一種新型節(jié)能型洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

方浩丞　王春峰　郭麗

摘 要

洗衣機(jī)早已成為人們生活中不可或缺的家用電器，目前洗衣機(jī)通常采用排水閥進(jìn)行排水的通斷操作。一旦排水閥失效后，洗衣機(jī)則無(wú)法進(jìn)行排水或儲(chǔ)水。同時(shí)，據(jù)調(diào)查數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有的洗衣機(jī)普遍存在內(nèi)外雙筒，都存在浪費(fèi)水和儲(chǔ)水臟的問(wèn)題。本文在分析現(xiàn)有洗衣技術(shù)存在問(wèn)題的基礎(chǔ)上，對(duì)原有洗衣機(jī)的結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)，采用新型排水裝置，以期實(shí)現(xiàn)衣物清洗效果好，且省水節(jié)能的目的。

關(guān)鍵詞

洗衣機(jī);排水裝置;無(wú)儲(chǔ)水結(jié)構(gòu)

中圖分類(lèi)號(hào)： TM925.33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼： A

DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.008

0 引言

隨著人民生活水平的不斷提高，環(huán)保理念的不斷深入，人們對(duì)產(chǎn)品質(zhì)量和性能的要求也不斷提升。對(duì)洗衣機(jī)而言，越來(lái)越多的人開(kāi)始注重產(chǎn)品的潔凈效果和節(jié)水性能。市場(chǎng)上常見(jiàn)的洗衣機(jī)類(lèi)型通常為波輪式、滾筒式。據(jù)調(diào)查，目前市面上暫未出現(xiàn)不用排水閥即可實(shí)現(xiàn)切換排水通斷操作的自動(dòng)化洗衣機(jī)。調(diào)查數(shù)據(jù)表明，現(xiàn)有的洗衣機(jī)存在內(nèi)外雙筒，普遍都存在浪費(fèi)水和儲(chǔ)水臟的問(wèn)題。

本設(shè)計(jì)采用的新型拋力排水裝置、壓揉式洗衣裝置，有別于現(xiàn)有的波輪、滾筒洗衣技術(shù)，能夠使盛水桶與洗衣分離，以實(shí)現(xiàn)降低排水系統(tǒng)的故障率;減少桶壁余水二次污染;節(jié)約水電的目的。

1 現(xiàn)有洗衣技術(shù)的分析

1.1 洗衣方式的分析

1.1.1 波輪式洗衣

波輪式洗衣機(jī)通過(guò)底盤(pán)裝有帶有突出筋的圓形波輪，水流在波輪的帶動(dòng)下形成帶有方向性的渦流，帶動(dòng)織物跟著旋轉(zhuǎn)、翻滾，從而使衣服上的污垢清除。

波輪洗衣機(jī)具有結(jié)構(gòu)比較簡(jiǎn)單、維修方便、洗凈率高等優(yōu)點(diǎn)，但對(duì)衣物磨損率較大，不適合清洗高檔真絲等衣物。又因其洗衣方式必須保證水能夠溢過(guò)全部衣物，所以該洗衣機(jī)洗衣時(shí)需耗費(fèi)大量的水，造成水資源的浪費(fèi)。

1.1.2 滾筒式洗衣

滾筒洗衣機(jī)通過(guò)利用電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)滾筒旋轉(zhuǎn)，使得衣物在桶里不斷地重復(fù)被舉起、摔下的運(yùn)動(dòng)，模擬出人們用棒槌打衣物的動(dòng)作。通過(guò)這種重復(fù)運(yùn)動(dòng)，再加上水和化學(xué)試劑的共同作用，從而使衣物洗凈[1]。

滾筒洗衣機(jī)具有洗衣過(guò)程中衣物不易纏繞、對(duì)衣物的磨損率較低、洗滌過(guò)程中所需的水較少等優(yōu)點(diǎn)，但由于其本身的洗滌手法較為溫和，洗凈率較低。只能通過(guò)加熱的方式來(lái)激發(fā)洗衣試劑的活性和增加洗滌時(shí)間等方式來(lái)得到較好的洗滌效果。這樣做的弊端也顯而易見(jiàn)，無(wú)論是加熱還是增加洗滌時(shí)間，耗電量的增加都是不可避免的。

