實現環帶區域均勻覆蓋的洗碗機噴臂技術研究

黎銘峰， 王豪杰， 徐術榮， 黃書慶

（華帝股份有限公司， 廣東 中山 528415）

0 引言

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

洗凈性能是洗碗機的兩大指標之一， 主要取決于洗碗機水流系統的洗滌能力和效果。 洗碗機的洗滌能力包括水流的機械沖洗作用、 洗滌劑的化學作用和熱水的溶解以及熱沖擊作用[2]，其中機械沖洗作用占據主要位置。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行業中普遍面臨的問題。

1 噴臂技術的現狀

1.1 “一”字型噴臂系統

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

圖1 洗碗機常見的同心圓覆蓋正方形洗滌區域的示意圖

同心圓軌跡看起來已形成較好覆蓋， 噴射水柱線徑設為2.7mm，結合發散、濺灑、反射等效應， 一個噴射孔能夠對軌跡線附近區域進行清洗。但是，同心圓軌跡是固定的， 相鄰軌跡間隔為18.75mm， 因此覆蓋區內不同位置受到的洗滌強度是不一樣的。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度不均勻

1.2 衛星噴臂系統

洗碗機中，最早設計的衛星噴臂是自由旋轉的，后來引入了行星齒輪系機構，使得衛星噴臂的公轉與自轉形成明確的轉速比關系，從而實現對衛星噴臂上噴射孔的運行軌跡的精確控制，據此首先開發了橢圓線噴臂[3]，補充覆蓋正方形區域的四角位置；之后又有了腎形線噴臂[4]，能夠更好地覆蓋長方形區域。

目前，衛星噴臂技術都是針對圓形覆蓋區與洗碗機內部的正方形或長方形洗滌區的不匹配問題，控制衛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，從而擴大噴臂的覆蓋面積。 而對于圓形覆蓋區內部，上述噴臂未能起到很好的改善作用。只有改善圓內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 環帶狀覆蓋的研究

2.1 噴射孔的運動軌跡

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

表1 不同齒數比k 形成的衛星噴臂噴射孔的運動軌跡線的特點

圖3 不同齒數比k 形成的衛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

四個噴射孔分別設在相互垂直的四個噴臂翼上，到自轉中心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）之間的環帶區域之內，不同軌跡線之間旋轉錯開一些角度， 四個軌跡線相互交織在環帶區域內形成了更為密集的網格覆蓋。

表2 不同齒數比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 單環覆蓋與雙環覆蓋

圖5 k= ，D=42mm 的軌跡疊加圖形的軌跡間隔

圖6 k=，D=42mm 的雙環覆蓋的示意圖

3 噴臂系統的動力特性

3.1 轉動力矩的計算

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

比較可知， 引入衛星噴臂和行星齒輪系機構后， 噴臂系統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， 衛星噴臂與主噴臂之間增加了旋轉連接，該處會增加系統的阻力矩。 綜合考慮下，兩個噴臂系統的合力矩的作用是基本相等的。

3.2 轉動慣量與系統角動量的計算[6]

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

有研究表明， 噴臂在合適的旋轉速度范圍內才能產生最優的洗滌效果[7]，因此這里的兩個噴臂系統的公轉角速度ω 應該相當，加上轉動力矩基本相等，可得出原噴臂系統和單環覆蓋噴臂系統的角動量基本相等，即

令L=225mm，D=42mm，取1≤k≤2，代入式（1）～（3）計算得0.146≤μ/λ≤0.214， 因此衛星噴臂的質量線密度要大幅減小。 對此，衛星噴臂設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，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， 這樣也能達到衛星噴臂體的線密度要求。

圖7 單環覆蓋噴臂系統以及齒輪機構圖

3.3 雙環覆蓋噴臂系統

對于雙環覆蓋噴臂系統，衛星噴臂的每支噴臂翼在（L-D）和（L-3D）兩個位置開設噴射孔，轉動動力矩M2＇=M0＇+4F[（L-D）+（L-3D）]k=M0＇+8F（L-2D）k，與原噴臂 的 轉 動 動 力 矩M1＇=M0＇+8F（L-2D）比較可知，雙環覆蓋噴臂系統有更多噴射孔從主噴臂改到衛星噴臂上，從而更多的反沖作用通過行星齒輪系機構得以放大，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，所以噴臂系統能夠獲得更充足的合力矩作用。

另外，對于轉動慣量與系統角動量，如圖8 所示，雙環覆蓋噴臂系統和單環覆蓋噴臂系統的零部件組成和組裝結構是基本一致的，因此二者的轉動慣量與系統角動量可視為相同，即L2＇=L2。因此，雙環覆蓋噴臂系統具有更好的動力特性。

圖8 雙環覆蓋噴臂系統以及齒輪機構圖

4 結論

本文旨在通過噴臂技術的創新去提升洗滌覆蓋均勻性，進而提升洗碗機洗凈能力。與以往研究致力于擴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構控制偏心衛星噴臂，使噴射孔形成多弧外擺線的運動軌跡， 進而形成高密度網格覆蓋的環帶區域，達到均勻覆蓋效果。

本文詳細研究了齒數比在1 到2 范圍之內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帶區域，通過合適的齒數比、偏心距、噴射孔位置等參數的設定， 可實現軌跡間隔小于12mm，從而消除了覆蓋區內部不均勻的情況。另一方面，還比較了單環覆蓋和雙環覆蓋的效果，覆蓋率可達到93%以上。

此外，本文還分析了環帶覆蓋噴臂系統的動力特性，計算并對比了不同噴臂系統的轉動力矩、 轉動慣量和總角動量，得出了環帶覆蓋噴臂系統具備可行性的結論，并且雙環覆蓋噴臂系統的驅動力會更充足， 同時給出了衛星噴臂設計時在結構和材料方面的具體建議。