方浩丞 王春峰 郭丽
摘 要
洗衣机早已成为人们生活中不可或缺的家用电器，目前洗衣机通常采用排水阀进行排水的通断操作。一旦排水阀失效后，洗衣机则无法进行排水或储水。同时，据调查数据表明，现有的洗衣机普遍存在内外双筒，都存在浪费水和储水脏的问题。本文在分析现有洗衣技术存在问题的基础上，对原有洗衣机的结构进行改进和设计，采用新型排水装置，以期实现衣物清洗效果好，且省水节能的目的。
关键词
洗衣机;排水装置;无储水结构
中图分类号： TM925.33 文献标识码： A
DOI：10.19694/j.cnki.issn2095-2457.2020.11.008
0 引言
随着人民生活水平的不断提高，环保理念的不断深入，人们对产品质量和性能的要求也不断提升。对洗衣机而言，越来越多的人开始注重产品的洁净效果和节水性能。市场上常见的洗衣机类型通常为波轮式、滚筒式。据调查，目前市面上暂未出现不用排水阀即可实现切换排水通断操作的自动化洗衣机。调查数据表明，现有的洗衣机存在内外双筒，普遍都存在浪费水和储水脏的问题。
本设计采用的新型抛力排水装置、压揉式洗衣装置，有别于现有的波轮、滚筒洗衣技术，能够使盛水桶与洗衣分离，以实现降低排水系统的故障率;减少桶壁余水二次污染;节约水电的目的。
1 现有洗衣技术的分析
1.1 洗衣方式的分析
1.1.1 波轮式洗衣
波轮式洗衣机通过底盘装有带有突出筋的圆形波轮，水流在波轮的带动下形成带有方向性的涡流，带动织物跟着旋转、翻滚，从而使衣服上的污垢清除。
波轮洗衣机具有结构比较简单、维修方便、洗净率高等优点，但对衣物磨损率较大，不适合清洗高档真丝等衣物。又因其洗衣方式必须保证水能够溢过全部衣物，所以该洗衣机洗衣时需耗费大量的水，造成水资源的浪费。
1.1.2 滚筒式洗衣
滚筒洗衣机通过利用电动机带动滚筒旋转，使得衣物在桶里不断地重复被举起、摔下的运动，模拟出人们用棒槌打衣物的动作。通过这种重复运动，再加上水和化学试剂的共同作用，从而使衣物洗净[1]。
滚筒洗衣机具有洗衣过程中衣物不易缠绕、对衣物的磨损率较低、洗涤过程中所需的水较少等优点，但由于其本身的洗涤手法较为温和，洗净率较低。只能通过加热的方式来激发洗衣试剂的活性和增加洗涤时间等方式来得到较好的洗涤效果。这样做的弊端也显而易见，无论是加热还是增加洗涤时间，耗电量的增加都是不可避免的。
1.2 排水装置的分析
1.2.1 排水閥排水
波轮式洗衣机一般采用排水阀通断的方式进行排水控制。一般洗衣机排水阀分为直流和交流两种，电压为220V，通常采用电磁阀带动排水阀进行工作。
洗衣机排水阀的电磁阀原理是当电流通过线圈的时候，就会促进转动，从而让洗衣机能够顺畅排水。洗衣机排水阀的电磁阀在工作的时候，交流电压和线圈会连接在一起，进而形成一个电磁场，排水阀就会自动打开阀门，洗衣机里的水就可以直接从洗衣机排水阀排出去了。而当洗衣机的交流电压断电之后，电磁场就会消失，洗衣机排水阀就会停止工作，阀门自动关闭，洗衣机里的水就无法排除。
据不完全统计，目前排水阀出现故障的概率较高，主要有以下几个原因：①排水阀损坏，需要通过更换排水阀来解决;② 电脑板内的排水可控硅坏了，可以通过更换电脑板来解决。
1.2.2 利用排水泵排水
滚筒式洗衣机一般采用排水泵通断的方式进行排水控制。排水泵由开启式单向罩级电机和叶轮组成。正常洗涤时，整个排水系统都充满了水，但排水管管口所设置的高度高于盛水桶的水位，故水不能顺利流出。排水时，排水泵通电运转，将水加压从排水管排出。盛水桶的水经排水波纹管到过滤器，再到排水泵连接管，经排水泵排出[2]。