1.2 排水裝置的分析

1.2.1 排水閥排水

波輪式洗衣機(jī)一般采用排水閥通斷的方式進(jìn)行排水控制。一般洗衣機(jī)排水閥分為直流和交流兩種，電壓為220V，通常采用電磁閥帶動(dòng)排水閥進(jìn)行工作。

洗衣機(jī)排水閥的電磁閥原理是當(dāng)電流通過(guò)線圈的時(shí)候，就會(huì)促進(jìn)轉(zhuǎn)動(dòng)，從而讓洗衣機(jī)能夠順暢排水。洗衣機(jī)排水閥的電磁閥在工作的時(shí)候，交流電壓和線圈會(huì)連接在一起，進(jìn)而形成一個(gè)電磁場(chǎng)，排水閥就會(huì)自動(dòng)打開(kāi)閥門(mén)，洗衣機(jī)里的水就可以直接從洗衣機(jī)排水閥排出去了。而當(dāng)洗衣機(jī)的交流電壓斷電之后，電磁場(chǎng)就會(huì)消失，洗衣機(jī)排水閥就會(huì)停止工作，閥門(mén)自動(dòng)關(guān)閉，洗衣機(jī)里的水就無(wú)法排除。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前排水閥出現(xiàn)故障的概率較高，主要有以下幾個(gè)原因：①排水閥損壞，需要通過(guò)更換排水閥來(lái)解決;② 電腦板內(nèi)的排水可控硅壞了，可以通過(guò)更換電腦板來(lái)解決。

1.2.2 利用排水泵排水

滾筒式洗衣機(jī)一般采用排水泵通斷的方式進(jìn)行排水控制。排水泵由開(kāi)啟式單向罩級(jí)電機(jī)和葉輪組成。正常洗滌時(shí)，整個(gè)排水系統(tǒng)都充滿了水，但排水管管口所設(shè)置的高度高于盛水桶的水位，故水不能順利流出。排水時(shí)，排水泵通電運(yùn)轉(zhuǎn)，將水加壓從排水管排出。盛水桶的水經(jīng)排水波紋管到過(guò)濾器，再到排水泵連接管，經(jīng)排水泵排出[2]。

據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，目前排水泵出現(xiàn)故障的概率同樣較高，主要有以下幾個(gè)原因：①過(guò)濾器上的絨毛、污物積存過(guò)多，使過(guò)濾網(wǎng)孔堵塞，因而造成排水速度慢。需通過(guò)定期清洗過(guò)濾器，以此來(lái)保證排水的通暢;②排水泵壞了，需要通過(guò)更換排水泵來(lái)解決問(wèn)題;③排水泵的葉輪被衣物纏繞，需通過(guò)手動(dòng)將其分離并檢查過(guò)濾等方式來(lái)解決。

2 洗衣機(jī)整體方案的設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)由洗衣筒、洗衣裝置和驅(qū)動(dòng)洗衣筒轉(zhuǎn)動(dòng)的驅(qū)動(dòng)裝置組成，洗衣筒的內(nèi)部設(shè)置有若干排水孔，排水孔外設(shè)有新型排水裝置。洗衣機(jī)整體結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

①旋盤(pán);②取放窗口;③側(cè)壁窗口;④滾珠;

⑤安裝板;⑥固定板;⑦升降結(jié)構(gòu);⑧驅(qū)動(dòng)電機(jī)

