基于行星齿轮系机构的洗碗机喷臂的运行探究.pdf

Articles论文28 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424基于行星齿轮系机构的洗碗机喷臂的运行探究Research on the motion of dishwasher spray based on planetary gear train mechanism黎铭峰 曾维平 王松波 梁春华LI Mingfeng ZENG Weiping WANG Songbo LIANG Chunhua华帝股份有限公司 广东中山 528415Vatti Co.,Ltd.Zhongshan 528415摘 要：对于洗碗机接近正方形的洗涤区域，普通喷臂形成的圆形覆盖存在四角欠洗涤的问题。基于对行星齿轮系机构的研究，确定以一级传动的行星齿轮系机构为基础模块，进一步叠加中间传动齿轮、曲柄滑块机构和曲柄摇杆机构等方式构造了不同的喷臂方案，通过运动分析得出喷射孔特定运行轨迹，实现了对四角区域的补充覆盖。经过深入分析和比较，最终选定了带摇杆型卫星喷臂的喷臂方案，不仅可形成类方形覆盖效果，并且轨迹线还能提升方形外围区域的洗涤覆盖，通过实验有效验证了对洗碗机洗净性能的提升作用。关键词：洗碗机喷臂；覆盖；行星齿轮系；运行轨迹；摇杆 Abstract:For the dishwashers nearly square washing area,the circular coverage formed by common sprays can cause the problem of insuffi cient washing at the four corners.Based on the study of planetary gear train mechanisms,determines a primary transmission planetary gear train mechanism as the basic model and further construct diff erent sprays with addition of intermediate transmission gear,crank slider mechanism,or crank rocker mechanism.Through motion analysis,the specifi c tracks of spray orifi ces are obtained,achieving supplementary coverage of the four corner areas.After deeply analysis and comparison,a dishwasher spray with the rocker satellite sprays was fi nally proposed which not only can form a nearly square coverage eff ect,but also enhances the washing coverage of the square peripheral area through the tracks.Through experiments the improvement of dishwasher cleaning performance has been eff ectively verifi ed.Keywords:Dishwasher spray;Coverage;Planetary gear train;Track;Rocker中图分类号：TM925.5;TH12 DOI:10.19784/ki.issn1672-0172.2023.05.0030 引言洗碗机近年来在国内保持着蓬勃增长，推动洗碗机技术不断发展。已有调研表明，洗碗机技术研究从用户需求出发，聚焦在“洗净提升”“用时缩短”“健康科技”“智能化操控”等方面1。洗净性能作为洗碗机最基本的产品功能属性，一直是用户的首要关注点，对其要求越来越高。洗净性能取决于洗碗机的喷淋系统，具体是通过内部喷臂的旋转喷淋，对餐具进行清洗。因此，喷淋技术现已成为各大洗碗机厂商的研究热点。