洗衣机环保节能策略设计七步法研究与实践

井新宇

(江阴职业技术学院 电子信息工程系, 江苏 江阴　214400)



洗衣机环保节能策略设计七步法研究与实践

井新宇

(江阴职业技术学院 电子信息工程系, 江苏 江阴214400)

以家用洗衣机环保节能策略设计为目标,采用七步训练法开展3个层次的实践创新训练:洗衣机重构、自动化改造、信息化控制与管理,并构建信息家电的实践创新工作室。实践表明,七步训练法使学生具有持续的动手兴趣,硬件和软件的开发能力明显增强,在团队协作中综合素质得到了较大的提高。

实践创新； 自动化改造； 信息化管理

洗衣机是比较典型的机电一体化家用电器产品,实验所需器材成本低,取之容易,在实践创新训练的过程中,采用七步训练法,项目组成员分工合作,分享知识与技能,学生素质得到了很好的培养,而且知识与技术易于融会贯通,如传感器、单片机应用、通信、结构构造、物联网等技术,增加学生发明创造的兴趣,对社团和创新实验室建设具有实际的参考价值。洗衣机环保节能策略的设计与实现,分为3个层次让大学生利用所学、自学、与人合作的形式完成。一是洗衣机拆卸,认识其部件,利用一些替换部件进行整机安装调试；二是从环保节能的角度考虑,以单片机为控制核心进行自动化改造,设计并实现全自动洗衣机；三是以物联网技术为核心,进行信息化控制与管理的设计。

1　实践创新项目的选择

家用洗衣机大体由洗涤脱水系统、传动系统、进排水系统、控制系统、减震支撑系统五大系统构成[1]。设计五大系统融为一体有序工作,需要用到机械、电子和计算机控制等方面的知识与技能。

洗衣机的自动化设计改造有助于提高学生工程分析与开发设计的能力,环保节能多种策略的设计有助于培养学生发明创新的兴趣,推动学生参加大学生电子设计竞赛、发明杯竞赛以及申请实用新型和发明专利,促进大学生创新创意创业[2-3]。

2　实践创新训练方案的设计

从新生入学起就要培养学生爱动手的兴趣和习惯。兴趣是在动手的过程中不断取得成就和快乐而产生的,逐步就养成了爱动手的习惯。在兴趣的牵引和教师的指导下,有计划开展实践创新训练,学生的综合职业能力就会取得不断的进步。家用洗衣机非常适合电类专业的学生开展实践创新训练。洗衣机环保节能采用3层次实践创新训练方案,见表1。

表1　洗衣机环保节能三层次实践创新训练方案

教师利用专业选修课,以专业社团为依托,在教与学的实践中,以学生为中心,教师为主导,团队为主体。在教师工作室、创新实验室等场所,“做、学、讲”相结合,采用七步训练法:项目分析→信息收集→创新设计→制订计划→实施计划→交流评价→总结完善,充分发挥学生爱思考、爱动手和爱创新的特点[2]。

3　洗衣机环保节能设计与实现

3.1洗衣机环保节能的基本策略

洗衣机的工作过程包括洗涤、漂洗、甩干、烘干,在每个过程,从材料、工艺、技术、结构等方面进行创新设计,设计节能、健康、环保的新型洗衣机。

3.1.1降低噪音

洗衣机脱水时的噪音明显高于洗涤时,降噪着重于脱水阶段。噪音的产生主要有:

(1) 电机噪音。

(2) 内筒轴承噪音。内筒轴和轴套存在着加工精度和装配等问题,如果它们的轴线不能重合,使密封圈变形,轴承滚道进入杂质甚至出现滚珠锈蚀和破裂的现象就会产生噪音。

(3) 由于负载不平衡引起的噪音。在甩干过程中洗涤物不可能完全在内筒壁周围均衡分布,这是引起脱水噪音的一个重要原因。

3.1.2抑制霉菌滋生

洗衣机窗垫沟槽如不在洗衣机工作过程中及时清洗,容易藏住细菌,长霉发黑,这就要设计清洗的方式,及时清洗干净,以防滋生霉菌,做到健康洗涤。

3.1.3自动添加洗涤剂

洗衣机在洗涤过程中,通过检测水质的浊度和硬度的大小来自动设置洗涤剂/柔顺剂剂量的投放,以免洗涤剂过少洗不干净,过多则需要很多的水进行漂洗,造成浪费。设计洗涤剂自动添加技术,提高洗涤效果的同时又能节能减排。