洗衣機(jī)包括外機(jī)身和門(mén)體，其工作流程：將衣物從側(cè)門(mén)放入桶內(nèi)，合上側(cè)門(mén)，按啟動(dòng)按鈕，位與筒頂?shù)碾姍C(jī)動(dòng)作，升降桿帶動(dòng)旋盤(pán)向下運(yùn)動(dòng)。當(dāng)升降桿向下運(yùn)動(dòng)到限位點(diǎn)，電機(jī)停止動(dòng)作，注入水和洗衣液，馬達(dá)帶動(dòng)旋盤(pán)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，旋盤(pán)轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，堵孔球堵住限位孔，使水無(wú)法在洗衣階段排除。轉(zhuǎn)動(dòng)到指定時(shí)間，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，接著帶動(dòng)桶的馬達(dá)開(kāi)始轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)過(guò)程中，所述新型排水裝置上的堵孔球離開(kāi)限位孔，水從排水孔排出。轉(zhuǎn)動(dòng)至指定時(shí)間，馬達(dá)停止轉(zhuǎn)動(dòng)，堵孔球重回限位孔。

3 樣機(jī)結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

3.1 排水裝置的設(shè)計(jì)與制作

排水裝置的設(shè)計(jì)上要考慮脫水時(shí)，水流能夠流暢排放;揉洗衣物時(shí)，能夠儲(chǔ)存水量，不泄露;同時(shí)還要考慮到與洗衣機(jī)外壁的安裝配合。為此，先用Solidworks軟件進(jìn)行了排水裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，進(jìn)而采用3D打印技術(shù)完成了產(chǎn)品的實(shí)物制作。

3.1.1 排水裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

整體的排水裝置，是由多塊排水結(jié)構(gòu)（圖2）組成。每一塊排水裝置的結(jié)構(gòu)尺寸為170x50x200mm（長(zhǎng)、寬、高），在該結(jié)構(gòu)上設(shè)計(jì)有細(xì)長(zhǎng)型的排水通道，內(nèi)表面采用弧面形，與洗衣桶相吻合。在排水孔中放置擋水球，不需要排水時(shí)，小球會(huì)擋住排水裝置下方的出水口。

用Solidworks軟件首先通過(guò)凸臺(tái)拉伸，完成20x170x50的立方體的建模;緊著通過(guò)拉伸切除，完成內(nèi)腔的切除;然后利用掃描去除特征，進(jìn)行10與水平方向夾角為30°的排水通道的設(shè)計(jì);最后進(jìn)行出水口的設(shè)計(jì)。設(shè)計(jì)后的產(chǎn)品模型如圖2所示。

3.1.2 排水裝置的實(shí)物制作

在產(chǎn)品的實(shí)物制作上，結(jié)合現(xiàn)有的設(shè)備和技術(shù)，采用了3D打印技術(shù)完成了該產(chǎn)品的制作。3D打印技術(shù)是基于“離散/堆積成型”的成型思想，用層層加工的方法將成型材料“堆積”而形成的實(shí)體零件，也稱(chēng)為“快速成型技術(shù)”或“疊加制造技術(shù)”。打印材料主要由塑料、光敏樹(shù)脂、金屬、橡膠、陶瓷等。由于該模型上有一個(gè)細(xì)長(zhǎng)型的排水通道，采用塑料分層打印，產(chǎn)品的質(zhì)量過(guò)于粗糙。為了保證細(xì)長(zhǎng)孔的質(zhì)量，考慮到成本等因素，采用了液態(tài)樹(shù)脂作為3D打印材料，進(jìn)行了排水裝置的實(shí)物制作。產(chǎn)品的實(shí)物如圖3所示。

3.2 升降結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)與制作

目前，應(yīng)用較多的升降結(jié)構(gòu)主要分以下幾種：①按結(jié)構(gòu)分，一是柱式垂直升降結(jié)構(gòu)，二是剪式升降結(jié)構(gòu);②按動(dòng)力源分，一是氣動(dòng)或液壓，二是電動(dòng)。

