多阶段多方法集成对洗干一体机改进设计

2023-07-25彭有为尚东星

机械设计与研究 2023年2期

彭有为, 尚东星

(1. 空调设备及系统运行节能国家重点实验室,广东珠海 517907, E-mail:15084846254@163.com;2. 珠海格力电器股份有限公司,广东珠海 517907)

洗干一体机是传统洗衣机行业更新换代和结构升级的产物,但洗干一体机的烘干效率仍旧为人所诟病,超长的烘干时间,以及由此带来的用水用电量消耗都极大阻碍了行业规模的增长,因此如何有效的改进洗干一体机烘干功能已然成为制约行业发展的卡脖子难题[1]。本文首先构建了一类多阶段多方法集成的过程模型[2],模型通过四个维度确定待改进产品;对其进行功能模型分析,剖析系统功能存在的缺陷;运用TOC辨别产品改进中的深层技术问题,构建给定系统下的当前现状树CRT(Current Reality Tree,CRT)推断根本原因,并提炼其核心问题[3-4]。利用AHP进行定量分析,识别核心功能改进需求重点[5-6];采用QFD方法将技术改进需求转化为具体设计要素,为产品改进提供有力支撑[7]。根据前述步骤得到的关键质量指标(Critical to Quality,CTQ)[8],应用TRIZ理论中的不同工具求解[9];利用现行仿真手段和实验测试对求解方案进行理论与实践验证,对方案的可行性与实用性进行把控,克服创新方法形成方案的概念化、粗放化,为研究提供更为科学和可靠的结论[10-11]。为了验证改进方案的效果;对现有方案进行汇总,并结合仿真与实验数据进行遴选评估,最终得出完整的产品改进设计方案。

1 洗干一体机改进方案设计

集成型问题发现与解决过程模型前2个步骤分别为确定待改进产品和系统功能分析。本文基于售后反馈、专家访谈、竞品分析等多种途径确定了待改进产品,并通过系统功能分析确认了洗干一体机关于烘干效率方面的相应功能缺陷,这些分别是图1中的第1与2步。第3至6步具体化为:TOC定义核心问题、AHP分析技术改进需求、QFD确定设计要素、TRIZ分析及问题求解。

▲图1 集成型问题发现与解决过程模型

1.1 TOC定义核心问题

洗干一体机的烘干过程是通过离心风机将风引入烘干风道部件内,经由电加热器加热后通过前风道部件和送风管道,从门封的进风口进入内筒,伴随内筒的转动对衣物进行打散,在此过程中干热空气变为湿热水蒸气,从内筒出风口排出后,进入到后风道部件中,一部分湿热水蒸气通过后风道部件冷凝成水排出,未冷凝成水的湿热空气经由后风道部件引导朝向离心风机流动,继续循环直至衣物烘干[12]。

洗干一体机隐藏外壳后的立体图如图2所示,整个烘干过程主要是伴随附着在衣物上的水分子蒸发和冷凝来完成。笔者根据洗干一体机工作原理描述当前产品改进的初始问题,并结合第2步骤中分析得出的功能缺陷,依据因果链对洗干一体机烘干功能改进的现状进行逐层分解来明确系统中的问题因果关系,从而找出核心问题,其中分为最终实体(Final Entities,FE)、中间实体(Intermediate Entities,IE)和根实体(Root Entities,RE);编号按照自上向下和自左向右的顺序依此类推,如图3所示为洗干一体机改进CRT。

▲图2 隐藏外壳后的立体图

▲图3 洗干一体机改进CRT

通过洗干一体机改进CRT可以得知,洗干一体机烘干功能改进根原因共有23个,笔者在整合环境因素和技术限制导致的功能改进设计问题基础之上对系统中的问题因果关系进行归类总结,将改进需求分解为蒸发性能、冷凝性能和内外部适配性能,对核心问题进行提炼,形成了第4步骤中的14项层次结构模型指标。为实现产品改进关键突破做好准备。

