洗衣機環保節能策略設計七步法研究與實踐

井新宇

(江陰職業技術學院 電子信息工程系, 江蘇 江陰　214400)

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洗衣機環保節能策略設計七步法研究與實踐

井新宇

(江陰職業技術學院 電子信息工程系, 江蘇 江陰214400)

以家用洗衣機環保節能策略設計為目標,采用七步訓練法開展3個層次的實踐創新訓練:洗衣機重構、自動化改造、信息化控制與管理,并構建信息家電的實踐創新工作室。實踐表明,七步訓練法使學生具有持續的動手興趣,硬件和軟件的開發能力明顯增強,在團隊協作中綜合素質得到了較大的提高。

實踐創新； 自動化改造； 信息化管理

洗衣機是比較典型的機電一體化家用電器產品,實驗所需器材成本低,取之容易,在實踐創新訓練的過程中,采用七步訓練法,項目組成員分工合作,分享知識與技能,學生素質得到了很好的培養,而且知識與技術易于融會貫通,如傳感器、單片機應用、通信、結構構造、物聯網等技術,增加學生發明創造的興趣,對社團和創新實驗室建設具有實際的參考價值。洗衣機環保節能策略的設計與實現,分為3個層次讓大學生利用所學、自學、與人合作的形式完成。一是洗衣機拆卸,認識其部件,利用一些替換部件進行整機安裝調試；二是從環保節能的角度考慮,以單片機為控制核心進行自動化改造,設計并實現全自動洗衣機；三是以物聯網技術為核心,進行信息化控制與管理的設計。

1　實踐創新項目的選擇

家用洗衣機大體由洗滌脫水系統、傳動系統、進排水系統、控制系統、減震支撐系統五大系統構成[1]。設計五大系統融為一體有序工作,需要用到機械、電子和計算機控制等方面的知識與技能。

洗衣機的自動化設計改造有助于提高學生工程分析與開發設計的能力,環保節能多種策略的設計有助于培養學生發明創新的興趣,推動學生參加大學生電子設計競賽、發明杯競賽以及申請實用新型和發明專利,促進大學生創新創意創業[2-3]。

2　實踐創新訓練方案的設計

從新生入學起就要培養學生愛動手的興趣和習慣。興趣是在動手的過程中不斷取得成就和快樂而產生的,逐步就養成了愛動手的習慣。在興趣的牽引和教師的指導下,有計劃開展實踐創新訓練,學生的綜合職業能力就會取得不斷的進步。家用洗衣機非常適合電類專業的學生開展實踐創新訓練。洗衣機環保節能采用3層次實踐創新訓練方案,見表1。

表1　洗衣機環保節能三層次實踐創新訓練方案

教師利用專業選修課,以專業社團為依托,在教與學的實踐中,以學生為中心,教師為主導,團隊為主體。在教師工作室、創新實驗室等場所,“做、學、講”相結合,采用七步訓練法:項目分析→信息收集→創新設計→制訂計劃→實施計劃→交流評價→總結完善,充分發揮學生愛思考、愛動手和愛創新的特點[2]。

3　洗衣機環保節能設計與實現

3.1洗衣機環保節能的基本策略

洗衣機的工作過程包括洗滌、漂洗、甩干、烘干,在每個過程,從材料、工藝、技術、結構等方面進行創新設計,設計節能、健康、環保的新型洗衣機。

3.1.1降低噪音

洗衣機脫水時的噪音明顯高于洗滌時,降噪著重于脫水階段。噪音的產生主要有:

(1) 電機噪音。

(2) 內筒軸承噪音。內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,軸承滾道進入雜質甚至出現滾珠銹蝕和破裂的現象就會產生噪音。

(3) 由于負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筒壁周圍均衡分布,這是引起脫水噪音的一個重要原因。

3.1.2抑制霉菌滋生

洗衣機窗墊溝槽如不在洗衣機工作過程中及時清洗,容易藏住細菌,長霉發黑,這就要設計清洗的方式,及時清洗干凈,以防滋生霉菌,做到健康洗滌。

3.1.3自動添加洗滌劑

洗衣機在洗滌過程中,通過檢測水質的濁度和硬度的大小來自動設置洗滌劑/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行漂洗,造成浪費。設計洗滌劑自動添加技術,提高洗滌效果的同時又能節能減排。

