基于家用洗衣機的性能測試環境實驗室建設

柳勝耀， 李 瑛， 趙四海， 黃彩鳳， 方 杰

(上海理工大學 能源與動力工程學院，上海 200093)

0 引 言

目前國內很多洗衣機生產企業尚未建立相應自動化檢測設備。傳統的測試實驗室測試工作繁重、測試周期長、工況不穩定等因素影響著測試結果。那么研究和開發具有良好可靠性、穩定性和精確度的洗衣機性能試驗裝置成為了一種必然需求。性能實驗室的使用不僅可高效、精確地開發、測試、鑒定新型洗衣機，而且對企業提高洗衣機的市場競爭力、對國家環保節能的要求都擁有巨大的經濟與社會意義[1]。

檢測洗衣機的漂洗性能及去污能力時，對漂洗布的存放溫濕度、洗衣機的測試環境及水溫等有較高要求[2]。鑒于以上問題并參照標準GB/T 4288—2008《家用和類似用途電動洗衣機》[3]，結合現代化的控制理論和方法，通過對實驗室的要求技術進行深入分析研究，研制了一套以節能為前提，測試精度高、工況過渡時間短的洗衣機性能測試環境實驗室。

1 實驗原理及要求

性能實驗室主要是為洗衣機性能檢測提供所需環境工況，并按技術要求為洗衣機測試提供所需水溫水壓，結合現代數據采集系統自動輸出洗衣機水溫、進水量、功率及消耗電量等。為精確檢測漂洗布的洗凈率，并建造一間溫濕度可控的儲存漂洗布的環境室，測試室布置如圖1。性能測試過程中，測試人員只需輸入實驗室環境工況，設定洗衣機進水溫及壓力，試驗系統即可快速達到所需工況并進入自動控制模式采集記錄參數，判斷實驗結果是否符合國家標準。

圖1 系統布置圖

根據國標及測試產品的需求，實驗室的設計要求如下：房間及儲存室干球溫度(23±2) ℃，濕度60%～70%，風速不作具體要求；供電電壓在額定電壓的±5%內；恒溫冷水箱提供水溫:15～30 ℃可調，恒溫熱水箱提供水溫:5～60 ℃可調，供水壓力在(0.24±0.02) MPa范圍內；從初始工況到穩定試驗過渡時間應≤1.5 h[3-4]。

2 洗衣機性能測試實驗室的設計

2.1 制冷系統

在研究建筑特性、地理位置之后，并根據實驗室工況要求，采用了利用屬于低品位能源的空氣源制冷系統。與水冷式相比較，不需冷卻塔及冷卻水系統，使制冷系統更簡潔更節能；且使控制系統更穩定。制冷系統設計原理圖如圖2所示，系統包括四個分系統。潤滑油回路：作用保證壓縮機內部良好的潤滑、密封、降溫及能量調節等功能；噴液回路：根據回氣溫度調整噴液閥，避免壓縮機吸氣溫度過高；制冷系統主回路：通過合理控制制冷量流量完成工況[5-9]。

從提高能源利用率出發采用風冷變頻制冷機組，可實現2～6HP制冷量間連續無級調節。由于受檢測洗衣機的能耗和實驗室濕度變化范圍很大，機組采用變頻風機調節冷凝壓力，利用電子膨脹閥調節過熱度可調[10-11]。這種制冷系統經調試證明能夠實現變工況調節、變蒸發壓力調節，與定轉速制冷機組相比約可以節約7%的能量。

圖2 制冷系統設計圖

2.2 空氣處理系統

空氣處理系統是將實驗室環境處理到規定工況，該系統由空氣處理柜、空冷式制冷機組、循環風機、電加濕器、電加熱器、溫濕度傳感器、調節器、變換器、執行器等組成。

圖3是實驗室空氣處理圖，氣流組織為上送下回且為全面孔板送風。為減小工作區域溫度梯度，這里在孔板送風之前增加穩壓層以提高孔板送風的均勻度[10]。為滿足干球溫度(23±2) ℃、相對濕度60%～70%的條件，采用蒸發器降溫與電加熱器升溫來控制干球溫度，回風經蒸發器降溫之后通過電加熱器升溫到所需控制溫度，采用PID控制希曼頓SCR三相調功器調節加熱器的加熱量15 kW以精確控制干球溫度。相對濕度控制采用電加濕器和蒸發器結合使用。在最惡劣工況干球溫度21 ℃，相對濕度為60%時，查表空氣的濕球溫度約為16 ℃。蒸發器蒸發壓力約0.4 MPa,蒸發溫度約3～4 ℃。采用7.5 kW Carel電極式加濕器加濕，由此完成相對濕度的控制[12]。

圖3 空氣處理圖

儲存間空氣處理系統與上述方法相同，不再贅述。

2.3 恒溫水系統

針對系統水溫要求，設計水箱容積1 m3的冷水和水箱容積0.8 m3的熱水兩個恒溫水系統。冷、熱水箱的冷源采用7HP風冷冷水機組，熱水箱熱源采用40 kW儲水式電熱水器，冷水箱熱源采用內置式電熱水器。為提高控制精度并減少設備用地設計了如圖4所示的水系統圖[4]。其中②為冷水機組，其冷凍水循環分為三路：一路到達板式換熱器④與冷溫水箱⑥換熱；一路到達熱水箱板式換熱器與熱水箱⑧換熱；最后一路為儲存間的空調柜提供冷量。

