一種新型節能型洗衣機結構的設計與制作

方浩丞　王春峰　郭麗

摘 要

洗衣機早已成為人們生活中不可或缺的家用電器，目前洗衣機通常采用排水閥進行排水的通斷操作。一旦排水閥失效后，洗衣機則無法進行排水或儲水。同時，據調查數據表明，現有的洗衣機普遍存在內外雙筒，都存在浪費水和儲水臟的問題。本文在分析現有洗衣技術存在問題的基礎上，對原有洗衣機的結構進行改進和設計，采用新型排水裝置，以期實現衣物清洗效果好，且省水節能的目的。

關鍵詞

洗衣機;排水裝置;無儲水結構

中圖分類號： TM925.33 ? ? ? ? ? ? ? ? ? ? ?文獻標識碼： 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，環保理念的不斷深入，人們對產品質量和性能的要求也不斷提升。對洗衣機而言，越來越多的人開始注重產品的潔凈效果和節水性能。市場上常見的洗衣機類型通常為波輪式、滾筒式。據調查，目前市面上暫未出現不用排水閥即可實現切換排水通斷操作的自動化洗衣機。調查數據表明，現有的洗衣機存在內外雙筒，普遍都存在浪費水和儲水臟的問題。

本設計采用的新型拋力排水裝置、壓揉式洗衣裝置，有別于現有的波輪、滾筒洗衣技術，能夠使盛水桶與洗衣分離，以實現降低排水系統的故障率;減少桶壁余水二次污染;節約水電的目的。

1 現有洗衣技術的分析

1.1 洗衣方式的分析

1.1.1 波輪式洗衣

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

波輪洗衣機具有結構比較簡單、維修方便、洗凈率高等優點，但對衣物磨損率較大，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全部衣物，所以該洗衣機洗衣時需耗費大量的水，造成水資源的浪費。

1.1.2 滾筒式洗衣

滾筒洗衣機通過利用電動機帶動滾筒旋轉，使得衣物在桶里不斷地重復被舉起、摔下的運動，模擬出人們用棒槌打衣物的動作。通過這種重復運動，再加上水和化學試劑的共同作用，從而使衣物洗凈[1]。

滾筒洗衣機具有洗衣過程中衣物不易纏繞、對衣物的磨損率較低、洗滌過程中所需的水較少等優點，但由于其本身的洗滌手法較為溫和，洗凈率較低。只能通過加熱的方式來激發洗衣試劑的活性和增加洗滌時間等方式來得到較好的洗滌效果。這樣做的弊端也顯而易見，無論是加熱還是增加洗滌時間，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

波輪式洗衣機一般采用排水閥通斷的方式進行排水控制。一般洗衣機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排水閥進行工作。

洗衣機排水閥的電磁閥原理是當電流通過線圈的時候，就會促進轉動，從而讓洗衣機能夠順暢排水。洗衣機排水閥的電磁閥在工作的時候，交流電壓和線圈會連接在一起，進而形成一個電磁場，排水閥就會自動打開閥門，洗衣機里的水就可以直接從洗衣機排水閥排出去了。而當洗衣機的交流電壓斷電之后，電磁場就會消失，洗衣機排水閥就會停止工作，閥門自動關閉，洗衣機里的水就無法排除。

據不完全統計，目前排水閥出現故障的概率較高，主要有以下幾個原因：①排水閥損壞，需要通過更換排水閥來解決;② 電腦板內的排水可控硅壞了，可以通過更換電腦板來解決。

1.2.2 利用排水泵排水

滾筒式洗衣機一般采用排水泵通斷的方式進行排水控制。排水泵由開啟式單向罩級電機和葉輪組成。正常洗滌時，整個排水系統都充滿了水，但排水管管口所設置的高度高于盛水桶的水位，故水不能順利流出。排水時，排水泵通電運轉，將水加壓從排水管排出。盛水桶的水經排水波紋管到過濾器，再到排水泵連接管，經排水泵排出[2]。

