基于Realflow的大力神波轮的设计研究.pdf

370 2023中国家电科技年会论文集0 引言全自动波轮洗衣机具有操作简便、省时省电、健康环保等优点，是市场上的主流机型1。然而受限于洗涤方式的影响，容易出现衣物易缠绕、难翻转、洗净比低等问题2。因此如何设计优化波轮结构，改变洗涤桶内水流形态，提升洗涤效果，降低洗涤能耗成为了波轮行业的一大痛点3。传统的波轮结构设计，主要依靠工程师的设计经验，多次进行外观造型确定、手板制作、整机测试，在满足性能需求后才能定型生产，不仅无法满足新品的开发周期，而且盲目的试错法也很难设计出具有最佳特征的波轮结构4。本文介绍了一种基于Realflow的大力神波轮的设计研究方法，即通过Realflow软件对不同造型的波轮进行水流仿真，省去了反复制作手板以及测试的步骤，从而能够更快速地寻找出一种具有最佳特征的波轮结构参数。通过本文的研究方法，设计出来的波轮结构，让我司快速实现了将波轮产品的洗净比从0.8提升至0.9的目标。1 波轮工作原理简介波轮是位于洗涤桶中心位置的运动部件，跟离合器同轴相连。当电机通过皮带传动带动离合器工作时，波轮便会根据一定的洗涤节拍进行“正反转”旋转运动。由于离心力的作用，越趋向于波轮边缘，所产生的离心力越大，带动水流效果越强。作者简介：寇化梦（1970），男，硕士学位，毕业于电子科技大学EMBA专业。研究方向：主要从事洗衣机产品开发、品质监控和生产管理等工作。E-mail：。基于Realflow的大力神波轮的设计研究寇化梦 吴云贵 凌志东长虹美菱股份有限公司洗衣机用户与产品中心 安徽合肥 230601摘 要：波轮式洗衣机通过波轮的正反转动作，带动桶内水的流动，形成一定规律的水流。波轮的结构对水流的强度具有较大的影响，因此如何设计一款具有最佳特征的波轮结构，成为了波轮产品的一大痛点。以大力神波轮为研究对象，介绍波轮的工作原理、洗涤系统和波轮参数设置，使用Realflow仿真软件对波轮进行有限建模以及水流仿真分析，得到一款具有最佳特征的波轮结构。利用CFD对波轮水流仿真的方法，可以极大减少波轮结构的无效设计，缩短波轮结构的设计周期，为波轮式洗衣机的水流设计提供一定的参考价值。关键词：波轮式洗衣机；大力神波轮；Realflow；水流Research of the powerful pulsator based on the RealflowKOU Huameng WU Yungui LING ZhidongChanghong Meiling Company Co.,Ltd.Consumer and Product Center of The Washing Machine Hefei 230601Abstract:The pulsator washing machine drives the flow of water in the bucket through the forward and reverse action of the pulsator,forming a certain regular water flow.The structure of the pulsator has a great influence on the strength of the water flow,so how to design a pulsator structure with outstanding performance has become a major priority of the pulsator washing products.Taking the powerful pulsator as the research object,the working principle,washing system and parameter setting of the pulsator were introduced,and the limited modeling and water flow simulation analysis of the pulsator were carried out by using Realflow simulation software,so that a pulsator structure with the best characteristics was obtained.The CFD method of water flow simulation can greatly reduce the invalid design and shorten the design cycle,so as to provide references to the water flow design of the pulsator type washing machine.Keywords:Pulsator washing machine;Powerful pulsator;Realflow;Water flow中图分类号：TM925.33 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.99.084 3712023中国家电科技年会论文集因此，在一个工作周期内，正转时，水流呈现出中心下凹，边缘上升的现象，衣物受径向离心力的作用正向向下螺旋运动；停止时，水流趋于平静，中心下凹的部分逐渐恢复，衣物在浮力的作用下上浮，但会在惯性力的作用下，继续正向旋转一段时间。反转时，水流反向旋转，再次形成中心下凹，边缘上升的逆向水流，此时衣物会进行逆向向下螺旋运动；停止时，水流再次趋于平静，中心下凹的部分再次恢复，衣物在浮力的作用下再次上浮。