3.1.4水量自動控制

設計洗衣機重力感應系統,洗滌過程中對洗滌物進行高精度稱重,針對不同的洗滌物重量,使用不同的水量,避免水資源浪費。

3.1.5洗凈即停及檢測濁硬度

自動檢測洗滌、漂洗過程中水質的污濁程度來判定衣物的干凈程度,洗衣機洗凈即停,檢測水質濁硬度來控制洗滌劑的自動投放,潔凈衣物的同時又省時降耗節水[4]。

列舉了以上洗衣機環保節能的策略,對這些策略的實現展開實踐創新設計與訓練,對提高大學生創造力和綜合能力有很大幫助。

3.2七步法設計環保節能洗衣機

3.2.1第一步:項目分析

環保和節能是當今重要的話題,也是工科研究的重要課題,洗衣機在家用和工業應用方面非常廣泛,涉及節電、節水、排污以及噪聲等方面環保節能問題,作為大學生實踐創新訓練項目非常合適,所以項目為:洗衣機環保節能創新設計與實現。

滾筒式洗衣機的能效遠高于波輪式全自動洗衣機和雙桶洗衣機,但節能、節水還有待進一步研究改進,當代大學生應該有志于這方面的研究實踐。從洗衣機電機選擇、洗滌過程控制以及洗滌劑和水量控制技術等方面創新設計為本項目的重點。

3.2.2第二步:信息收集

從電機效率的角度講,變頻技術在洗衣機上的應用大大提高了洗衣機的用電效率,一般電機效率在40%～50%之間,而變頻電機效率可以達到80%以上,效率提高在50%以上,另外,變頻電機啟動力矩大,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,浸泡僅放在洗滌前,洗凈性能和能效不考慮浸泡作用。其實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,根據水質判斷洗衣機洗凈即停,以及自動投放洗滌劑[4]。做好環保節能洗衣機項目要收集洗衣機信息，以便研究分析。項目信息收集見表2。

表2　環保節能洗衣機信息收集表

3.2.3第三步:創新設計

創新設計的理念是模仿人工洗滌過程,提高洗滌質量的同時做到環保節能。以單片機為核心的洗衣機控制系統,引入了模糊推理技術。模糊型洗衣機無需人為按鍵設置水位、水流方式、洗滌時間、清洗時間和脫水時間,用戶只需放進待洗衣物,按下啟動鍵,洗衣機便能自動完成洗滌過程,實現了真正的“全自動”。

首先,創新設計洗衣機的控制邏輯。對檢測到的水溫、洗滌種類、濁硬度、洗滌物重量等物理量進行模糊化處理,建立洗滌規則庫,實現對洗滌過程、洗滌劑用量、水量進行自動控制，所以,洗衣機自動化設計采用模糊控制技術。洗衣機模糊控制系統結構見圖1。

圖1　洗衣機模糊控制系統結構圖

第二,由經驗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。模糊洗衣機的控制系統可以設計為3個輸入變量:洗滌物種類、洗滌物負載和水溫；2個輸出變量:洗滌時間和洗滌強度。分析模糊控制系統并制定模糊控制規則表。

第三,模糊推理建模糊控制規則表。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；洗滌物負載用l代表:l=0、1、2,分別表示偏小、中等、偏大。根據輸入量的各種組合,制定模糊規則表,見表3。模糊規則由3個輸入量構成了一張三維數據表,規則表以三維數組的形式存儲,2個輸出量含義:洗滌時間用Tm[m][t][l]代表:0、1、2分別表示洗滌時間短、中等、長；洗滌強度用Pw[m][t][l]代表:0、1、2分別表示洗滌強度為弱、中等、強。

表3　模糊控制規則三維數組表

根據表3,把洗滌時間Tm[m][t][l]=0、1、2分別確定為具體浸泡時間、洗滌時間和脫水時間的長短,以此來順序執行洗滌流程；把Pw[m][t][l]= 0、1、2分別確定為電機的旋轉速度[5-6]。

3.2.4第四步:制訂計劃

根據創新設計的思路和方案,按如下流程制訂實施計劃:方案設計→系統資源分配→硬件框圖和軟件組成設計→硬件電路設計→軟件編程→調試與運行→撰寫報告、論文、作品說明書以及PPT匯報。

