洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能策略設(shè)計(jì)七步法研究與實(shí)踐

井新宇

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系, 江蘇 江陰　214400)

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洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能策略設(shè)計(jì)七步法研究與實(shí)踐

井新宇

(江陰職業(yè)技術(shù)學(xué)院 電子信息工程系, 江蘇 江陰214400)

以家用洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能策略設(shè)計(jì)為目標(biāo),采用七步訓(xùn)練法開展3個(gè)層次的實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練:洗衣機(jī)重構(gòu)、自動(dòng)化改造、信息化控制與管理,并構(gòu)建信息家電的實(shí)踐創(chuàng)新工作室。實(shí)踐表明,七步訓(xùn)練法使學(xué)生具有持續(xù)的動(dòng)手興趣,硬件和軟件的開發(fā)能力明顯增強(qiáng),在團(tuán)隊(duì)協(xié)作中綜合素質(zhì)得到了較大的提高。

實(shí)踐創(chuàng)新； 自動(dòng)化改造； 信息化管理

洗衣機(jī)是比較典型的機(jī)電一體化家用電器產(chǎn)品,實(shí)驗(yàn)所需器材成本低,取之容易,在實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練的過程中,采用七步訓(xùn)練法,項(xiàng)目組成員分工合作,分享知識與技能,學(xué)生素質(zhì)得到了很好的培養(yǎng),而且知識與技術(shù)易于融會(huì)貫通,如傳感器、單片機(jī)應(yīng)用、通信、結(jié)構(gòu)構(gòu)造、物聯(lián)網(wǎng)等技術(shù),增加學(xué)生發(fā)明創(chuàng)造的興趣,對社團(tuán)和創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室建設(shè)具有實(shí)際的參考價(jià)值。洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),分為3個(gè)層次讓大學(xué)生利用所學(xué)、自學(xué)、與人合作的形式完成。一是洗衣機(jī)拆卸,認(rèn)識其部件,利用一些替換部件進(jìn)行整機(jī)安裝調(diào)試；二是從環(huán)保節(jié)能的角度考慮,以單片機(jī)為控制核心進(jìn)行自動(dòng)化改造,設(shè)計(jì)并實(shí)現(xiàn)全自動(dòng)洗衣機(jī)；三是以物聯(lián)網(wǎng)技術(shù)為核心,進(jìn)行信息化控制與管理的設(shè)計(jì)。

1　實(shí)踐創(chuàng)新項(xiàng)目的選擇

家用洗衣機(jī)大體由洗滌脫水系統(tǒng)、傳動(dòng)系統(tǒng)、進(jìn)排水系統(tǒng)、控制系統(tǒng)、減震支撐系統(tǒng)五大系統(tǒng)構(gòu)成[1]。設(shè)計(jì)五大系統(tǒng)融為一體有序工作,需要用到機(jī)械、電子和計(jì)算機(jī)控制等方面的知識與技能。

洗衣機(jī)的自動(dòng)化設(shè)計(jì)改造有助于提高學(xué)生工程分析與開發(fā)設(shè)計(jì)的能力,環(huán)保節(jié)能多種策略的設(shè)計(jì)有助于培養(yǎng)學(xué)生發(fā)明創(chuàng)新的興趣,推動(dòng)學(xué)生參加大學(xué)生電子設(shè)計(jì)競賽、發(fā)明杯競賽以及申請實(shí)用新型和發(fā)明專利,促進(jìn)大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)[2-3]。

2　實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練方案的設(shè)計(jì)

從新生入學(xué)起就要培養(yǎng)學(xué)生愛動(dòng)手的興趣和習(xí)慣。興趣是在動(dòng)手的過程中不斷取得成就和快樂而產(chǎn)生的,逐步就養(yǎng)成了愛動(dòng)手的習(xí)慣。在興趣的牽引和教師的指導(dǎo)下,有計(jì)劃開展實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練,學(xué)生的綜合職業(yè)能力就會(huì)取得不斷的進(jìn)步。家用洗衣機(jī)非常適合電類專業(yè)的學(xué)生開展實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練。洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能采用3層次實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練方案,見表1。