水的喷淋清洗作用，包括水流的机械冲洗作用、洗涤剂的化学作用和热水的溶解以及热冲击作用2，其中机械冲洗起主要作用。但对于水流喷射不到的位置，更多只能依靠长时间的水的反射、溅作者简介：黎铭峰，男，工学硕士学位，毕业于清华大学的材料科学与工程专业。研究方向：从事洗碗机相关领域的技术研究与产品开发工作。E-mail：。基金项目：华帝高新科研项目2023RD15“高覆盖方形洗喷臂技术的开发及其在洗碗机的应用研究”。洒、流淌等间接作用进行有限度的清洗，这些位置的洗净效果相对地会明显下降。一直以来，四角位置喷淋覆盖不足始终是行业难题之一。1 现有喷臂技术分析1.1 普通喷臂的圆形覆盖如图1所示，不管是最为常见的“一”字型喷臂，还是洗净能力更好的双层对旋喷臂和带卫星喷臂的喷臂，它们都是圆形覆盖，四角区域得到最小概率的喷洗。其中，“一”字型喷臂绕中心轴做水平转动，各个喷射孔形成同心圆轨迹线；双层对旋喷臂由朝不同方向旋转的两个“一”字型喷臂叠加而成3，各个喷射孔也是形成同心圆轨迹Articles论文 29家电科技 Vol.5 2023 Issue 424线。对于带卫星喷臂的喷臂，最早是Electrolux公司研发的4，在单转型主喷臂端部增设卫星喷臂，卫星喷臂一边公转一边自转，喷射孔将形成非固定的不规则运行轨迹，图1中用一系列沿公转中心周向分布的圆形线去表示，这些轨迹线都包在一个圆形之内，因此还是圆形覆盖。因此，双层对旋喷臂和卫星喷臂技术虽然增加了喷射角度，提升了洗涤均匀性，进而提升了整体洗净效果5，但无法解决四角欠洗涤的问题。本文以边长d=430 mm的正方形作为有效洗涤区，则圆形覆盖喷臂最靠外喷射孔距离旋转中心距离D0=d/2=215 mm，覆盖率计算为(D02)/d2=78.5%。图1 不同喷臂形成圆形覆盖的示意图1.2 行星齿轮系机构在卫星喷臂技术的基础上，已有研究提出了通过加入不同的行星齿轮系机构，驱使行星齿轮连同卫星喷臂形成特定的公转自转转速比，进而使得卫星喷臂上的喷射孔形成特定的运行轨迹，例如类方形线和四瓣内摆线，理论上对方形区形成更全面覆盖6。另外，结合适当的传动比，带一级行星齿轮系机构的卫星喷臂能形成轨迹排布密集、洗涤更加均匀的环带状覆盖，进而实现圆形区域内的无空白喷淋覆盖7。但是如图2所示，下喷臂组件位于下碗篮和内胆底板之间的扁平空间，内胆底板为了聚集水呈中间低外围高的形状，在外围位置通常还设有内水管和软水器盖等零部件，高度空间会更小，喷臂底下的齿轮系机构模块最好设置在中间区域，还要充分避开过滤提杯和内水管。因此，行星齿轮系机构模块的尺寸是受限的，传动级数最多做两级，本文则以一级传动的行星齿轮系机构为基础模块，具体设计如下：中心齿轮分度圆半径R=33 mm，行星齿轮分度圆半径r=16.5 mm，则二者转速大小之比为1 2，进而可知主喷臂（行星架）绕固定的中心齿轮转1圈，行星齿轮相对于主喷臂（行星架）转2圈。2 加强四角覆盖的喷臂研究为实现对方形区更全面覆盖，喷臂在不同位置的喷淋半径应是可变的。当喷臂旋转到四角位置时，喷臂臂展伸出，最靠外喷射孔到公转中心的距离变长；转过去之后，喷臂臂展再缩回，最靠外喷射孔到公转中心的距离变短。如此周期性运行，即可突破原来的圆形覆盖范围，达到更高的覆盖率。2.1 椭圆线卫星喷臂在基础齿轮系机构上，再加一级传动齿轮，中间传动齿轮与中心齿轮的齿数设为一样，此时外侧行星齿轮与中心齿轮的齿数比仍是1 2，卫星喷臂与外侧行星轮固连，卫星喷臂的公转自转转速比为1-1，自转与公转方向相反。以公转中心为原点的平面上，卫星喷臂上喷射孔的运行轨迹线各点坐标（x，y）满足如下参数方程：（1）式（1）中，为主喷臂（行星架）转过的角度，也就是公转角度；M为卫星喷臂自转中心和公转中心的距离，M=3R+r=115.5 mm；N为卫星喷臂上喷射孔到卫星喷臂自转中心的距离，本方案中最靠外喷射孔到卫星喷臂自转中心的距离N0=179.5 mm。如图3所示，卫星喷臂上喷射孔的运行轨迹为椭圆线，对应正方形的对角线及其附近区域，其中最靠外喷射孔与公转中心的最大距离为M+N0=295 mm。卫星喷臂两翼上喷射孔的相位差为180，形成的两组椭圆线（图3中红线和绿线）相位差为90，因此卫星喷臂的两图2 下喷臂组件底部空间和附近零部件分布设置的示意图图3 带椭圆线卫星喷臂的喷臂方案的机构原理图和覆盖示意图Articles论文30 家电科技 Vol.5 2023 Issue 424翼分别对应两个对角线区域，即一个“一”字型卫星喷臂就能覆盖四角区域。