通過(guò)優(yōu)化設(shè)計(jì)分析，最終選用剪式升降結(jié)構(gòu)。該升降結(jié)構(gòu)有以下優(yōu)點(diǎn)：①穩(wěn)定性高，可承重量大;②該結(jié)構(gòu)普遍應(yīng)用于現(xiàn)有升降機(jī)和家用需升降的電器中，具有較為成熟的技術(shù)支持;③該結(jié)構(gòu)較為簡(jiǎn)易，設(shè)計(jì)和生產(chǎn)時(shí)，難度大幅度降低。

采用Solidworks軟件進(jìn)行升降結(jié)構(gòu)的三維實(shí)體建模，采用結(jié)構(gòu)分析軟件對(duì)整體的結(jié)構(gòu)特性進(jìn)行有限元分析，然后依據(jù)分析結(jié)果，對(duì)結(jié)構(gòu)的優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行指導(dǎo)，最后優(yōu)化選型后的機(jī)構(gòu)[2]，如圖4所示。采用鋁合金進(jìn)行實(shí)物的加工制作，如圖5所示。

3.3 樣機(jī)的洗衣過(guò)程

樣機(jī)是在現(xiàn)有洗衣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行了結(jié)構(gòu)改造。洗衣機(jī)內(nèi)放入待洗衣物，PLC發(fā)出脈沖使電機(jī)開(kāi)始正轉(zhuǎn)，電機(jī)帶動(dòng)圖5中的線開(kāi)始松繞，線繞在升降結(jié)構(gòu)的底部帶動(dòng)升降結(jié)構(gòu)向下做直線運(yùn)動(dòng)。當(dāng)升降結(jié)構(gòu)下端所固定的托盤(pán)運(yùn)動(dòng)到指定位置時(shí)，PLC停止發(fā)出脈沖，電機(jī)停止動(dòng)作，此時(shí)托盤(pán)與衣物有相對(duì)擠壓的趨勢(shì)。

手動(dòng)啟動(dòng)現(xiàn)有洗衣機(jī)，洗衣機(jī)底部的旋盤(pán)在底部電機(jī)的帶動(dòng)下開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，在托盤(pán)的相對(duì)擠壓下，使得模擬出人手洗衣的動(dòng)作，因?yàn)榕潘吧系牟糠挚妆挥酶羲牧隙伦?，使得在洗衣階段水無(wú)法從孔中排出，其余孔上均安有所設(shè)計(jì)的排水裝置，在洗衣階段由于小鋼珠堵住排水裝置上的排水口，故水無(wú)法排除，從而達(dá)到設(shè)計(jì)的目的。

洗衣階段結(jié)束后，PLC發(fā)出脈沖使電機(jī)開(kāi)始反轉(zhuǎn)，線繞在升降結(jié)構(gòu)的底部帶動(dòng)升降結(jié)構(gòu)向上做直線運(yùn)動(dòng)，但升降結(jié)構(gòu)底端運(yùn)動(dòng)到起始位置時(shí)，PLC停止發(fā)出脈沖，電機(jī)停止動(dòng)作。洗衣機(jī)底部的電機(jī)帶動(dòng)桶開(kāi)始旋轉(zhuǎn)，實(shí)現(xiàn)脫水的目的，在脫水過(guò)程中，所設(shè)計(jì)的排水裝置里的小鋼珠由于受到力的作用沿既定軌道開(kāi)時(shí)向上運(yùn)動(dòng)，離開(kāi)排水孔，使得水從孔中順利排出，洗衣機(jī)底部的電機(jī)不斷減速直至停止轉(zhuǎn)動(dòng)，至此這個(gè)洗衣過(guò)程完成。

4 樣機(jī)的洗衣測(cè)試及數(shù)據(jù)分析

4.1 實(shí)驗(yàn)方法

實(shí)驗(yàn)材料為相同的純白色毛巾，分別將其在1000ml的咖啡中浸泡10分鐘，液體為不加洗滌劑的清水，以便直接觀察清洗結(jié)果[3]。

4.2 清洗方法

實(shí)驗(yàn)采用一臺(tái)未經(jīng)改造的7.5公斤小鴨波輪式洗衣機(jī)和一臺(tái)用相同型號(hào)進(jìn)行改造后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)。