3.2.5第五步:實施計劃

洗衣機環保節能創新設計按照制定的計劃實施,過程中需要不斷完善修正[7]。洗衣機電腦控制器硬件結構見圖2,洗衣機模糊控制工作流程見圖3。

圖2　洗衣機電腦控制器硬件結構圖

圖3　洗衣機模糊控制工作流程圖

3.2.6第六步:交流評價

學生制作PPT進行匯報,并結合作品演示,由教師和學生組成答辯組進行課題答辯。PPT匯報主要包括方案設計、硬件和軟件設計以及調試運行,要突出設計的創意創新策略以及實現,特別要注意環保節能的對比,以實驗數據分析說明。

3.2.7第七步:完善總結

在課題設計與實現的過程中,一方面研究作品有哪些需要完善，另一方面改進團隊合作,使其工作更好。為了使我們的生活更美好、更生態環保,對家電環保節能提出改造和研究的設想。

4　實踐創新訓練工作室

洗衣機節能環保實踐創新訓練工作室主要功能:開設專業選修課,采用師傅帶徒弟、學長帶學弟學妹的形式,以洗衣機為典型案例,融合擴展到新型機電一體化設備的創意設計制作,培養學生愛動手、愛創新的精神,提高工程開發與創新能力。

工作室按功能劃分為5個區:實踐動手區、創意討論區、設計開發區、材料準備區和成果展示區,見圖4。

圖4　洗衣機節能環保實踐創新訓練工作室平面圖

學生在工作室需要開展的工作如下:

(1) 半自動洗衣機、波輪式全自動洗衣機和滾筒式全自動洗衣機拆卸、安裝以及零部件購買,替換洗衣機部件并重構洗衣機,做到認識并熟悉洗衣機維修,提高動手能力和動手實踐的興趣。

(2) 組成團隊小組,針對洗衣機節能環保設計進行創意討論、開展洗衣機全自動節能環保設計與實現、構建基于物聯網的信息化控制與管理網絡,見圖5[8-10]。

圖5　洗衣機信息控制與管理結構示意圖

(3) 進行創意設計開發、申請專利、參加發明類和電子設計類競賽。

5　總結與展望

大學生實踐創新訓練旨在激發引導廣大學生創新創意創業的熱情和興趣,不僅要有遠大的理想目標,更要有實干的精神和行動。實踐證明,通過大學生實踐創新訓練的開展,采用洗衣機作為訓練載體,著眼于環保節能策略的設計與實現,訓練學生實際動手能力的同時,增強他們的環保意識,由日常生活中洗衣機環保節能的改進,擴展到多種家電產品的節能改造與設計,采用物聯網的技術手段,以信息家電為主,通過室內建設信息家居創新訓練實訓室、戶外建設新能源環境參數采集與監控系統,培養創新型人才。

References)

[1] 李曉霞.波輪式全自動洗衣機的原理及構造[J].甘肅科技,2012,28(18):50-51.

[2] 井新宇.電子設計自動化技術教學改革的研究:七階段教學法的應用與推廣[J].實驗室研究與探索,2010,29(12):202-205.

[3] 彭光雄.潘勇.綜合職業能力導向下課程體系改革的思考與實踐[J].教育與職業,2013(33):126-128.

[4] 魯建國.節能減排已成為洗衣機行業綠色發展大勢所趨[J].家用電器,2014(6):34-35

[5] 黃河,劉福華,王信.基于單片機模糊推理的洗衣機控制系統設計[J].電子設計工程,2012,20(7):186-192.

[6] 黃杰,張相勝,楊莉,等.基于模糊邏輯的洗衣機洗滌時間控制[J].江南大學學報:自然科學版,2012,11(1):10-13.

[7] 劉曉彤.基于Proteus 的全自動洗衣機控制系統設計[J].微計算機信息,2012,28(9):146-147.

[8] 周超琦,朱正羊,耿明翠.基于物聯網的應答式洗衣機系統[J].計算機時代,2015(2):10-14.

[9] 王一珉,李曉林.優化實驗室資源配置,支撐創新型人才培養[J].實驗技術與管理,2010,27(12):221-223.

[10] 馬傳峰.實驗室資源的開發與開放[J].實驗技術與管理,2010,27(12):1-3.

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

職業技術教育

2016-03-17

井新宇(1971—),男,江蘇江陰,碩士,副教授,系主任,研究方向為儀器儀表及系統.

E-mail：j_xinyu@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0200-04