實現(xiàn)環(huán)帶區(qū)域均勻覆蓋的洗碗機(jī)噴臂技術(shù)研究

黎銘峰， 王豪杰， 徐術(shù)榮， 黃書慶

（華帝股份有限公司， 廣東 中山 528415）

0 引言

近年來， 洗碗機(jī)在健康需求的助力下保持著良好的增長態(tài)勢。 從用戶需求出發(fā)，洗碗機(jī)技術(shù)研究聚集在“洗凈提升”“用時縮短”“健康科技”“智能化操控” 等方面[1]，并不斷取得新的進(jìn)展。

洗凈性能是洗碗機(jī)的兩大指標(biāo)之一， 主要取決于洗碗機(jī)水流系統(tǒng)的洗滌能力和效果。 洗碗機(jī)的洗滌能力包括水流的機(jī)械沖洗作用、 洗滌劑的化學(xué)作用和熱水的溶解以及熱沖擊作用[2]，其中機(jī)械沖洗作用占據(jù)主要位置。一直以來，噴淋覆蓋不足、洗滌不均勻、洗滌用時長等始終是洗碗機(jī)行業(yè)中普遍面臨的問題。

1 噴臂技術(shù)的現(xiàn)狀

1.1 “一”字型噴臂系統(tǒng)

“一”字型噴臂系統(tǒng)是最基本的噴臂方式，噴臂繞中心軸做水平轉(zhuǎn)動，各個噴射孔形成同心圓軌跡，如圖1 所示。 以直徑φ450mm 圓形區(qū)域為例，噴臂兩側(cè)噴臂翼上從中心向外開設(shè)10 個噴射孔， 最大圓直徑即為450mm，對應(yīng)的噴射孔到旋轉(zhuǎn)中心的距離L=225mm。

圖1 洗碗機(jī)常見的同心圓覆蓋正方形洗滌區(qū)域的示意圖

同心圓軌跡看起來已形成較好覆蓋， 噴射水柱線徑設(shè)為2.7mm，結(jié)合發(fā)散、濺灑、反射等效應(yīng)， 一個噴射孔能夠?qū)壽E線附近區(qū)域進(jìn)行清洗。但是，同心圓軌跡是固定的， 相鄰軌跡間隔為18.75mm， 因此覆蓋區(qū)內(nèi)不同位置受到的洗滌強(qiáng)度是不一樣的。如圖2 所示，軌跡以及附近位置的洗滌效率最高， 兩條軌跡的中間位置收到的直接噴射作用最少， 因此只能通過充足的時間去達(dá)到所需的洗凈效果，降低洗滌效率。

圖2 固定同心圓軌跡覆蓋的洗滌強(qiáng)度不均勻

1.2 衛(wèi)星噴臂系統(tǒng)

洗碗機(jī)中，最早設(shè)計的衛(wèi)星噴臂是自由旋轉(zhuǎn)的，后來引入了行星齒輪系機(jī)構(gòu)，使得衛(wèi)星噴臂的公轉(zhuǎn)與自轉(zhuǎn)形成明確的轉(zhuǎn)速比關(guān)系，從而實現(xiàn)對衛(wèi)星噴臂上噴射孔的運行軌跡的精確控制，據(jù)此首先開發(fā)了橢圓線噴臂[3]，補(bǔ)充覆蓋正方形區(qū)域的四角位置；之后又有了腎形線噴臂[4]，能夠更好地覆蓋長方形區(qū)域。

目前，衛(wèi)星噴臂技術(shù)都是針對圓形覆蓋區(qū)與洗碗機(jī)內(nèi)部的正方形或長方形洗滌區(qū)的不匹配問題，控制衛(wèi)星噴臂的運動軌跡使其能夠在某些特定位置超出原來的圓形區(qū)，從而擴(kuò)大噴臂的覆蓋面積。 而對于圓形覆蓋區(qū)內(nèi)部，上述噴臂未能起到很好的改善作用。只有改善圓內(nèi)各個位置的洗滌均勻性，才能從根本上提升洗滌有效性和洗滌效率。

