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。
图1 滚筒洗衣机结构示意图
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。
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]
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10s，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20L，洗衣粉颗粒用碳颗粒代替，颗粒大小1mm，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4 水流分布水相图
图5 洗衣粉水流分布水相图
在图4的标尺中蓝色代表水相，经分析可知从90rpm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，120rpm时有水流在凹槽和圆周洗涤区域之间进行交换，150rpm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。
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2Hz～1000Hz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0g，300g和500g偏心，进行振动测试，可知其低速共振点速度带为190rpm～250rpm。共振点测试曲线如图6所示。
图6 共振点测试曲线
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110rpm～160rpm。
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：
图7激荡水流控制方法
（1）进水打湿
进水到预设水位，洗衣机以30rpm～60rpm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150rpm，选取普通无磷洗衣粉40g，水位选择2水位，每隔5min读取电导率值。电导率特性曲线图如图8所示。
图8电导率特性曲线图
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。
（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150rpm（洗涤持续30s，漂洗持续30s）。国标负载布，混合程序91min（洗涤10min，漂洗3次，温度40℃，转速1200rpm），自来水温15℃±2℃，40g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]。
本文作者
青岛海尔洗衣机有限公司 许升
青岛海尔滚筒洗衣机有限公司 吕艳芬 梁泉 尹俊明 方相九
参考文献
[1] 鲁建国. 洗衣粉在洗衣机中的使用和节能[J].中国洗涤用品工业,2010, (02): 32-35.
[2] 汤志鸣. 全自动洗衣机新型洗衣粉速溶进水机构研究[J].家电科技, 2019(02): 108-112.
[3] 冯志鹏. 洗涤剂在洗衣机环境下的溶解、去污与漂洗行为的研究[D]. 无锡: 江南大学, 2013.
[4] 许升, 梁青, 何云峰, 吕艳芬. 一种带激荡水流的滚筒洗衣机控制方法: 中国,N201611083010.1[P]. 2012-11-28.
[5] 梁青, 何云峰, 李海涛. 一种带激荡水流的滚筒洗衣机控制方法:中国, CN201210497315.2[P]. 2012-11-28.
来源：《家电科技》2020年第五期
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