结合另一侧主喷臂上喷射孔的同心圆轨迹线（图3中蓝线），此时测算得覆盖率为89.3%。图3中还可看出，卫星喷臂覆盖区狭长，喷淋最重区域集中在正方形中心附近。2.2 伸缩型副喷臂在基础齿轮系机构后，增加曲柄滑块机构，主喷臂两侧设有副喷臂，副喷臂和行星齿轮之间通过连杆分别铰连，此时行星齿轮充当曲柄，副喷臂充当滑块，主喷臂除了充当行星架之外还起到导轨的作用。由行星齿轮系的转速比可知，主喷臂转1圈，副喷臂来回伸缩运动2次。以公转中心为原点的平面上，副喷臂上的喷射孔到公转中心的距离L计算如下：（2）则副喷臂上的喷射孔的运行轨迹线各点坐标（x,y）满足如下参数方程：（3）式（2）中，M为连杆长度，N为副喷臂上喷射孔到副喷臂铰连点的距离。N0为最靠外喷射孔到副喷臂铰连点的距离，本方案中为了使最靠外喷射孔轨迹线与方形区边线形成相切，最靠外喷射孔到公转中心的最大距离为227 mm，反推：M+N0=161 mm，具体是：M=100 mm，N0=61 mm。如图4所示，喷射孔运行轨迹形状类似椭圆线，但长轴和短轴相差不大，差值为2r=33 mm，因此类椭圆轨迹线呈宽胖状，长轴对应正方形的其中一条对角线，短轴对应另一条对角线。为了两侧副喷臂分别对应一条对角线，两侧的行星齿轮构成180 相位差，即铰连点朝向一致，此时两侧副喷臂上喷射孔形成的两组类椭圆线（图4中红线和绿线）相位差为90。主喷臂上喷射孔形成同心圆轨迹线（图4中蓝线），两组类椭圆线将分布在最大圆轨迹线的附近，长轴为227 mm，比最大圆半径215 mm只突出12 mm，因此覆盖率的提升比较有限，测算得覆盖率为83.6%。2.3 摇杆型卫星喷臂在基础齿轮系机构后，增加曲柄摇杆机构，主喷臂两侧设有卫星喷臂，卫星喷臂和行星齿轮之间通过连杆分别铰连，构成四连杆结构，此时行星齿轮充当曲柄，卫星喷臂充当摇杆，主喷臂则作为机架，行星齿轮中心到卫星喷臂自转中心为固定杆。由行星齿轮系的转速比可知，主喷臂转1圈，卫星喷臂来回摆动2次。如图5所示，为了使卫星喷臂上最靠外喷射孔轨迹线与方形区边线形成相切，行星齿轮在主喷臂上是偏置的，偏置角度为18.3。以曲柄指向公转中心为公转起始位置，此时=0，则卫星喷臂上的喷射孔到公转中心的距离L计算如下：（4）（5）（6）（7）式（4）（7）中，r为曲柄长度，B为连杆长度，C为摇杆长度，D为固定杆长度，A为此四连杆机构中行星齿轮铰连点到卫星喷臂自转中心的对角线长度，为公转起始时曲柄与固定杆之间的角度，为主喷臂轴线与固定杆的角度，为对角线A与固定杆的夹角，为对角线A与摇杆的夹角，M为卫星喷臂自转中心和公转中心的距离，N为卫星喷臂上喷射孔到卫星喷臂自转中心的距离。同时，卫星喷臂上喷射孔到公转中心的连线与主喷臂轴线并不共线，其偏差角度设为，计算如下：（8）图4 带伸缩型副喷臂的喷臂方案的机构原理图和覆盖示意图图5 摇杆型卫星喷臂的机构设计示意图Articles论文 31家电科技 Vol.5 2023 Issue 424以公转中心为原点的平面上，卫星喷臂摇杆侧的喷射孔的运行轨迹线各点坐标（x，y）满足如下参数方程：（9）同理，卫星喷臂另一侧的喷射孔也形成特定的轨迹线，此类喷射孔到公转中心的距离L和偏差角度表示如下：（10）（11）以公转中心为原点的平面上，卫星喷臂另一侧的喷射孔的运行轨迹线各点坐标（x,y）满足如下参数方程：（12）卫星喷臂上喷射孔的运行轨迹形状具有明显的方向性，通过特定的角度旋转，使得轨迹线与正方形对角线区域达到相对最优的覆盖效果，此时曲柄摇杆机构尺寸设定如下：曲柄r=r=16.5 mm，连杆B=135.8 mm，摇杆C=23.5 mm，固定杆D=130 mm，结合行星齿轮偏置角度18.3，计算得=154.9，=6.8。如图6所示，卫星喷臂摇杆侧最靠外喷射孔到卫星喷臂自转中心的距离定为N0=72 mm，此时喷射孔与公转中心最大距离测得约242.5 mm，其运行轨迹补充覆盖四角区域；另一侧最靠外喷射孔到卫星喷臂自转中心的距离定为N1=61 mm，能够进一步补充覆盖边界中间位置。为了两个卫星喷臂分别对应一条对角线，两侧行星齿轮卫星需构成180 相位差，即铰连点朝向一致，此时两个卫星喷臂上喷射孔形成的两组轨迹线（图6中红线和绿线）相位差为90。