3.1.4水量自动控制

设计洗衣机重力感应系统,洗涤过程中对洗涤物进行高精度称重,针对不同的洗涤物重量,使用不同的水量,避免水资源浪费。

3.1.5洗净即停及检测浊硬度

自动检测洗涤、漂洗过程中水质的污浊程度来判定衣物的干净程度,洗衣机洗净即停,检测水质浊硬度来控制洗涤剂的自动投放,洁净衣物的同时又省时降耗节水[4]。

列举了以上洗衣机环保节能的策略,对这些策略的实现展开实践创新设计与训练,对提高大学生创造力和综合能力有很大帮助。

3.2七步法设计环保节能洗衣机

3.2.1第一步:项目分析

环保和节能是当今重要的话题,也是工科研究的重要课题,洗衣机在家用和工业应用方面非常广泛,涉及节电、节水、排污以及噪声等方面环保节能问题,作为大学生实践创新训练项目非常合适,所以项目为:洗衣机环保节能创新设计与实现。

滚筒式洗衣机的能效远高于波轮式全自动洗衣机和双桶洗衣机,但节能、节水还有待进一步研究改进,当代大学生应该有志于这方面的研究实践。从洗衣机电机选择、洗涤过程控制以及洗涤剂和水量控制技术等方面创新设计为本项目的重点。

3.2.2第二步:信息收集

从电机效率的角度讲,变频技术在洗衣机上的应用大大提高了洗衣机的用电效率,一般电机效率在40%～50%之间,而变频电机效率可以达到80%以上,效率提高在50%以上,另外,变频电机启动力矩大,又提高了洗净性能,降低了能耗和噪声。从洗涤过程讲,洗涤浸泡算不上什么技术,浸泡仅放在洗涤前,洗净性能和能效不考虑浸泡作用。其实在用电量相同条件下,如果浸泡15 min,可以提高洗净效率10%以上,使得用电效率大大提高。通过改变洗涤过程中波轮或滚筒的转停比,将浸泡融入洗涤过程中,从单一的洗涤模式,变成为洗涤、浸泡、再洗涤、再浸泡的洗涤过程,使浸泡成为洗涤过程的一部分,从而大大提高了洗涤效果。针对不同的洗涤物重量,使用不同的水量,根据水质判断洗衣机洗净即停,以及自动投放洗涤剂[4]。做好环保节能洗衣机项目要收集洗衣机信息，以便研究分析。项目信息收集见表2。

表2　环保节能洗衣机信息收集表

3.2.3第三步:创新设计

创新设计的理念是模仿人工洗涤过程,提高洗涤质量的同时做到环保节能。以单片机为核心的洗衣机控制系统,引入了模糊推理技术。模糊型洗衣机无需人为按键设置水位、水流方式、洗涤时间、清洗时间和脱水时间,用户只需放进待洗衣物,按下启动键,洗衣机便能自动完成洗涤过程,实现了真正的“全自动”。

首先,创新设计洗衣机的控制逻辑。对检测到的水温、洗涤种类、浊硬度、洗涤物重量等物理量进行模糊化处理,建立洗涤规则库,实现对洗涤过程、洗涤剂用量、水量进行自动控制，所以,洗衣机自动化设计采用模糊控制技术。洗衣机模糊控制系统结构见图1。

图1　洗衣机模糊控制系统结构图

第二,由经验分析制定模糊控制逻辑。洗涤物大致分为棉、化纤以及二者的混合物,棉织品洗涤相对困难,化纤品洗涤更易些；衣量多一些,则洗涤过程长一些,反之则短一些。水质的浊硬度、水位以及水温均可以用传感器来检测。模糊洗衣机的控制系统可以设计为3个输入变量:洗涤物种类、洗涤物负载和水温；2个输出变量:洗涤时间和洗涤强度。分析模糊控制系统并制定模糊控制规则表。

第三,模糊推理建模糊控制规则表。输入量含义,洗涤物种类用m代表:m=0、1,分别表示化纤织品偏多和棉织品偏多；水温用t代表:t=0、1,分别表示水温偏高和一般；洗涤物负载用l代表:l=0、1、2,分别表示偏小、中等、偏大。根据输入量的各种组合,制定模糊规则表,见表3。模糊规则由3个输入量构成了一张三维数据表,规则表以三维数组的形式存储,2个输出量含义:洗涤时间用Tm[m][t][l]代表:0、1、2分别表示洗涤时间短、中等、长；洗涤强度用Pw[m][t][l]代表:0、1、2分别表示洗涤强度为弱、中等、强。

表3　模糊控制规则三维数组表

根据表3,把洗涤时间Tm[m][t][l]=0、1、2分别确定为具体浸泡时间、洗涤时间和脱水时间的长短,以此来顺序执行洗涤流程；把Pw[m][t][l]= 0、1、2分别确定为电机的旋转速度[5-6]。