据不完全统计，目前排水泵出现故障的概率同样较高，主要有以下几个原因：①过滤器上的绒毛、污物积存过多，使过滤网孔堵塞，因而造成排水速度慢。需通过定期清洗过滤器，以此来保证排水的通畅;②排水泵坏了，需要通过更换排水泵来解决问题;③排水泵的叶轮被衣物缠绕，需通过手动将其分离并检查过滤等方式来解决。
2 洗衣机整体方案的设计
所设计的洗衣机由洗衣筒、洗衣装置和驱动洗衣筒转动的驱动装置组成，洗衣筒的内部设置有若干排水孔，排水孔外设有新型排水装置。洗衣机整体结构图如图1所示。
①旋盘;②取放窗口;③侧壁窗口;④滚珠;
⑤安装板;⑥固定板;⑦升降结构;⑧驱动电机
洗衣机包括外机身和门体，其工作流程：将衣物从侧门放入桶内，合上侧门，按启动按钮，位与筒顶的电机动作，升降杆带动旋盘向下运动。当升降杆向下运动到限位点，电机停止动作，注入水和洗衣液，马达带动旋盘开始转动，旋盘转动过程中，堵孔球堵住限位孔，使水无法在洗衣阶段排除。转动到指定时间，马达停止转动，接着带动桶的马达开始转动，转动过程中，所述新型排水装置上的堵孔球离开限位孔，水从排水孔排出。转动至指定时间，马达停止转动，堵孔球重回限位孔。
3 样机结构的设计与制作
3.1 排水装置的设计与制作
排水装置的设计上要考虑脱水时，水流能够流畅排放;揉洗衣物时，能够储存水量，不泄露;同时还要考虑到与洗衣机外壁的安装配合。为此，先用Solidworks软件进行了排水装置的结构设计，进而采用3D打印技术完成了产品的实物制作。
3.1.1 排水装置的结构设计
整体的排水装置，是由多块排水结构（图2）组成。每一块排水装置的结构尺寸为170x50x200mm（长、宽、高），在该结构上设计有细长型的排水通道，内表面采用弧面形，与洗衣桶相吻合。在排水孔中放置挡水球，不需要排水时，小球会挡住排水装置下方的出水口。
用Solidworks软件首先通过凸台拉伸，完成20x170x50的立方体的建模;紧着通过拉伸切除，完成内腔的切除;然后利用扫描去除特征，进行10与水平方向夹角为30°的排水通道的设计;最后进行出水口的设计。设计后的产品模型如图2所示。
3.1.2 排水装置的实物制作
在产品的实物制作上，结合现有的设备和技术，采用了3D打印技术完成了该产品的制作。3D打印技术是基于“离散/堆积成型”的成型思想，用层层加工的方法将成型材料“堆积”而形成的实体零件，也称为“快速成型技术”或“叠加制造技术”。打印材料主要由塑料、光敏树脂、金属、橡胶、陶瓷等。由于该模型上有一个细长型的排水通道，采用塑料分层打印，产品的质量过于粗糙。为了保证细长孔的质量，考虑到成本等因素，采用了液态树脂作为3D打印材料，进行了排水装置的实物制作。产品的实物如图3所示。
3.2 升降结构的设计与制作
目前，应用较多的升降结构主要分以下几种：①按结构分，一是柱式垂直升降结构，二是剪式升降结构;②按动力源分，一是气动或液压，二是电动。
通过优化设计分析，最终选用剪式升降结构。该升降结构有以下优点：①稳定性高，可承重量大;②该结构普遍应用于现有升降机和家用需升降的电器中，具有较为成熟的技术支持;③该结构较为简易，设计和生产时，难度大幅度降低。
采用Solidworks软件进行升降结构的三维实体建模，采用结构分析软件对整体的结构特性进行有限元分析，然后依据分析结果，对结构的优化设计进行指导，最后优化选型后的机构[2]，如图4所示。采用铝合金进行实物的加工制作，如图5所示。
3.3 样机的洗衣过程
样机是在现有洗衣机的基础上进行了结构改造。洗衣机内放入待洗衣物，PLC发出脉冲使电机开始正转，电机带动图5中的线开始松绕，线绕在升降结构的底部带动升降结构向下做直线运动。当升降结构下端所固定的托盘运动到指定位置时，PLC停止发出脉冲，电机停止动作，此时托盘与衣物有相对挤压的趋势。