综上，本方案的覆盖率为89.2%，与椭圆线喷臂方案的覆盖率相当。进一步地，本方案中卫星喷臂覆盖区域相对更靠外，无需依靠主喷臂上的喷射孔的圆形覆盖（图6中蓝线）去完成大部分区域的喷淋覆盖，因此本喷臂方案能更有针对性地实现对方形区的高覆盖。3 方案比较一级齿轮系机构为基础模块，通过引入不同的附加技术形成不同的喷臂方案，喷淋覆盖率有5%11%的增幅，具体如表1所示。其中，带椭圆线卫星喷臂或带摇杆型卫星喷臂的喷臂方案，覆盖率可达89%以上，如果进一步考虑水的散射、反射和溅洒，基本可视为对方形洗涤区的全覆盖。另一方面，椭圆线卫星喷臂覆盖的是两对角线及其附近的“十”字型区域，摇杆型卫星喷臂能够更好覆盖方形洗涤区的外围区域，对整个洗涤区的洗净性能具有更大的贡献，因此选定带摇杆型卫星喷臂的下喷臂组件为最终方案。对此，本文还进行了对特制工装板的洗净测试，普通喷臂和带摇杆型卫星喷臂的新喷臂方案的喷淋覆盖效果分别如图7所示，圆形覆盖会形成四角欠洗涤区，图中四个最靠外角落的圆槽没能洗到；新喷臂覆盖区域明显比圆形要大，方形洗涤区内的各个圆槽都能洗到，虽然个别圆槽的洗净效果还需进一步提升，但新喷臂确实实现了对整个方形洗涤区的有效覆盖，提升了整体洗净效果。图7 新旧喷臂方案对特制工装板的洗净测试及其结果图4 结论本文针对正方形洗涤区域四角欠洗涤的洗碗机行业难题，以一级传动行星齿轮系机构为基础模块，分别提出了二级传动行星齿轮机图6 带摇杆型卫星喷臂的喷臂方案的机构原理图和覆盖示意图表1 不同喷臂方案的覆盖率比较序号喷臂方案对正方形的覆盖率与圆形覆盖比较1同心圆覆盖的喷臂78.5%/2带自由旋转卫星喷臂的喷臂78.5%/3带椭圆线卫星喷臂的喷臂89.3%+10.8%4带伸缩型副喷臂的喷臂83.6%+5.1%5带摇杆型卫星喷臂的喷臂89.2%+10.7%（下转35页）Articles论文 35家电科技 Vol.5 2023 Issue 424（上接31页）比结果，蒸烤箱最佳蒸汽添加量辅助烤制工艺优于现有的先蒸后烤工艺，满足消费者对烤茄子的感官需求的同时，为消费者提供一种更加便捷、营养的蒸烤箱烤茄子烹饪方式。3 结论与展望通过蒸汽添加量（0 g/min、1.8 g/min、5.0 g/min、10.5 g/min）对蒸烤箱烤茄子的感官、质构和多酚的影响研究发现，在感官方面，随蒸汽添加量的增加，烤茄子感官总分显著提高，以蒸汽量10.5 g/min烤制的茄子具有最佳的感官，明显优于其他组。在质构方面，随蒸汽添加量的增加，茄子硬度和破裂强度均呈现降低的趋势，蒸汽量10.5 g/min时最低，即此时茄子最软。在多酚方面，烤茄子多酚含量随蒸汽添加量的增加而提高，蒸汽量10.5 g/min烤茄子多酚含量最高，为131.79 mg/100 g，比无蒸汽（0 g/min）时高44.44%。将最佳蒸汽添加量工艺与先蒸后烤工艺烤茄子进行对比，结果表明，最佳蒸汽添加量10.5 g/min烤茄子的感官达到甚至略优于先蒸后烤水平，多酚比先蒸后烤高12.67%，且在烹饪效率及操作便利性上均优于先蒸后烤。综合感官、质构及多酚结果得出，蒸汽的添加对烤茄子品质具有显著影响，蒸烤箱中烤茄子的最佳蒸汽添加量为10.5 g/min。蒸汽的添加能够解决现有烤箱中烤茄子偏干及不易烤熟的问题，减少营养成分的损失，为消费者提供更加便捷、营养的蒸烤箱烤茄子烹饪方式，在兼顾口味的同时满足消费者对烤制食物健康营养的需求，为厨房家电烹饪迈向“健康中国2030”提供新思路和营养数据支持，为蒸烤箱蒸汽辅助烤制的进一步应用和市场拓展提供参考，丰富蒸烤箱产品中蒸汽对蔬菜类影响研究的研究场景，为未来厨房家电烹饪技术更加营养健康化提供新的研究方向。参考文献1 董浩澜,赵钰莹,龚霄,等.不同烹饪方式对黄秋葵营养成分和抗氧化活性的影响J.保鲜与加工,2020,20(03):150-155.2 王勇,李阿敏,陈东坡.不同烹饪方式对食物营养素的影响研究J.家电科技,2020(06):66-69,73.3 冯瑞红,包玉龙,王勇,等.蒸汽辅助烤制技术在肉类烹饪中的应用研究进展J.