度大于正常的洗涤转速。洗涤水在洗涤筒内的高速激荡拍打下，水被带起在内外筒之间快速的运动，并有大量的水分布在外筒内壁上，再从内筒前端投放口重新返回到内筒中。如此，洗涤水在外筒和内筒之间形成一个循环，既可以充分溶解洗衣粉，又能让滞留在排水软管内的水和洗衣粉被重新带回到洗衣机筒内[4-5]。

5 实验研究

（1）电导率测试：

测试对象为8公斤滚筒洗衣机，激荡水流速度150 rpm，选取普通无磷洗衣粉40 g，水位选择2水位，每隔5 min读取电导率值。电导率特性曲线图如图8所示。

由电导率特性曲线可以看出添加激荡水流操作后，电导率随洗衣粉溶解度的增加而增加，电导率的增长速度变快，且可以提前达到最大值。

表1 洗涤性能测试反射率 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洗净率 0.389 洗净率 0.457洗净比 1.024 洗净比 1.202性能提升 17.39%24.11 50.03常规水流激荡水流

表2 漂洗性能测试测试项目 测试循环滴定试验用水盐酸用量(ml)滴定主洗溶液盐酸用量(ml)滴定残留漂洗液盐酸用量(ml)漂洗液去除率Pr每千克干燥负载中洗涤剂残留量（g/Kg）漂洗率 性能提升Cycle.1 0.8 15.2 4.2 76.39% 0.327 96.70%激荡水流测试数据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%常规水流测试数据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%

图7 激荡水流控制方法

图8 电导率特性曲线图

（2）洗涤性能测试：

测试对象为8公斤滚筒洗衣机，激荡水流速度150 rpm（洗涤持续30 s，漂洗持续30 s）。国标负载布，混合程序91 min（洗涤10 min，漂洗3次，温度40℃，转速1200 rpm），自来水温15℃±2℃，40 g国标洗衣粉。测试3个周期，洗涤性能在表1中为国标污染布洗前和洗后的反射率的平均值。在每个测试周期结束后进行漂洗性能测试，测试结果如表2所示。

综上，按照国标测试方式进行洗净测试，洗净性能提升17.39%，漂洗性能提升4.32%。

6 结论

本文提出了通过激荡水流的方式进行洗衣粉快速充分溶解的方法。阐述了目前行业内通用的促进洗衣粉溶解的方法及弊端，利用模型仿真测试确定了激荡水流的转速参数，并通过实验验证了该方法的可行性，该方法令洗衣机不必添加任何部件，在洗衣机结构和成本没有变化的情况下，仅通过程序的调节，即可实现洗衣粉的充分溶解利用，大大提高了洗净比[4]。