將毛巾分為3份，每份毛巾的重量為500g分別將3份毛巾編號(hào)為A，B，C，同時(shí)放入相同濃度的咖啡中浸泡10min，10min后將三分毛巾同時(shí)取出，將A組放入未改造的洗衣機(jī)中，將B組放入改造后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)中，將未改造的洗衣機(jī)設(shè)置為常規(guī)清洗模式，同時(shí)啟動(dòng)兩臺(tái)洗衣機(jī)，將C組放入20L的清水中浸泡，洗滌時(shí)間如表1。

4.3 檢測(cè)過(guò)程

在兩臺(tái)洗衣機(jī)進(jìn)水口處均裝有相同水表，用來(lái)監(jiān)控洗衣時(shí)的用水量;在兩臺(tái)洗衣機(jī)的插口處均裝有相同型號(hào)的數(shù)顯微型電度表，用來(lái)監(jiān)控洗衣時(shí)是耗電量。

將兩臺(tái)洗衣機(jī)運(yùn)行相同時(shí)間后，觀察水表、數(shù)顯微型電度表，并將洗滌毛巾的清潔度進(jìn)行對(duì)比。圖6、圖7是改造前、后洗衣機(jī)分別在運(yùn)行10min、30min、45min后的耗水量、耗電量對(duì)比。經(jīng)過(guò)多次的實(shí)驗(yàn)，發(fā)現(xiàn)改造后的洗衣機(jī)在洗滌30min后的洗滌效果接近并略?xún)?yōu)于未改造的洗衣機(jī)洗滌45min后的洗滌效果，所以到30min時(shí)，改造后的洗衣機(jī)停止工作。因此，改造后的洗衣機(jī)30min與45min記錄到的總耗水量和總耗電量數(shù)值是相同的。

最后將洗衣機(jī)內(nèi)的毛巾取出，觀察其顏色變化，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)B組毛巾的顏略淺于A組，A組和B組毛巾顏色明顯淺于C組。

通過(guò)上述實(shí)驗(yàn)分析，在洗滌效果相當(dāng)?shù)那疤嵯?，改造后的?shí)驗(yàn)樣機(jī)能比未經(jīng)改造的洗衣機(jī)節(jié)水率約50%，節(jié)電率約20%。在洗滌時(shí)間相同的情況下，改造后實(shí)驗(yàn)樣機(jī)的洗滌效果略好于未經(jīng)改造的洗衣機(jī)。

5 結(jié)論

（1）使用改造后的樣機(jī)，結(jié)合原有洗衣機(jī)上的電機(jī)與控制模塊，實(shí)現(xiàn)了日常的洗衣操作。該實(shí)驗(yàn)樣機(jī)已初步能達(dá)到洗衣服時(shí)不脫水，洗衣桶外部不蓄水，脫水時(shí)能順利脫水的效果。

（2）實(shí)驗(yàn)證明，改造后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)比未經(jīng)改造的洗衣機(jī)節(jié)約水電，并且改造后的實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，其洗滌效果略好于改造前的洗衣機(jī)。

（3）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)能初步實(shí)現(xiàn)升降結(jié)構(gòu)的升降運(yùn)動(dòng)，但整個(gè)運(yùn)動(dòng)過(guò)程不夠平穩(wěn)，還需進(jìn)行適當(dāng)?shù)恼{(diào)整，提高結(jié)構(gòu)運(yùn)動(dòng)時(shí)的平穩(wěn)性。

（4）實(shí)驗(yàn)樣機(jī)是在現(xiàn)有波輪式洗衣機(jī)的基礎(chǔ)上進(jìn)行的改造，因改造工藝過(guò)于粗糙，在洗衣過(guò)程中存在一定的漏水現(xiàn)象，后期還需改進(jìn)制造工藝，優(yōu)化樣機(jī)的整體性能。

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