2 環(huán)帶狀覆蓋的研究

2.1 噴射孔的運動軌跡

式中，x—橫坐標(biāo)；y—縱坐標(biāo)；α—衛(wèi)星噴臂公轉(zhuǎn)角度，也是主噴臂轉(zhuǎn)過的角度；D—衛(wèi)星噴臂自轉(zhuǎn)中心O＇和公轉(zhuǎn)中心O 的距離，即偏心距，有D=R1+R2；X 為衛(wèi)星噴臂上噴射孔到衛(wèi)星噴臂自轉(zhuǎn)中心O＇ 的距離，最靠外的噴射孔有X=（L-D）。

表1 不同齒數(shù)比k 形成的衛(wèi)星噴臂噴射孔的運動軌跡線的特點

圖3 不同齒數(shù)比k 形成的衛(wèi)星噴臂噴射孔的運動軌跡（各圖中，D=42mm，X=L-D=183mm）

2.2 “十”字分布噴射孔的多軌跡疊加

四個噴射孔分別設(shè)在相互垂直的四個噴臂翼上，到自轉(zhuǎn)中心O＇ 的距離相等，稱為“十”字分布。 四個噴射孔的運動軌跡疊加的圖形如圖4 所示， 四個軌跡線形狀相同，都包含在半徑為L 與（L-2D）之間的環(huán)帶區(qū)域之內(nèi)，不同軌跡線之間旋轉(zhuǎn)錯開一些角度， 四個軌跡線相互交織在環(huán)帶區(qū)域內(nèi)形成了更為密集的網(wǎng)格覆蓋。

表2 不同齒數(shù)比k 形成的“十”字分布噴射孔的軌跡疊加圖形的特點

圖4 不同齒數(shù)比k 形成的“十”字分布四個噴射孔的軌跡疊加圖（各圖中，D=42mm，X=L-D=183mm，四個軌跡線依次標(biāo)記為黑色、灰色、深灰色和淺灰色，有重疊時靠后的軌跡線不顯示。 ）

2.3 單環(huán)覆蓋與雙環(huán)覆蓋

圖5 k= ，D=42mm 的軌跡疊加圖形的軌跡間隔

圖6 k=，D=42mm 的雙環(huán)覆蓋的示意圖

3 噴臂系統(tǒng)的動力特性

3.1 轉(zhuǎn)動力矩的計算

簡化假設(shè)從原噴臂上改到衛(wèi)星噴臂上的四個噴射孔的形狀、 大小和傾斜角度全部相同， 因此每個噴射孔產(chǎn)生的用于驅(qū)動噴臂旋轉(zhuǎn)的反沖力F 是一樣的。

比較可知， 引入衛(wèi)星噴臂和行星齒輪系機(jī)構(gòu)后， 噴臂系統(tǒng)從噴水反沖作用獲得的總動力矩有所增大，但不會超過2 倍。 同時， 衛(wèi)星噴臂與主噴臂之間增加了旋轉(zhuǎn)連接，該處會增加系統(tǒng)的阻力矩。 綜合考慮下，兩個噴臂系統(tǒng)的合力矩的作用是基本相等的。

3.2 轉(zhuǎn)動慣量與系統(tǒng)角動量的計算[6]

簡單地分析，噴臂是等截面的，即沿噴臂翼方向的質(zhì)量線密度保持均勻相等， 忽略噴射孔開設(shè)和齒輪質(zhì)量對質(zhì)量線密度的影響。

有研究表明， 噴臂在合適的旋轉(zhuǎn)速度范圍內(nèi)才能產(chǎn)生最優(yōu)的洗滌效果[7]，因此這里的兩個噴臂系統(tǒng)的公轉(zhuǎn)角速度ω 應(yīng)該相當(dāng)，加上轉(zhuǎn)動力矩基本相等，可得出原噴臂系統(tǒng)和單環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)的角動量基本相等，即