據不完全統計，目前排水泵出現故障的概率同樣較高，主要有以下幾個原因：①過濾器上的絨毛、污物積存過多，使過濾網孔堵塞，因而造成排水速度慢。需通過定期清洗過濾器，以此來保證排水的通暢;②排水泵壞了，需要通過更換排水泵來解決問題;③排水泵的葉輪被衣物纏繞，需通過手動將其分離并檢查過濾等方式來解決。

2 洗衣機整體方案的設計

所設計的洗衣機由洗衣筒、洗衣裝置和驅動洗衣筒轉動的驅動裝置組成，洗衣筒的內部設置有若干排水孔，排水孔外設有新型排水裝置。洗衣機整體結構圖如圖1所示。

①旋盤;②取放窗口;③側壁窗口;④滾珠;

⑤安裝板;⑥固定板;⑦升降結構;⑧驅動電機

洗衣機包括外機身和門體，其工作流程：將衣物從側門放入桶內，合上側門，按啟動按鈕，位與筒頂的電機動作，升降桿帶動旋盤向下運動。當升降桿向下運動到限位點，電機停止動作，注入水和洗衣液，馬達帶動旋盤開始轉動，旋盤轉動過程中，堵孔球堵住限位孔，使水無法在洗衣階段排除。轉動到指定時間，馬達停止轉動，接著帶動桶的馬達開始轉動，轉動過程中，所述新型排水裝置上的堵孔球離開限位孔，水從排水孔排出。轉動至指定時間，馬達停止轉動，堵孔球重回限位孔。

3 樣機結構的設計與制作

3.1 排水裝置的設計與制作

排水裝置的設計上要考慮脫水時，水流能夠流暢排放;揉洗衣物時，能夠儲存水量，不泄露;同時還要考慮到與洗衣機外壁的安裝配合。為此，先用Solidworks軟件進行了排水裝置的結構設計，進而采用3D打印技術完成了產品的實物制作。

3.1.1 排水裝置的結構設計

整體的排水裝置，是由多塊排水結構（圖2）組成。每一塊排水裝置的結構尺寸為170x50x200mm（長、寬、高），在該結構上設計有細長型的排水通道，內表面采用弧面形，與洗衣桶相吻合。在排水孔中放置擋水球，不需要排水時，小球會擋住排水裝置下方的出水口。

用Solidworks軟件首先通過凸臺拉伸，完成20x170x50的立方體的建模;緊著通過拉伸切除，完成內腔的切除;然后利用掃描去除特征，進行10與水平方向夾角為30°的排水通道的設計;最后進行出水口的設計。設計后的產品模型如圖2所示。

3.1.2 排水裝置的實物制作

在產品的實物制作上，結合現有的設備和技術，采用了3D打印技術完成了該產品的制作。3D打印技術是基于“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”而形成的實體零件，也稱為“快速成型技術”或“疊加制造技術”。打印材料主要由塑料、光敏樹脂、金屬、橡膠、陶瓷等。由于該模型上有一個細長型的排水通道，采用塑料分層打印，產品的質量過于粗糙。為了保證細長孔的質量，考慮到成本等因素，采用了液態樹脂作為3D打印材料，進行了排水裝置的實物制作。產品的實物如圖3所示。

3.2 升降結構的設計與制作

目前，應用較多的升降結構主要分以下幾種：①按結構分，一是柱式垂直升降結構，二是剪式升降結構;②按動力源分，一是氣動或液壓，二是電動。

通過優化設計分析，最終選用剪式升降結構。該升降結構有以下優點：①穩定性高，可承重量大;②該結構普遍應用于現有升降機和家用需升降的電器中，具有較為成熟的技術支持;③該結構較為簡易，設計和生產時，難度大幅度降低。

采用Solidworks軟件進行升降結構的三維實體建模，采用結構分析軟件對整體的結構特性進行有限元分析，然后依據分析結果，對結構的優化設計進行指導，最后優化選型后的機構[2]，如圖4所示。采用鋁合金進行實物的加工制作，如圖5所示。

3.3 樣機的洗衣過程

樣機是在現有洗衣機的基礎上進行了結構改造。洗衣機內放入待洗衣物，PLC發出脈沖使電機開始正轉，電機帶動圖5中的線開始松繞，線繞在升降結構的底部帶動升降結構向下做直線運動。當升降結構下端所固定的托盤運動到指定位置時，PLC停止發出脈沖，電機停止動作，此時托盤與衣物有相對擠壓的趨勢。