1.2 AHP分析技术改进需求

AHP建模大体可分为以下4个环节:①构建多目标问题的递阶层次结构模型;②构造各层级间判断矩阵;③层级排序及一致性检验;④层次总排序及一致性检验。

1.2.1 构建洗干一体机烘干功能需求层次结构模型

针对14项具体指标构建了洗干一体机烘干功能改进评价的AHP层次结构模型如图4所示。该阶段研究只针对指标层和准则层对烘干效率的权重进行研究。

▲图4 需求层次模型

1.2.2 构造层次判断矩阵及其权重计算

构建层次判断矩阵,可将多目标复杂问题进行层次化处理。各功能改进具体指标(即指标层)重要程度会对产品类型、技术原理、问题范围和平台条件等多因素影响,计算步骤如下:

(1) 构造判断矩阵。Fi;Fj(i,j=1,…,n)表示功能改进需求。Fij表示Fi对于Fj的相对重要程度,构建两两比较判断矩阵:

(1)

式中:Fij—某一层次各要素相较于上一层级的重要程度,两两相比较所得到的影响大小之比。

(2) 层次单排序及一致性检验。计算判断矩阵F所对应的最大特征值λmax,此特征值相对应的归一化特征向量记作W,W的元素为相同层级因素对于上一层级某因素相对重要程度的排序权值进行层次单排序。而检验以上得到的权重分配是否合理,有必要采用经验公式进行一致性检验。需要满足以下要求:

(2)

( 3)

式中:λmax—最大特征根;CI—随机一致性指标;CR—指标数量。

当判断矩阵F一致性比率CR<0.1,λmax=n,CI=0时,通过一致性检验,否则需经过调整重新构造判断矩阵。根据检验结果表1可知,该模型中的判断矩阵均通过一致性检验。

表1 功能改进设计需求权重

(3) 层级总排序及检验。为获取该层级结构中全部因素对于最高层级重要程度的排序权值以及与上一层级某因素相互影响关系,需要对这一过程中的层次单排序进行分析利用,计算综合权重值。AHP计算得到单排序一致性指标为CI(j)(j=1,…,n),对应的随机一致性指标为RI(j)(CI(j)、RI(j)已在层次单排序时求得),则总排序随机一致性比例为:

(4)

当CR<0.1时,认为通过总排序一致性检验。根据检验结果表1显示,层级总排序结果均通过一致性检验。

由表1可知,本文中洗干一体机烘干功能改进设计中,后风道风速C6(0.068 6 )、换热面积C7(0.068 6) 、干热空气温度C1(0.052 9)、内筒风速C3(0.048 2)、提升筋抖散力C4(0.018 6)和换热温差C8(0.017 5)属于综合权重中排名前五位的需求,表明洗干一体机烘干功能改进对此五项的需求度较高,为核心改进需求,因此将以上五项作为下一步骤中设计要素展开的重点。

1.3 QFD确定设计要素

本文基于AHP建立功能优化的各组成要素层次模型,计算获取各要素权重分配系数,构建出HOQ的左墙;其次,根据功能优化层次展开,转换成洗干一体机质量特性,建立HOQ的天花板,并依次根据两两因素间关系、质量特性权重及质量特性两两元素间的相关性,形成HOQ的房间、屋顶和地板。

质量屋构建过程的相关计算式为:

(5)

(6)

式中:Qj—质量特性绝对权重;Wi—功能优化需求权重;Pij—相关性系数;Wy—质量特性相对权重;x质量特性总数。

洗干一体机系统结构复杂,其中与烘干阶段需求相映射的质量特性较多,结合相关标准文件及文献研究,依据AHP阶段分类信息获得了风机风量、风机结构、前风道管道结构等14项技术特征,最终建立质量屋,如图5所示。

▲图5 洗干一体机质量屋图

从质量屋的构建结果可以看出不同性能方面的改进重点。蒸发性能方面:内筒循环速度、电加热器功率、内筒转速;冷凝性能方面:后风道结构、衣物与干热空气接触面积、后风道循环速度;内外部适配性能方面:衣物平均密度、内筒容量、衣物含水量、风机风量。从整体结果来看,排名前三的质量特性为后风道结构、衣物与干热空气接触面积以及内筒循环速度。因此,洗干一体机复杂系统的结构及零部件改进设计将从上述质量特性要素展开。

质量屋中的自相关矩阵代表质量特性两两元素间的相关性,“+”代表正相关关系,一项技术改进措施会伴随另一项的改善而获得正相关提升;“-”则代表两两要素间的相互冲突,一项技术改进措施的改善会导致另一项的恶化;空白则表示无相关性。由图5可知,主要存在5对技术冲突与1对物理冲突。