令L=225mm，D=42mm，取1≤k≤2，代入式（1）～（3）計算得0.146≤μ/λ≤0.214， 因此衛(wèi)星噴臂的質(zhì)量線密度要大幅減小。 對此，衛(wèi)星噴臂設(shè)計時一方面由于每支噴臂翼上只有一兩個噴射孔， 可以將噴臂翼做成細(xì)長的不銹鋼管，如圖7 所示，減小殼體以及流道的截面積以降低噴臂體線密度；另一方面，如果兼顧外觀造型，可采用塑料材質(zhì)，例如PP 塑料與不銹鋼的密度比約為0.9/7.8=0.115，同時控制流道以減少水的重量， 這樣也能達(dá)到衛(wèi)星噴臂體的線密度要求。

圖7 單環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)以及齒輪機(jī)構(gòu)圖

3.3 雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)

對于雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)，衛(wèi)星噴臂的每支噴臂翼在（L-D）和（L-3D）兩個位置開設(shè)噴射孔，轉(zhuǎn)動動力矩M2＇=M0＇+4F[（L-D）+（L-3D）]k=M0＇+8F（L-2D）k，與原噴臂 的 轉(zhuǎn) 動 動 力 矩M1＇=M0＇+8F（L-2D）比較可知，雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)有更多噴射孔從主噴臂改到衛(wèi)星噴臂上，從而更多的反沖作用通過行星齒輪系機(jī)構(gòu)得以放大，動力矩有更大程度的提升， 同時阻力矩沒有其他方面的顯著增加，所以噴臂系統(tǒng)能夠獲得更充足的合力矩作用。

另外，對于轉(zhuǎn)動慣量與系統(tǒng)角動量，如圖8 所示，雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)和單環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)的零部件組成和組裝結(jié)構(gòu)是基本一致的，因此二者的轉(zhuǎn)動慣量與系統(tǒng)角動量可視為相同，即L2＇=L2。因此，雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)具有更好的動力特性。

圖8 雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)以及齒輪機(jī)構(gòu)圖

4 結(jié)論

本文旨在通過噴臂技術(shù)的創(chuàng)新去提升洗滌覆蓋均勻性，進(jìn)而提升洗碗機(jī)洗凈能力。與以往研究致力于擴(kuò)大覆蓋面積的思路不同， 本文分析了固定同心圓覆蓋均勻性的不足，提出了通過行星齒輪系機(jī)構(gòu)控制偏心衛(wèi)星噴臂，使噴射孔形成多弧外擺線的運動軌跡， 進(jìn)而形成高密度網(wǎng)格覆蓋的環(huán)帶區(qū)域，達(dá)到均勻覆蓋效果。

本文詳細(xì)研究了齒數(shù)比在1 到2 范圍之內(nèi)時外擺線的形狀特點和相位特點， 尤其是提出了四個均布噴射孔的軌跡疊加的環(huán)帶區(qū)域，通過合適的齒數(shù)比、偏心距、噴射孔位置等參數(shù)的設(shè)定， 可實現(xiàn)軌跡間隔小于12mm，從而消除了覆蓋區(qū)內(nèi)部不均勻的情況。另一方面，還比較了單環(huán)覆蓋和雙環(huán)覆蓋的效果，覆蓋率可達(dá)到93%以上。

此外，本文還分析了環(huán)帶覆蓋噴臂系統(tǒng)的動力特性，計算并對比了不同噴臂系統(tǒng)的轉(zhuǎn)動力矩、 轉(zhuǎn)動慣量和總角動量，得出了環(huán)帶覆蓋噴臂系統(tǒng)具備可行性的結(jié)論，并且雙環(huán)覆蓋噴臂系統(tǒng)的驅(qū)動力會更充足， 同時給出了衛(wèi)星噴臂設(shè)計時在結(jié)構(gòu)和材料方面的具體建議。