6.7. Кинематические процессы в стиральных машинах

Основным рабочим органом бытовых стиральных машин барабанного типа является перфорированный вращающийся барабан, в который помещается обрабатываемое белье. Механическое воздействие заключается в том, что изделия при вращении в барабане поднимаются за счет центробежных сил на определенную высоту и под действием силы тяжести падают в раствор, приобретая в момент удара о раствор и обечайку барабана максимальную кинетическую энергию. После этого изделия проходят через раствор, вновь поднимаются на определенную высоту, и цикл перемещения ткани изделий во вращающемся барабане повторяется. Интенсивность механического воздействия зависит от кинетической энергии, сообщаемой массе ткани, следовательно, зависит от диаметра барабана, уровня воды в баке, частоты вращения барабана, размера и числа гребней.

Барабан стиральной машины (рис. 6.13) является основным элементом, осуществляющим гидромеханическое воздействие на ткань изделий и обеспечивающим функциональные показатели стиральной машины: качество стирки, полоскания, отжима и степень износа ткани.

Расчет размеров и частоты вращения барабана производится при следующих задаваемых параметрах:

 масса загружаемой ткани изделий в сухом виде, кг;

 удельный объем смоченной ткани изделий, м³/кг;

 коэффициент загрузки барабана смоченной тканью изделий:

; (6.1)

 коэффициент длины барабана:

; (6.2)

 коэффициент центробежного ускорения (число Фруда), определяемый отношением центробежного ускорения на радиусе барабана, выраженного в м/с², к ускорению силы тяжести g=9,81 м/с²:

; (6.3)

, (6.4)

где  частота вращения барабана (об/мин.).

Величина центробежного ускорения на радиусе барабана равна произведению квадрата угловой скорости вращения барабана [с^1] на радиус барабана [м].

Оптимальные значения коэффициента центробежного ускорения определены в результате экспериментальных и теоретических исследований и находятся в пределах 0,750,82.

Значения массы загружаемой ткани изделий регламентируется требованиями отечественных и международных стандартов.

Величина удельного объема смоченной ткани изделий измеряется экспериментально, например, в мерном барабане и зависит от вида ткани. Для изделий из бязи находится в пределах 0,0075±0,0005 м³/кг.

Оптимальные значения коэффициента загрузки барабана , при которых обеспечивается нормируемый уровень качества стирки (показатель отстирываемости), определены в результате экспериментальных исследований и теоретических расчетов и находятся в пределах = 0,6  0,7.

Величина коэффициента загрузки барабана характеризует степень загрузки объема барабана смоченной тканью изделий. Например, если =0,65, то это означает, что барабан заполнен смоченной тканью изделий на 65%. При степени заполнения барабана более 70% наблюдается ухудшение качества стирки вследствие перезаполнения барабана.

Величина коэффициента длины барабана , определяемого отношением длины барабана к его диаметру, находится обычно в пределах = 0,55  0,60, а для узких стиральных машин = 0,35  0,45.

При проектировании стиральных машин значения диаметра и радиуса барабана рассчитываются по заданным значениям загружаемой предельной массы изделий и удельного объема смоченной ткани изделий . Объем заполнения барабана смоченной тканью изделий будет равен:

. (6.5)

Коэффициент загрузки (рис. 6.13) определяется отношением , или

. (6.6)

Сопоставляя выражения (6.85) и (6.86) получим:

, (6.7)

откуда определим диаметр барабана:

. (6.8)

Как показывает анализ формулы (6.8), диаметр барабана является функцией четырех факторов:

. (6.9)

Верхние пределы коэффициентов ≤0,7 и <0,6 определяются нормированными значениями показателей качества стирки. Если принять значения = 0,0075 м³/кг, = 0,65 и =0,6, то уравнение для расчета диаметра и длины барабана примет упрощенный вид:

, (6.10)

. (6.11)

Угловая скорость вращения барабана вычисляется по формуле:

, (6.12)

тогда частота вращения барабана (оборотов в минуту) определяется формулой (6.4) и равна:

. (6.13)

В процессе стирки отдельные части ткани изделий, находящиеся на различных расстояниях от оси вращения барабана, совершают циклическое движение: подъем к точке отрыва , падение по параболе через апогей до точки встречи , снова подъем и т.д. Коэффициент центробежного ускорения, или число Фруда зависит от величины радиуса орбиты, по которой движется ткань изделия, и определяется выражением:

. (6.14)

В зависимости от скорости вращения барабана и от коэффициента загрузки различают три типа движения ткани изделий, отличающихся поведением после точки отрыва (рис. 6.14): перекат, циклическое движение и центрифугирование. Эти режимы характеризуются различными значениями коэффициента Фруда .

Рис. 6.14. Траектория перемещения ткани во вращающемся барабане

Р  параметр параболы; F  фокус параболы; К  вершина параболы; _Rз и _Rб  углы отрыва по внутреннему и внешнему слоям. I  зона комкования; II  зона подъема; III  зона свободного полета

Перекат ткани изделий после отрыва со своей орбиты ( ) характерен небольшими значениями энергии, сообщаемой барабаном части ткани изделий, что приводит к скольжению данной части под действием силы тяжести по поверхности внутренних слоев всей ткани изделий. Этот режим работы неэффективен для стирки изделий, приводит к комкованию белья, поэтому при расчетах режимов работы барабана стиральных машин его избегают.

Режим циклического свободного падения или режим стирки ( ) наблюдается при более высоких, по сравнению с режимом переката, скоростях вращения барабана. После момента отрыва отдельные части ткани изделий летят по своим траекториям, практически не сталкиваясь в полете, обладают значительным запасом кинетической и потенциальной энергии, в основном и определяющим гидромеханические свойства барабана и обусловливающим качество стирки.

В режиме центрифугирования ( ) все изделие вообще не отрывается от своих орбит вращения. Этот режим характерен для больших скоростей вращения и принимается для отжима белья.

Координаты точки отрыва при втором режиме находятся из решения уравнения статики для сил, действующих на отдельную массу в момент отрыва:

. (6.15)

При вращении барабана стиральных машин загрузочная масса ткани изделий, ранее находившаяся в состоянии покоя, разделяется на две отдельные части: одна часть вращается вместе с барабаном, другая часть находится в свободном полете.