表1　洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能三層次實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練方案

教師利用專業(yè)選修課,以專業(yè)社團(tuán)為依托,在教與學(xué)的實(shí)踐中,以學(xué)生為中心,教師為主導(dǎo),團(tuán)隊(duì)為主體。在教師工作室、創(chuàng)新實(shí)驗(yàn)室等場所,“做、學(xué)、講”相結(jié)合,采用七步訓(xùn)練法:項(xiàng)目分析→信息收集→創(chuàng)新設(shè)計(jì)→制訂計(jì)劃→實(shí)施計(jì)劃→交流評價(jià)→總結(jié)完善,充分發(fā)揮學(xué)生愛思考、愛動(dòng)手和愛創(chuàng)新的特點(diǎn)[2]。

3　洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)

3.1洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能的基本策略

洗衣機(jī)的工作過程包括洗滌、漂洗、甩干、烘干,在每個(gè)過程,從材料、工藝、技術(shù)、結(jié)構(gòu)等方面進(jìn)行創(chuàng)新設(shè)計(jì),設(shè)計(jì)節(jié)能、健康、環(huán)保的新型洗衣機(jī)。

3.1.1降低噪音

洗衣機(jī)脫水時(shí)的噪音明顯高于洗滌時(shí),降噪著重于脫水階段。噪音的產(chǎn)生主要有:

(1) 電機(jī)噪音。

(2) 內(nèi)筒軸承噪音。內(nèi)筒軸和軸套存在著加工精度和裝配等問題,如果它們的軸線不能重合,使密封圈變形,軸承滾道進(jìn)入雜質(zhì)甚至出現(xiàn)滾珠銹蝕和破裂的現(xiàn)象就會(huì)產(chǎn)生噪音。

(3) 由于負(fù)載不平衡引起的噪音。在甩干過程中洗滌物不可能完全在內(nèi)筒壁周圍均衡分布,這是引起脫水噪音的一個(gè)重要原因。

3.1.2抑制霉菌滋生

洗衣機(jī)窗墊溝槽如不在洗衣機(jī)工作過程中及時(shí)清洗,容易藏住細(xì)菌,長霉發(fā)黑,這就要設(shè)計(jì)清洗的方式,及時(shí)清洗干凈,以防滋生霉菌,做到健康洗滌。

3.1.3自動(dòng)添加洗滌劑

洗衣機(jī)在洗滌過程中,通過檢測水質(zhì)的濁度和硬度的大小來自動(dòng)設(shè)置洗滌劑/柔順劑劑量的投放,以免洗滌劑過少洗不干凈,過多則需要很多的水進(jìn)行漂洗,造成浪費(fèi)。設(shè)計(jì)洗滌劑自動(dòng)添加技術(shù),提高洗滌效果的同時(shí)又能節(jié)能減排。

3.1.4水量自動(dòng)控制

設(shè)計(jì)洗衣機(jī)重力感應(yīng)系統(tǒng),洗滌過程中對洗滌物進(jìn)行高精度稱重,針對不同的洗滌物重量,使用不同的水量,避免水資源浪費(fèi)。

3.1.5洗凈即停及檢測濁硬度

自動(dòng)檢測洗滌、漂洗過程中水質(zhì)的污濁程度來判定衣物的干凈程度,洗衣機(jī)洗凈即停,檢測水質(zhì)濁硬度來控制洗滌劑的自動(dòng)投放,潔凈衣物的同時(shí)又省時(shí)降耗節(jié)水[4]。

列舉了以上洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能的策略,對這些策略的實(shí)現(xiàn)展開實(shí)踐創(chuàng)新設(shè)計(jì)與訓(xùn)練,對提高大學(xué)生創(chuàng)造力和綜合能力有很大幫助。

3.2七步法設(shè)計(jì)環(huán)保節(jié)能洗衣機(jī)