食品工业科技,2020,41(08):347-352,359.4 Yamagata J,Iyota H,Sugiyama K,et al.Defatting and dehydration of meat products during heating in steam convection ovenJ.Journal of the Japanese Society for Experimental Mechanics,2011,11(Special_Issue):s86-s91.5 Isleroglu H,Kemerli T,Ozdestan O,et al.Effect of oven cooking method on formation of heterocyclic amines and quality characteristics of chicken patties:steam-assisted hybrid oven versus convection ovensJ.Poultry Science,2014,93(09):2296-2303.6 周泓伶,包玉龙,刘冬梅,等.间歇性添加蒸汽对餐包品质的影响J.食品工业科技,2020,41(15):90-98,105.7 Schirmer M,Hussein W,Jekle M,et al.Impact of air humidity in industrial heating processes on selected quality attributes of bread rollsJ.Journal of food engineering,2011,105(04):647-655.8 Riyue Dong,Bingwei Yu,Shuangshuang Yan,et al.Analysis of Vitamin P Content and Inheritance Models in EggplantJ.Horicultural Plant Journal,2020,6(04):240-246.9 Nergiz G,Selman U,F Anne,et al.Health benefits and bioactive compounds of eggplantJ.Food Chemistry,2018,268.10 杨冬梅,金月亭,柯乐芹,等.12种常见蔬菜抗氧化活性的比较研究J.中国食品学报,2007,7(05):24-29.11 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梁咏雪,刘冬梅,王勇,等.不同腔体湿度对蒸汽辅助烤制西兰花营养特性及食用品质的比较分析J.现代食品科技,2020,36(11):217-225,280.（责任编辑：张蕊）构形成的椭圆线卫星喷臂、叠加曲柄滑块机构形成的伸缩型副喷臂和叠加曲柄摇杆机构形成的摇杆型卫星喷臂等3个技术方案。对于不同的喷臂方案，本文详细研究了喷射孔轨迹的数学公式，画出轨迹曲线并对其形状特色、分布位置和相位差等方面进行了分析与探讨，得到了有用的结论。不同的喷臂方案对方形洗涤区进行喷淋覆盖，覆盖率有5%11%的提升，不同程度地实现了对四角区域的补充覆盖。本文最终选定了带摇杆型卫星喷臂的喷臂方案，覆盖率达到89.2%，并且轨迹线分布在正方形外围，最后通过测试实验，验证了新喷臂方案对整个方形洗涤区的洗净性能的有效提升作用。参考文献1 李曾婷.洗碗机:迭代升级,技术发展多元化J.电器,2018(06):20-22.2 张朴.喷淋式洗碗机洗涤性能影响因素研究J.日用电器,2019(09):121-123.3 黎铭峰,徐术荣,王豪杰,等.一种双层喷臂组件及其洗碗机P.广东省：CN216876287U,2022-07-05.4 Sarah Frster,Anders Haegermarck,Niklas Olson.WASH ARM ARRANGEMENT FOR A DISHWASHERP.US2013125936,2013-05-23.5 黎铭峰,王豪杰,王松波,等.关于洗碗机双向旋转喷洗系统的研究J.家电科技,2021(zk):169-172.6 黎铭峰,徐术荣,王豪杰.实现正方形区域高覆盖的洗碗机喷臂运行轨迹探究J.家电科技,2021(05):84-88.7 黎铭峰,王豪杰,徐术荣,等.实现环带区域均匀覆盖的洗碗机喷臂技术研究J.机电产品开发与创新,2021,34(05):36-39.（责任编辑：张晏榕）