技术冲突:前风道管道结构与内筒循环速度、前风道表面粗糙度与内筒循环速度,此两组冲突表现为风速与风量在相对数值范围内对衣物烘干存在正向耦合关系,如何在不增加风机功耗的情况有效提升风速和风量存在冲突;提升筋数量与衣物平均密度、提升筋形状与衣物平均密度、衣物与干热空气接触面积与衣物平均密度,此三组冲突皆因提升筋占据内筒容积,致使可烘干衣物数量与干热空气接触面积难以匹配所致,直观现象表现为提升筋无法将衣物抬升至足够高度进行抖散,那么衣物的受热面积和烘干均匀程度都将受到影响,进而影响烘干效率;

物理冲突:内筒循环速度与后风道循环速度。在内筒中间的位置,要求风速大,因为可以提高烘干效率;在后风道要求风速小,因为可以给予足够时间进行换热冷凝,进而强化冷凝效果,所以风速既要大又要小,构成了一对物理冲突。

2 TRIZ分析及问题求解

综合运用TRIZ冲突求解工具,有效输出产品改进方案。根据文中分析得知,洗干一体机烘干功能改进主要明确为3对冲突,本文将根据冲突从提升筋、后风道及风量3个方面分别进行求解。

2.1 提升筋冲突求解

烘干过程中提升筋将衣物从滚筒中不断提升摔下,做往复运动抖散衣物,增加热空气与衣物的接触面积,加快衣物烘干速度。根据冲突分析,对比冲突矩阵表找到相对应的发明原理。笔者选取14号曲面化发明原理,将提升筋的外观进行再设计,将物体的直线、平面部分用曲线、曲面代替。“蒜”球型提升筋能够依靠球形延展线,有效增强壁面剪切应力,显著提升衣物洗净度和抖散力。如图6为原模型和“蒜”球型结构示意图。

▲图6 提升筋优化方案

2.2 后风道冲突求解

洗干一体机主要采用水冷凝换热方式,利用热空气使衣物中的水分蒸发,变成热湿空气后进入后风道内,后风道上方有喷淋冷却水沿风道内壁流下,与风道内的热湿空气换热,使其降温并冷凝成水后排走。由于换热面积、换热温差和换热频率等原因,冷却水与热湿空气换热不充分,从而影响冷凝效果,进而降低整体烘干效率。根据冲突分析,使用分离原理中的空间分离得出发明原理,笔者选取3号局部质量发明原理,将后风道设计成“S”型走向,如图7所示,通过优化风道线型,采用多段导流结构,其具有与所在风道方向适配的导流方向,导流方向使风道内的热风和产生的冷凝水不断折向向下,充分提升换热面积,增加风阻,配合线型阻滞冷凝水流路径,理论上可以提高整机的冷凝效率。

▲图7 后风道优化方案

2.3 风量冲突求解

根据冲突分析,对比冲突矩阵表找到相对应的发明原理。笔者选取10号、19号及35号原理,同时采用科学效应库寻找到倍增风量的方法来对内筒进风口进行改进,如图8所示。将出风管设置成中空状态,内圈表面被设计成类似于机翼的形状,并带有一定倾角,运用流速越快,流体压强越小的伯努利原理以及翼型抬升原理,从而在不增加功耗和风机转速情况下成倍增加出风量。

▲图8 进风管道优化方案

3 洗干一体机改进方案验证

根据洗干一体机机组部件的设计尺寸和结构,分别构建改进前后的三维流场模型,并进行仿真研究,这是图1所示模型的第7步。假定空气采用不可压缩流体,考虑水和空气的重力影响,忽略流体之间的黏性作用,以及负载对水流的影响,基于两相流模型对洗衣的烘干状态进行仿真,数值模拟结果如下。