如此反复，类似于双手正反揉搓衣物，形成一定强度的洗涤力。2 洗涤系统及波轮参数设置2.1 波轮结构模型洗涤系统的核心部件分为洗涤外桶、洗涤内桶、外桶圈、波轮、喷瀑盖板、过滤盖板等5。本文主要针对波轮的结构进行深入研究，为避免其他核心部件对水流造成影响，因此采用单因子分析法，保持其他因子参数不变，仅对波轮的参数进行优化。洗涤系统如图1所示。图1 洗涤系统图我司大力神系列波轮开发流程如下：首先由工业设计部门提供波轮的外观造型；其次使用UG公司的3D绘图软件将波轮的三维模型绘制出来；然后，将图纸发给手板厂家进行3D打印；最后将手板波轮装配到试验样机上进行性能测试，测试合格后，再进行模具开发形成最终的产品。本文简化波轮结构中的大扇叶和小扇叶，并对扇叶外形分割为侧边边线以及中心脊线两个主要参数，重点分析大扇叶的中心脊线对水流强弱的影响。波轮大扇叶中心脊线如图2所示。2.2 波轮参数设置为便于直观体现波轮大扇叶中心脊线高度对水流强弱的影响，结合工业设计外观、结构强度以及出模的要求，针对大扇叶中心脊线的高度作设定，如表1所示。3 波轮的有限元建模与水流仿真3.1 波轮结构简化Realflow是一款使用粒子体系动力学（SPH）方法和Navier-Stokes方程来模拟水流行为的软件。SPH方法是一种基于颗粒之间的相互作用的方法，通过将水流分割成小粒子，并相互传递作用力来模拟流体的行为。粒子在运动中，粒子之间会产生各种力，包括引力、压力、黏滞力等。在Realflow中，通常使用数值方法来离散化Navier-Stokes方程，将其转化为离散的时间步进方程，再结合动量守恒、连续性方程和状态方程等物理定律，可以描述流体在空间中的运动和形态变化。为了更好的模拟水流的运动，需要对波轮整体结构，删除对结构特征没有太大影响的小孔、小圆角、小倒角。简化后的波轮如图3所示。图3 简化后波轮3.2 仿真参数设定 将波轮模型导入Realflow软件中，进行网格划分，网格数量25860个。波轮的主要材料属性：弹性模量0.89105 MPa，泊松比图2 波轮大扇叶中心脊线图表1 中心脊线高度序号高度1H=10 mm2H=20 mm3H=30 mm4H=40 mm5H=50 mm372 2023中国家电科技年会论文集0.42，密度0.9103 kg/m3。网格划分如图4所示。粒子填充高度为150 mm，约占内桶总高度的1/3。粒子总数量为10万颗，密度为1.0103 kg/m3，粘度为3 cp。碰撞距离为0.5 mm，摩擦系数为0.001，反弹系数为0.25。模拟洗涤转速为120 r/min，洗涤节拍为“1.6 s（正转）_1.2 s（停止）_1.9 s（反转）_1.2 s（停止）”，单位时间步长为30 ms。仿真模型如图5所示。图5 仿真模型图4 仿真结果及分析根据表1中的参数设定进行仿真，结果如图6图10所示。图6图10分别对应中心脊线10 mm、20 mm、30 mm、40 mm、50 mm的水流仿真结果。其中图6和图7中的粒子运动数量较少，大扇叶推起的粒子高度较低。对应水流强度最弱，水流效果较差。图8、图9和图10中的粒子运动数量较多，大扇叶推起的粒子高度成线性增加。对应水流强度逐渐增强，水流效果逐渐变好。考虑到大扇叶中心脊线越高，洗涤时电机温升越高。经过综合考虑，最终选择的中心脊线高度为H=40 mm。5 仿真结果验证5.1 波轮最终方案根据仿真分析结果，最终定型具有最佳特征的波轮结构，如图11所示。5.2 水流效果验证优化后的波轮结构，水流强劲，对衣物具有较好的翻转效果。图4 波轮网格划分示意图图6 H=10 mm的仿真结果图7 H=20 mm的仿真结果图8 H=30 mm的仿真结果 3732023中国家电科技年会论文集图9 H=40 mm的仿真结果图10 H=50 mm的仿真结果图11 最终定型波轮结构图12 大力神实际水流效果图13 能效标贴示意图主要结构为波轮盘；对波轮模型结构的分析，确定大扇叶的中心脊线对水流强弱的影响较大；对不同高度的大扇叶中心脊线水流仿真模拟，最终确定中心脊线高度为H=40 mm，为提高波轮式洗衣机的水流强度及衣物翻转效果最好的尺寸。目前研究工作仅从波轮大扇叶中心脊线入手进行水流仿真分析与试验验证的方式设计出了一款具有最佳特征的波轮结构，后续可以从波轮的盘形、扇叶比例、侧边边线等方向对波轮进行更深入的结构优化和技术储备。参考文献1 陆彭飞,黄华,周福昌,等.基于CFD仿真的洗衣机波轮设计方法J.家电科技,2013(zk):141-144.2 李磊,邓德喜,汪坤.基于多相流的波轮洗衣机喷瀑仿真优化A/中国家用电器协会.2020年中国家用电器技术大会论文集C.电器杂志社,2020:1201-1206.3 周鹏,邓德喜,周福昌,等.基于STAR-CCM+的波轮洗衣机创新水流研究A/中国家用电器协会.2016年中国家用电器技术大会论文集C.中国轻工业出版社,2016:566-573.4 邓德喜,黄华,周福昌.波轮洗衣机进水流道的CFD仿真设计A/中国家用电器协会.2015年中国家用电器技术大会论文集C.中国轻工业出版社,2015:587-592.5 张强,杨洪永,熊瑞,等.波轮洗衣机悬挂系统动力学建模及动力学特性研究J.家电科技,2021(01):56-61.衣物翻转测试中，测试布可翻转次数平均提升12%。实际水流效果如图12所示。通过能效试验测试，大力神波轮结构耗电量0.136千瓦时/工作周期，与传统波轮耗电量0.12千瓦时/工作周期相当。同时可以将洗净比由0.8提升至0.9。能效标贴如图13所示。6 结论及展望本文对波轮洗衣机的工作原理进行分析，确定影响波轮水流的