①軟水器,②7HP冷水機組,③供水泵,④板式換熱器,⑤三通閥⑥冷水溫水箱,⑦電熱水器,⑧熱水箱,⑨膨脹水箱,⑩1～6測試工位

圖4 恒溫水系統圖

冷溫水箱溫度通過三通閥⑤調節旁通量控制冷溫水箱所需冷量，并通過水箱中的電加熱器熱量補償控制。熱水箱加熱量較大，使用儲水式電熱水器⑦為其提供熱量，冷量由冷水機組提供。通過控制冷、熱水的交換量控制熱水箱水溫。為減少測試等待時間并保證洗衣機用水溫度恒定，冷溫水與熱水系統始終處于自循環狀態。保證了水系統各處的溫度相同，無論何時為洗衣機供水都能達到設定值。且供水泵使用變頻泵，不僅保證了水流量而且準確控制了出水水壓。

2.4 數據采集與電氣控制系統

該系統控制部分主要由熱電阻、電磁水流量計、壓力傳感器、溫濕度傳感器、數據采集儀、PID控制器和PC機等組成[13]。

實驗室和儲存間工況測量及控制選用可直接DC輸出的VAISALA溫濕度變送器，因為鉑電阻性能很穩定，常用作標準測量溫度器件[14]，恒溫水箱系統測量及控制選用A級鉑電阻。水系統壓力測量采用PTX型量程0.5 MPa的壓力傳感器，流量測量采用AXF型電磁流量計。表1為實驗室需要的測量儀表。

表1 洗衣機實驗室測量儀表

實驗室的電氣系統分為兩部分，一部分是系統送電之后便立即得電的調節器、數據采集儀、數字功率計等儀表；另一部分是由PLC控制的執行器。

實驗室采用的PLC自身帶有12個輸入端子和8個輸出端子，并且支持I/O端子模塊的插入。可通過I/O擴展插板來增加PLC的輸入輸出端子以滿足實際操作中的端口需要。空氣處理系統中需要調節送風溫度、送風量和相對濕度，PLC控制則針對加熱和冷卻以及加濕量進行調節，從而控制制冷壓縮機的轉速、無級電加熱器的功率、循環風機的轉速。水箱中的液位控制應用浮子開關，僅作為報警使用。溫度控制通過熱電阻轉換，得到偏差經過PID調節控制加熱裝置和板式換熱器[15-16]，并在控制回路中增加電磁三通閥改變板式換熱器的換熱量，這樣以提高系統的能源利用率[15]。供水壓力通過改變供水泵的轉速來改變。

數據采集儀主要采集空氣處理系統的溫濕度和恒溫水系統中的水溫、水壓、流量、功率和耗電量。實驗室上位機通過串口連接，PLC采用了RS-232C通信，房間溫度、濕度，冷、熱水箱供水溫度、供水壓力及洗衣機進水的控制的調節器使用UT55A調節器。這6個調節器采用RS485通信，而MW100數據采集儀則因為數據量較大，采用了TCP/IP協議。

測試軟件部分采用Delphi編程軟件,根據工作流程將軟件主要分為四個部分：試驗參數設置、數據采集、測試報表生成和數據庫管理。采用Windows操作系統，應用多線程編成技術，這樣各種儀表分別獨立進行采樣控制、互不干擾。

3 測試結果分析

在以上設計的基礎上，將實驗臺搭建于上海市某質量檢驗局。完成硬件調試后，對某公司一臺洗衣機進行連續1 h測試。為檢測實驗室工況過渡時間，現以1 min為間隔時間記錄房間的溫濕度并繪制成圖5。工況及水系統溫度到達要求后，開始測試，圖6為0～60 min內洗衣機各參數記錄。

圖5 溫濕度采樣曲線

圖6 洗衣機性能檢測參數

經過測試，該實驗室溫度偏差為±0.5 ℃，遠在±2 ℃之內；濕度偏差為±1.5%，滿足要求。洗衣機進水設定溫度為30 ℃，水溫波動±0.2 ℃。累積用水流量為122.72 L,用水量26.42 L/kg。根據GB/T 4288-2008《家用和類似用途電動洗衣機》對用水量的評定為B級，這個結果與該洗衣機原有等級評定結論一致。根據以上數據，該實驗室的實際測試效果滿足設計要求。

在實驗室系統方面，經過了超過5 d的連續運行，各參數的控制在長時間內保持了較高精度的狀態，各類設備運行正常，整體試驗結果符合設計要求。

4 結 語

介紹了6工位洗衣機性能測試實驗室設計的基本原理，針對制冷系統、空氣處理系統、恒溫水系統及電器設計部分做了詳細介紹，并對本實驗室的節能措施和系統控制過程進行了重點闡述。該試驗室已經成功運行，實驗結果表明該系統能精確控制實驗工況和實驗水溫，并能準確獲得被測洗衣機輸入功率、累積流量等數據。本實驗室對洗衣機性能檢測實驗室的研制有參考價值。

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