手動啟動現有洗衣機，洗衣機底部的旋盤在底部電機的帶動下開始旋轉，在托盤的相對擠壓下，使得模擬出人手洗衣的動作，因為排水桶上的部分孔被用隔水材料堵住，使得在洗衣階段水無法從孔中排出，其余孔上均安有所設計的排水裝置，在洗衣階段由于小鋼珠堵住排水裝置上的排水口，故水無法排除，從而達到設計的目的。

洗衣階段結束后，PLC發出脈沖使電機開始反轉，線繞在升降結構的底部帶動升降結構向上做直線運動，但升降結構底端運動到起始位置時，PLC停止發出脈沖，電機停止動作。洗衣機底部的電機帶動桶開始旋轉，實現脫水的目的，在脫水過程中，所設計的排水裝置里的小鋼珠由于受到力的作用沿既定軌道開時向上運動，離開排水孔，使得水從孔中順利排出，洗衣機底部的電機不斷減速直至停止轉動，至此這個洗衣過程完成。

4 樣機的洗衣測試及數據分析

4.1 實驗方法

實驗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果[3]。

4.2 清洗方法

實驗采用一臺未經改造的7.5公斤小鴨波輪式洗衣機和一臺用相同型號進行改造后的實驗樣機。

將毛巾分為3份，每份毛巾的重量為500g分別將3份毛巾編號為A，B，C，同時放入相同濃度的咖啡中浸泡10min，10min后將三分毛巾同時取出，將A組放入未改造的洗衣機中，將B組放入改造后的實驗樣機中，將未改造的洗衣機設置為常規清洗模式，同時啟動兩臺洗衣機，將C組放入20L的清水中浸泡，洗滌時間如表1。

4.3 檢測過程

在兩臺洗衣機進水口處均裝有相同水表，用來監控洗衣時的用水量;在兩臺洗衣機的插口處均裝有相同型號的數顯微型電度表，用來監控洗衣時是耗電量。

將兩臺洗衣機運行相同時間后，觀察水表、數顯微型電度表，并將洗滌毛巾的清潔度進行對比。圖6、圖7是改造前、后洗衣機分別在運行10min、30min、45min后的耗水量、耗電量對比。經過多次的實驗，發現改造后的洗衣機在洗滌30min后的洗滌效果接近并略優于未改造的洗衣機洗滌45min后的洗滌效果，所以到30min時，改造后的洗衣機停止工作。因此，改造后的洗衣機30min與45min記錄到的總耗水量和總耗電量數值是相同的。

最后將洗衣機內的毛巾取出，觀察其顏色變化，經觀察發現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。

通過上述實驗分析，在洗滌效果相當的前提下，改造后的實驗樣機能比未經改造的洗衣機節水率約50%，節電率約20%。在洗滌時間相同的情況下，改造后實驗樣機的洗滌效果略好于未經改造的洗衣機。

5 結論

（1）使用改造后的樣機，結合原有洗衣機上的電機與控制模塊，實現了日常的洗衣操作。該實驗樣機已初步能達到洗衣服時不脫水，洗衣桶外部不蓄水，脫水時能順利脫水的效果。

（2）實驗證明，改造后的實驗樣機比未經改造的洗衣機節約水電，并且改造后的實驗樣機，其洗滌效果略好于改造前的洗衣機。

（3）實驗樣機能初步實現升降結構的升降運動，但整個運動過程不夠平穩，還需進行適當的調整，提高結構運動時的平穩性。

（4）實驗樣機是在現有波輪式洗衣機的基礎上進行的改造，因改造工藝過于粗糙，在洗衣過程中存在一定的漏水現象，后期還需改進制造工藝，優化樣機的整體性能。

參考文獻

[1]史守坤.滾筒洗衣機智能控制系統研究與設計 [D].碩士論文，南京理工大學，2012年.

[2]艾宇佳.滾筒式全自動洗衣機排水速度慢故障的檢修[J].家電檢修技術，2009（2）：31.

[3]陳志棟，葉香美.超聲波洗衣技術去污性能研究[A].物聯網技術，2017.03.21.