3.1 提升筋仿真分析

针对提升筋结构改进设计,运用仿真对比常用型提升筋和“蒜”球型提升筋对滚筒内水流的提升及负载的洗涤效果,图9为50 r/min下不同时刻点水流强度图。

▲图9 50 rpm下不同时刻点水流强度图

结果表明,对比不同时刻水流分布,“蒜”球型提升筋在与水流的相对运动中提升效果明显优于原模型,与理论分析结果一致。可以预见在烘干过程中“蒜”球型提升筋能够通过自身不断旋转使得提升筋的筋瓣对衣物进行碾动,减小衣物发生缠绕或打结的几率,进一步对衣物进行拉伸,从而缩短烘干时间,提升烘干效率。

进一步定量分析提升筋对剪切力的影响,由图10(a)可以看出,相同时刻,“蒜”球型的提升筋壁面剪切应力均大于原模型提升筋。壁面剪切应力大,可间接预测其对负载的提升力度大,更能提升烘干效率。图10(b)展示了不同时刻内筒与提升筋综合壁面剪切力,“蒜”球型提升筋内筒的壁面剪切应力均不同程度的高于原内筒,说明优化后的提升筋内筒的提升力度更大,可以预测烘干效率更高。

▲图10 50 r/min时剪切应力分析

3.2 后风道仿真分析

基于后风道改进设计,对后风道进行冷凝相变仿真计算,分析不同湍流模型、冷凝相变模型、传热模型、相间作用等对烘干效果的影响,图11为后风道逆向流动冷凝相变分布图。

结果表明:由于冷凝水的作用,在水管侧并靠近风道出口处温度得到降低,从水蒸汽组份的质量分数可知,此区域低于进口设置值,表明为冷凝位置较明显区域。从图11(b)中可以看出在风道背面靠上区域有较多离散的液滴附着,仿真捕捉到相同的体积分布。气流相对液相有较大的速度差,产生较大的剪切应力,将液相一部分从液膜内剥离开来,在向上飞升的过程中逐渐变成直径较小的液滴。

根据图11(c)后风道传质交换分布图结果可知,湿热空气与水逆向流动情况下,上部下来的水被从下部吹出来的湿热空气吹散,从而进行直接接触传热传质,水相占比介于0-1之间的区域其质量交换(潜热)能力越强,冷凝水量从12.2 g/min提升至15.9 g/min,增幅达到30%。

▲图11 后风道逆向流动冷凝相变分布图

3.3 内筒进风管道风量仿真分析

基于内筒进风管道风量改进设计,研究不同缝隙间距对质量流量和风量的影响。假定进风流量m0=0.034 kg/s,初始风温T0=383 K,外部Tair=300 K=27 ℃,变量参数:出风缝隙d,不考虑出风口对应的筒内压强。图12进风管道不同缝隙间距速度分布图。

▲图12 进风管道不同缝隙间距速度分布图

结果表明:当缝隙间距d=0.7 mm时,质量流量m2=0.119 kg/s,风量提升了250%;缝隙间距d=1.0 mm时,质量流量m2=0.098 kg/s,风量提升了188%;缝隙间距d=1.3 mm时,质量流量m2=0.089 kg/s,风量提升了134%。可知不同缝隙间距会对出风量产生影响,仿真结果表明改进方案的风量倍增结构能够使风量提升100%至300%,可以预测烘干效率显著。

4 实验测试

为验证改进方案的有效性,项目团队依托于国家重点实验室,在基于仿真分析基础上开展样机实验测试,分别验证标准负载在相同环境温度下的烘干效果。实验在改进机型与原机型进行对比的同时,加入市场主要友商同类机型进行分析,力求实验测试的客观性和科学性。

本实验环境温度设置为23 ℃,样机容量为洗7干4,分别测试不同机型耗电量、耗水量、含水量以及干衣时间,本项目中烘干效率主要体现为干衣时间。含水率则作为烘干效果测试指标,最佳含水率为0,但在实际使用中,受衣物重量、烘干均匀度、传感器等因素影响,在±3%以内已足以满足国标及实际使用要求。由表2测试数据可知,改进机型样机在额定条件下,烘干时间由原机型的283分钟缩减至238分钟,提效15.9%,相较其他友商有明显优势。含水率在原机型的-1.36%基础上提升到-0.28%,更加贴近理论最佳含水率,烘干效果突出。与此同时,改进机型样机在耗电量和耗水量上对比原机型和其他友商均存在较大幅度的领先。图13为整机样件和后风道优化方案手板展示,整体实验实际烘干效率提升15%以上,符合项目预期。