3.2.4第四步:制订计划

根据创新设计的思路和方案,按如下流程制订实施计划:方案设计→系统资源分配→硬件框图和软件组成设计→硬件电路设计→软件编程→调试与运行→撰写报告、论文、作品说明书以及PPT汇报。

3.2.5第五步:实施计划

洗衣机环保节能创新设计按照制定的计划实施,过程中需要不断完善修正[7]。洗衣机电脑控制器硬件结构见图2,洗衣机模糊控制工作流程见图3。

图2　洗衣机电脑控制器硬件结构图

图3　洗衣机模糊控制工作流程图

3.2.6第六步:交流评价

学生制作PPT进行汇报,并结合作品演示,由教师和学生组成答辩组进行课题答辩。PPT汇报主要包括方案设计、硬件和软件设计以及调试运行,要突出设计的创意创新策略以及实现,特别要注意环保节能的对比,以实验数据分析说明。

3.2.7第七步:完善总结

在课题设计与实现的过程中,一方面研究作品有哪些需要完善，另一方面改进团队合作,使其工作更好。为了使我们的生活更美好、更生态环保,对家电环保节能提出改造和研究的设想。

4　实践创新训练工作室

洗衣机节能环保实践创新训练工作室主要功能:开设专业选修课,采用师傅带徒弟、学长带学弟学妹的形式,以洗衣机为典型案例,融合扩展到新型机电一体化设备的创意设计制作,培养学生爱动手、爱创新的精神,提高工程开发与创新能力。

工作室按功能划分为5个区:实践动手区、创意讨论区、设计开发区、材料准备区和成果展示区,见图4。

图4　洗衣机节能环保实践创新训练工作室平面图

学生在工作室需要开展的工作如下:

(1) 半自动洗衣机、波轮式全自动洗衣机和滚筒式全自动洗衣机拆卸、安装以及零部件购买,替换洗衣机部件并重构洗衣机,做到认识并熟悉洗衣机维修,提高动手能力和动手实践的兴趣。

(2) 组成团队小组,针对洗衣机节能环保设计进行创意讨论、开展洗衣机全自动节能环保设计与实现、构建基于物联网的信息化控制与管理网络,见图5[8-10]。

图5　洗衣机信息控制与管理结构示意图

(3) 进行创意设计开发、申请专利、参加发明类和电子设计类竞赛。

5　总结与展望

大学生实践创新训练旨在激发引导广大学生创新创意创业的热情和兴趣,不仅要有远大的理想目标,更要有实干的精神和行动。实践证明,通过大学生实践创新训练的开展,采用洗衣机作为训练载体,着眼于环保节能策略的设计与实现,训练学生实际动手能力的同时,增强他们的环保意识,由日常生活中洗衣机环保节能的改进,扩展到多种家电产品的节能改造与设计,采用物联网的技术手段,以信息家电为主,通过室内建设信息家居创新训练实训室、户外建设新能源环境参数采集与监控系统,培养创新型人才。

References)

[1] 李晓霞.波轮式全自动洗衣机的原理及构造[J].甘肃科技,2012,28(18):50-51.

[2] 井新宇.电子设计自动化技术教学改革的研究:七阶段教学法的应用与推广[J].实验室研究与探索,2010,29(12):202-205.

[3] 彭光雄.潘勇.综合职业能力导向下课程体系改革的思考与实践[J].教育与职业,2013(33):126-128.

[4] 鲁建国.节能减排已成为洗衣机行业绿色发展大势所趋[J].家用电器,2014(6):34-35

[5] 黄河,刘福华,王信.基于单片机模糊推理的洗衣机控制系统设计[J].电子设计工程,2012,20(7):186-192.

[6] 黄杰,张相胜,杨莉,等.基于模糊逻辑的洗衣机洗涤时间控制[J].江南大学学报:自然科学版,2012,11(1):10-13.

[7] 刘晓彤.基于Proteus 的全自动洗衣机控制系统设计[J].微计算机信息,2012,28(9):146-147.

[8] 周超琦,朱正羊,耿明翠.基于物联网的应答式洗衣机系统[J].计算机时代,2015(2):10-14.

[9] 王一珉,李晓林.优化实验室资源配置,支撑创新型人才培养[J].实验技术与管理,2010,27(12):221-223.

[10] 马传峰.实验室资源的开发与开放[J].实验技术与管理,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

职业技术教育

2016-03-17

井新宇(1971—),男,江苏江阴,硕士,副教授,系主任,研究方向为仪器仪表及系统.

E-mail：j_xinyu@163.com

G642.0

A

1002-4956(2016)9-0200-04