3.2.1第一步:項(xiàng)目分析

環(huán)保和節(jié)能是當(dāng)今重要的話題,也是工科研究的重要課題,洗衣機(jī)在家用和工業(yè)應(yīng)用方面非常廣泛,涉及節(jié)電、節(jié)水、排污以及噪聲等方面環(huán)保節(jié)能問題,作為大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練項(xiàng)目非常合適,所以項(xiàng)目為:洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)。

滾筒式洗衣機(jī)的能效遠(yuǎn)高于波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)和雙桶洗衣機(jī),但節(jié)能、節(jié)水還有待進(jìn)一步研究改進(jìn),當(dāng)代大學(xué)生應(yīng)該有志于這方面的研究實(shí)踐。從洗衣機(jī)電機(jī)選擇、洗滌過程控制以及洗滌劑和水量控制技術(shù)等方面創(chuàng)新設(shè)計(jì)為本項(xiàng)目的重點(diǎn)。

3.2.2第二步:信息收集

從電機(jī)效率的角度講,變頻技術(shù)在洗衣機(jī)上的應(yīng)用大大提高了洗衣機(jī)的用電效率,一般電機(jī)效率在40%～50%之間,而變頻電機(jī)效率可以達(dá)到80%以上,效率提高在50%以上,另外,變頻電機(jī)啟動(dòng)力矩大,又提高了洗凈性能,降低了能耗和噪聲。從洗滌過程講,洗滌浸泡算不上什么技術(shù),浸泡僅放在洗滌前,洗凈性能和能效不考慮浸泡作用。其實(shí)在用電量相同條件下,如果浸泡15 min,可以提高洗凈效率10%以上,使得用電效率大大提高。通過改變洗滌過程中波輪或滾筒的轉(zhuǎn)停比,將浸泡融入洗滌過程中,從單一的洗滌模式,變成為洗滌、浸泡、再洗滌、再浸泡的洗滌過程,使浸泡成為洗滌過程的一部分,從而大大提高了洗滌效果。針對不同的洗滌物重量,使用不同的水量,根據(jù)水質(zhì)判斷洗衣機(jī)洗凈即停,以及自動(dòng)投放洗滌劑[4]。做好環(huán)保節(jié)能洗衣機(jī)項(xiàng)目要收集洗衣機(jī)信息，以便研究分析。項(xiàng)目信息收集見表2。

表2　環(huán)保節(jié)能洗衣機(jī)信息收集表

3.2.3第三步:創(chuàng)新設(shè)計(jì)

創(chuàng)新設(shè)計(jì)的理念是模仿人工洗滌過程,提高洗滌質(zhì)量的同時(shí)做到環(huán)保節(jié)能。以單片機(jī)為核心的洗衣機(jī)控制系統(tǒng),引入了模糊推理技術(shù)。模糊型洗衣機(jī)無需人為按鍵設(shè)置水位、水流方式、洗滌時(shí)間、清洗時(shí)間和脫水時(shí)間,用戶只需放進(jìn)待洗衣物,按下啟動(dòng)鍵,洗衣機(jī)便能自動(dòng)完成洗滌過程,實(shí)現(xiàn)了真正的“全自動(dòng)”。

首先,創(chuàng)新設(shè)計(jì)洗衣機(jī)的控制邏輯。對檢測到的水溫、洗滌種類、濁硬度、洗滌物重量等物理量進(jìn)行模糊化處理,建立洗滌規(guī)則庫,實(shí)現(xiàn)對洗滌過程、洗滌劑用量、水量進(jìn)行自動(dòng)控制，所以,洗衣機(jī)自動(dòng)化設(shè)計(jì)采用模糊控制技術(shù)。洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖1。

