一种仿揉搓和捶打的清洗系统*

郑 煜 徐 兴 薛 攀 赵俊豪

1.陕西工业职业技术学院 机械工程学院 陕西咸阳 712000 2.陕西理工大学陕西国防工业职业技术学院分院 智能制造学院 西安 710300 3.中国航发西安动力控制科技有限公司 西安 710077

1 设计背景

清洁效果好、被清洗物损伤小一直是使用者对清洗系统清洗效果的期望,然而,传统清洗方案存在不同程度的问题。滚筒式清洗耗水耗电,机身重,维修成本大,洗涤时间长。波轮式清洗清洁程度低,衣物易打结损伤高,适用材质少,耗水量大。在现有清洗方式中,手洗兼顾效果与效率,同时兼具被清洗物损伤小、适应材质广、节水节电、清洗迅速等诸多优点。对此,笔者在充分借鉴手洗清洁方式的基础上,设计了一种仿揉搓和捶打的清洗系统,意在解决现有清洗方案中存在的诸多问题。

2 原理

清洗系统主体由基本系统、连杆机构、智能控制系统组成。基本系统负责上下水、漂洗、脱水、烘干等工作任务,连杆机构负责仿揉搓和捶打方式清洗,智能控制系统负责清洗系统各电气环节的控制与智能功能。

基本系统如图1所示。水流由进水管输入,在清洗前,被分为两路。一路经进水阀门1混合洗涤剂盒中的洗涤剂,由集水桶进入滚筒中,另一路直接由集水桶进入滚筒。过滤器和排水阀门位于储水槽内,此时关闭。清洗时,进水阀门1和2关闭,排水阀门保持关闭,被清洗物在滚筒内由连杆机构进行清洗。漂洗时,排水阀门关闭,进水阀门1关闭,水流直接经进水阀门2进入集水桶,滚筒电机经大小带轮组成的带传动,带动滚筒转动完成被清洗物漂洗。脱水时,进水阀门1和2关闭,排水阀门打开,滚筒电机驱动滚动高速转动完成脱水。在所有工作流程中,当需要排水时,水流从集水桶流经过滤器,随即排放至储水槽中,排水阀门打开,水流经排水管排出。

图1 基本系统

连杆机构如图2所示。由图2可以看出,清洗系统的连杆机构由曲柄滑块机构演化而来,由连杆、伸缩杆、二级伸缩杆、心轴组合而成,其中伸缩杆起到滑块的作用,心轴相当于曲柄。为了形成伸缩杆的功能,在伸缩杆的一端增设二级伸缩杆。二级伸缩杆安装在心轴套筒上的二级伸缩杆槽内,形成移动副。心轴处于心轴套筒内,其前端安装在心轴套筒的圆孔中,末端经联轴器与连杆驱动电机相连。心轴上的杆通过止动槽伸出心轴套筒与连杆相连。

图2 连杆机构

连杆机构打开和关闭状态如图3所示。由图3可以看出,清洗板安装于伸缩杆的外侧。如需仿揉搓清洗,连杆机构驱动电机带动心轴打开伸缩板,在心轴套筒内转动直至触碰到止动槽边,此时连杆驱动电机继续带动心轴旋转,心轴会带动心轴套筒在滚筒内一起转动,此时滚筒不转,处于滚筒与清洗板中间的被清洗物被揉搓清洗。清洗板上存在一系列圆柱形凸起,以提高清洗效果。

图3 连杆机构状态

如需仿捶打清洗,连杆机构驱动电机有节奏地驱动心轴在心轴套筒止动槽内摆动,此时连杆机构有节奏地打开、闭合,起到捶打清洗效果。

3 连杆机构有限元验证

使用有限元法验证连杆机构的结构可靠性。将连杆机构进行简化,验证在仿揉搓清洗时受横向剪切应力时的变形和结构应力分布情况。

对连杆机构进行仿真设置,材料为钢材,密度为7 850 kg/m3,弹性模量为200 GPa,泊松比为0.3。采用ANSYS软件,运用Solid164单元进行网格划分。网格划分、载荷及边界条件设定之后,有限元模型如图4所示。

图4 连杆机构有限元模型

在伸缩杆端部铰链上施加横向剪切力,为保守起见,将剪切应力设置为450 N。根据连杆机构此时工况,固定约束连杆的侧边和心轴套筒二级伸缩杆槽底部。求解连杆机构有限元模型,结果如图5所示。

图5 连杆机构求解结果

从图5中可以看出,连杆机构的最大位移产生在伸缩杆的铰链处,最大位移值为0.26 mm,最大等效应力产生在心轴套筒二级伸缩杆槽根部,最大等效应力值为95.925 MPa,远小于钢材的屈服应力,因此可以认为连杆机构的结构安全有效。

4 智能控制系统

智能控制系统结构如图6所示。

图6 智能控制系统结构

控制部分主要由主控芯片和协处理芯片完成。其中,主控芯片能根据用户设定的清洗要求以及传感器采集的实时数据,智能完成对各部分的直接或间接控制,以实现不同被清洗物的最佳清洗。根据主控芯片传输的数据,协处理芯片能够按照程序完成阀门开合、电机启停、转速调整、加热烘干等相关部件或功能的控制与实现。主控芯片与协处理芯片之间通过串口完成通信。进水阀门1流量计、进水阀门2流量计、排水阀门流量计分别设置于进水阀门1、进水阀门2和排水阀门内,以检测流量。浊度传感器位于储水槽内,可检测排水污浊度以判断洗净程度。

重力传感器、温度传感器设置于滚筒内,用于检测被清洗物质量和清洗水温。加热片可加热清洗水温或烘干被清洗物。

触摸屏模块和手机端为人机交互操作平台,用户可以设置清洗模式、清洗时间、水温、烘干等功能或选项的设定,其触目屏模块通过串口与主控芯片通信,手机端则通过无线保真通信。

连杆转速传感器、滚筒转速传感器、重力传感器、浊度传感器、温度传感器、进水阀门1流量计、进水阀门2流量计、排水阀门流量计将采集到的信号反馈至传感器电压调整模块,将电压信号放大至主控芯片的工作电压范围内。

协处理芯片经继电器拓展板和电机驱动拓展板两条控制路径,分别实现控制加热片、排水阀门、进水阀门1、进水阀门2、滚筒电机、连杆驱动电机。

5 结束语

为解决用户对清洗系统清洁效果好、被清洗物损伤小的期望,笔者参照手洗清洁方式,设计了一种仿揉搓和捶打的清洗系统。在后续的工作中,可以从清洗系统的改进角度出发开展研究,例如,可以在清洗板外包一层柔性清洗材料,以防止被清洗物与连杆机构的缠绕。