手动启动现有洗衣机，洗衣机底部的旋盘在底部电机的带动下开始旋转，在托盘的相对挤压下，使得模拟出人手洗衣的动作，因为排水桶上的部分孔被用隔水材料堵住，使得在洗衣阶段水无法从孔中排出，其余孔上均安有所设计的排水装置，在洗衣阶段由于小钢珠堵住排水装置上的排水口，故水无法排除，从而达到设计的目的。
洗衣阶段结束后，PLC发出脉冲使电机开始反转，线绕在升降结构的底部带动升降结构向上做直线运动，但升降结构底端运动到起始位置时，PLC停止发出脉冲，电机停止动作。洗衣机底部的电机带动桶开始旋转，实现脱水的目的，在脱水过程中，所设计的排水装置里的小钢珠由于受到力的作用沿既定軌道开时向上运动，离开排水孔，使得水从孔中顺利排出，洗衣机底部的电机不断减速直至停止转动，至此这个洗衣过程完成。
4 样机的洗衣测试及数据分析
4.1 实验方法
实验材料为相同的纯白色毛巾，分别将其在1000ml的咖啡中浸泡10分钟，液体为不加洗涤剂的清水，以便直接观察清洗结果[3]。
4.2 清洗方法
实验采用一台未经改造的7.5公斤小鸭波轮式洗衣机和一台用相同型号进行改造后的实验样机。
将毛巾分为3份，每份毛巾的重量为500g分别将3份毛巾编号为A，B，C，同时放入相同浓度的咖啡中浸泡10min，10min后将三分毛巾同时取出，将A组放入未改造的洗衣机中，将B组放入改造后的实验样机中，将未改造的洗衣机设置为常规清洗模式，同时启动两台洗衣机，将C组放入20L的清水中浸泡，洗涤时间如表1。
4.3 检测过程
在两台洗衣机进水口处均装有相同水表，用来监控洗衣时的用水量;在两台洗衣机的插口处均装有相同型号的数显微型电度表，用来监控洗衣时是耗电量。
将两台洗衣机运行相同时间后，观察水表、数显微型电度表，并将洗涤毛巾的清洁度进行对比。图6、图7是改造前、后洗衣机分别在运行10min、30min、45min后的耗水量、耗电量对比。经过多次的实验，发现改造后的洗衣机在洗涤30min后的洗涤效果接近并略优于未改造的洗衣机洗涤45min后的洗涤效果，所以到30min时，改造后的洗衣机停止工作。因此，改造后的洗衣机30min与45min记录到的总耗水量和总耗电量数值是相同的。
最后将洗衣机内的毛巾取出，观察其颜色变化，经观察发现B组毛巾的颜略浅于A组，A组和B组毛巾颜色明显浅于C组。
通过上述实验分析，在洗涤效果相当的前提下，改造后的实验样机能比未经改造的洗衣机节水率约50%，节电率约20%。在洗涤时间相同的情况下，改造后实验样机的洗涤效果略好于未经改造的洗衣机。
5 结论
（1）使用改造后的样机，结合原有洗衣机上的电机与控制模块，实现了日常的洗衣操作。该实验样机已初步能达到洗衣服时不脱水，洗衣桶外部不蓄水，脱水时能顺利脱水的效果。
（2）实验证明，改造后的实验样机比未经改造的洗衣机节约水电，并且改造后的实验样机，其洗涤效果略好于改造前的洗衣机。
（3）实验样机能初步实现升降结构的升降运动，但整个运动过程不够平稳，还需进行适当的调整，提高结构运动时的平稳性。
（4）实验样机是在现有波轮式洗衣机的基础上进行的改造，因改造工艺过于粗糙，在洗衣过程中存在一定的漏水现象，后期还需改进制造工艺，优化样机的整体性能。
参考文献
[1]史守坤.滚筒洗衣机智能控制系统研究与设计 [D].硕士论文，南京理工大学，2012年.
[2]艾宇佳.滚筒式全自动洗衣机排水速度慢故障的检修[J].家电检修技术，2009（2）：31.
[3]陈志栋，叶香美.超声波洗衣技术去污性能研究[A].物联网技术，2017.03.21.