圖1　洗衣機(jī)模糊控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

第二,由經(jīng)驗(yàn)分析制定模糊控制邏輯。洗滌物大致分為棉、化纖以及二者的混合物,棉織品洗滌相對困難,化纖品洗滌更易些；衣量多一些,則洗滌過程長一些,反之則短一些。水質(zhì)的濁硬度、水位以及水溫均可以用傳感器來檢測。模糊洗衣機(jī)的控制系統(tǒng)可以設(shè)計(jì)為3個(gè)輸入變量:洗滌物種類、洗滌物負(fù)載和水溫；2個(gè)輸出變量:洗滌時(shí)間和洗滌強(qiáng)度。分析模糊控制系統(tǒng)并制定模糊控制規(guī)則表。

第三,模糊推理建模糊控制規(guī)則表。輸入量含義,洗滌物種類用m代表:m=0、1,分別表示化纖織品偏多和棉織品偏多；水溫用t代表:t=0、1,分別表示水溫偏高和一般；洗滌物負(fù)載用l代表:l=0、1、2,分別表示偏小、中等、偏大。根據(jù)輸入量的各種組合,制定模糊規(guī)則表,見表3。模糊規(guī)則由3個(gè)輸入量構(gòu)成了一張三維數(shù)據(jù)表,規(guī)則表以三維數(shù)組的形式存儲,2個(gè)輸出量含義:洗滌時(shí)間用Tm[m][t][l]代表:0、1、2分別表示洗滌時(shí)間短、中等、長；洗滌強(qiáng)度用Pw[m][t][l]代表:0、1、2分別表示洗滌強(qiáng)度為弱、中等、強(qiáng)。

表3　模糊控制規(guī)則三維數(shù)組表

根據(jù)表3,把洗滌時(shí)間Tm[m][t][l]=0、1、2分別確定為具體浸泡時(shí)間、洗滌時(shí)間和脫水時(shí)間的長短,以此來順序執(zhí)行洗滌流程；把Pw[m][t][l]= 0、1、2分別確定為電機(jī)的旋轉(zhuǎn)速度[5-6]。

3.2.4第四步:制訂計(jì)劃

根據(jù)創(chuàng)新設(shè)計(jì)的思路和方案,按如下流程制訂實(shí)施計(jì)劃:方案設(shè)計(jì)→系統(tǒng)資源分配→硬件框圖和軟件組成設(shè)計(jì)→硬件電路設(shè)計(jì)→軟件編程→調(diào)試與運(yùn)行→撰寫報(bào)告、論文、作品說明書以及PPT匯報(bào)。

3.2.5第五步:實(shí)施計(jì)劃

洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能創(chuàng)新設(shè)計(jì)按照制定的計(jì)劃實(shí)施,過程中需要不斷完善修正[7]。洗衣機(jī)電腦控制器硬件結(jié)構(gòu)見圖2,洗衣機(jī)模糊控制工作流程見圖3。

圖2　洗衣機(jī)電腦控制器硬件結(jié)構(gòu)圖

圖3　洗衣機(jī)模糊控制工作流程圖

3.2.6第六步:交流評價(jià)

學(xué)生制作PPT進(jìn)行匯報(bào),并結(jié)合作品演示,由教師和學(xué)生組成答辯組進(jìn)行課題答辯。PPT匯報(bào)主要包括方案設(shè)計(jì)、硬件和軟件設(shè)計(jì)以及調(diào)試運(yùn)行,要突出設(shè)計(jì)的創(chuàng)意創(chuàng)新策略以及實(shí)現(xiàn),特別要注意環(huán)保節(jié)能的對比,以實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析說明。

3.2.7第七步:完善總結(jié)

在課題設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)的過程中,一方面研究作品有哪些需要完善，另一方面改進(jìn)團(tuán)隊(duì)合作,使其工作更好。為了使我們的生活更美好、更生態(tài)環(huán)保,對家電環(huán)保節(jié)能提出改造和研究的設(shè)想。

4　實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練工作室

洗衣機(jī)節(jié)能環(huán)保實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練工作室主要功能:開設(shè)專業(yè)選修課,采用師傅帶徒弟、學(xué)長帶學(xué)弟學(xué)妹的形式,以洗衣機(jī)為典型案例,融合擴(kuò)展到新型機(jī)電一體化設(shè)備的創(chuàng)意設(shè)計(jì)制作,培養(yǎng)學(xué)生愛動(dòng)手、愛創(chuàng)新的精神,提高工程開發(fā)與創(chuàng)新能力。

工作室按功能劃分為5個(gè)區(qū):實(shí)踐動(dòng)手區(qū)、創(chuàng)意討論區(qū)、設(shè)計(jì)開發(fā)區(qū)、材料準(zhǔn)備區(qū)和成果展示區(qū),見圖4。

圖4　洗衣機(jī)節(jié)能環(huán)保實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練工作室平面圖

學(xué)生在工作室需要開展的工作如下:

(1) 半自動(dòng)洗衣機(jī)、波輪式全自動(dòng)洗衣機(jī)和滾筒式全自動(dòng)洗衣機(jī)拆卸、安裝以及零部件購買,替換洗衣機(jī)部件并重構(gòu)洗衣機(jī),做到認(rèn)識并熟悉洗衣機(jī)維修,提高動(dòng)手能力和動(dòng)手實(shí)踐的興趣。

(2) 組成團(tuán)隊(duì)小組,針對洗衣機(jī)節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)進(jìn)行創(chuàng)意討論、開展洗衣機(jī)全自動(dòng)節(jié)能環(huán)保設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)、構(gòu)建基于物聯(lián)網(wǎng)的信息化控制與管理網(wǎng)絡(luò),見圖5[8-10]。

圖5　洗衣機(jī)信息控制與管理結(jié)構(gòu)示意圖

(3) 進(jìn)行創(chuàng)意設(shè)計(jì)開發(fā)、申請專利、參加發(fā)明類和電子設(shè)計(jì)類競賽。

5　總結(jié)與展望

大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練旨在激發(fā)引導(dǎo)廣大學(xué)生創(chuàng)新創(chuàng)意創(chuàng)業(yè)的熱情和興趣,不僅要有遠(yuǎn)大的理想目標(biāo),更要有實(shí)干的精神和行動(dòng)。實(shí)踐證明,通過大學(xué)生實(shí)踐創(chuàng)新訓(xùn)練的開展,采用洗衣機(jī)作為訓(xùn)練載體,著眼于環(huán)保節(jié)能策略的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn),訓(xùn)練學(xué)生實(shí)際動(dòng)手能力的同時(shí),增強(qiáng)他們的環(huán)保意識,由日常生活中洗衣機(jī)環(huán)保節(jié)能的改進(jìn),擴(kuò)展到多種家電產(chǎn)品的節(jié)能改造與設(shè)計(jì),采用物聯(lián)網(wǎng)的技術(shù)手段,以信息家電為主,通過室內(nèi)建設(shè)信息家居創(chuàng)新訓(xùn)練實(shí)訓(xùn)室、戶外建設(shè)新能源環(huán)境參數(shù)采集與監(jiān)控系統(tǒng),培養(yǎng)創(chuàng)新型人才。

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Research and practice on seven-step method based on strategy design of washing machine with enviromental protection and energy-saving functions

Jing Xinyu

(Department of Electronic and Information Engineering, Jiangyin Polytechnic College,Jiangyin 214400, China)

The functions of environmental protection and energy-saving of household washing machine are the design goal. Mainly the seven-step training method is used. It conducts three levels of innovation in practical training. It includes the washer reconstruction, automation reform and informationization control and management. It constructs the practice innovation studio of information appliances.Practice shows that the seven-step training method enables students to have a continuing interest with hands. Their development capabilities of hardware and software are significantly enhanced. The overall quality of the team has been greatly improved.

practical innovation; automation reform; informationization management

10.16791/j.cnki.sjg.2016.09.053

職業(yè)技術(shù)教育

2016-03-17

井新宇(1971—),男,江蘇江陰,碩士,副教授,系主任,研究方向?yàn)閮x器儀表及系統(tǒng).

E-mail：j_xinyu@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0200-04