机电一体化实例

套缸(全自动)洗衣机的分析和改进洗衣机的现实意义：现代人的生活，除了拼命工作挣钱，剩下的宝贵时间都要来吃喝玩乐或学习深造，没有什么人愿意在洗衣这种事情上耗费精力，于是洗衣机成为家庭主妇和单身贵族都必不可少的好帮手，不过在对生活质量有了更高的要求和更多的追求之后，人们对洗衣机的要求已经不仅仅局限于洗干净衣服了，外观美观，使用方便，省水，节电，运转宁静，衣服磨损小等要求，一个也不能少，那样对用户来说就没有挑剔的余地。为了满足市场的需求和人们生活水平的提高，洗衣机已经成为不可或缺的家电产品。一：套缸(全自动)洗衣机基本结构、分析及其工作原理1．1：套缸（全自动洗衣机）基本结构套缸(全自动)洗衣机由洗涤系统、传动系统、给（排水）系统、支承系统、控制系统和箱体组成。还包括安全开关、注水阀、水位开关、电源开关、电子程控器、排水阀电磁铁、减速离合器和电机等部分。（1）洗涤系统：套缸(全自动)洗衣机的洗涤系统由盛水捅、脱水桶、盛水桶罩、波盘等组成。它的洗涤系统包括脱水系统。盛水桶既作洗涤桶用又作脱水缸用。（2）传动系统：套缸（全自动）洗衣机的传动系统由减速离合器、皮带轮、传动皮带、电动机、波轮等组成。电动机的动力经传动皮带、减速离合器传递给波轮和脱水桶，实现洗涤和脱水。其洗涤和脱水的转换，是利用离合器的组件、抱簧和制动杆来实现的。（3）支承系统和箱体：套缸（全自动）洗衣机的箱体一般采用1mm左右的薄钢板制成。箱体背面开口，顶部和底部四个角设角撑，上角撑与吊杆连接，下角撑装有支承脚体。支承系统的四根吊杆把整个箱体及传动机构一起吊压在箱体的四角。支撑杆总成包括减振弹簧，一般洗衣机采用阻尼筒。（4）给、排水系统：套缸（全自动）洗衣机的进水管一头接在进水龙头上，另一头接在进水电磁阀上，由程控器电磁阀控制。套缸（全自动）洗衣机的排水系统有电磁铁牵引器和排水阀体组成。电磁铁牵引器由程控器控制。排水时，电磁铁牵引器将排水阀的排水水封拉到一定的位置，使洗涤液体通过排水口排出机外，排水结束后，电磁铁牵引器断电，排水阀心弹簧复位，拉动排水水封堵住了排水口，完成整个排水过程。（5）控制系统：套缸（全自动）洗衣机的控制系统由程序控制器、电源开关、水位开关、安全开关等组成。核心是电动程序控制器。洗衣机的进水、洗涤、漂洗、排水、脱水等全过程由控制系统控制洗衣机，按照设定程序进行工作。1．2：套缸（全自动）洗衣机的工作原理以国产XZ---1A型电动程序控制器为例：1.2.1：电动程序控制器：该程序控制器备有长、短两个周期的工作时间。长周期为26min，其编程为进水→洗涤→排水→漂洗→排水→脱水→关机；短周期为19min，其编程和长周期相同。1.2.2：电动程序控制器的工作原理如图(3)所示：当洗衣机接上电源时，指示灯亮，此时程序控制器接通电源，洗衣机全程序电源接通，按照编程顺序。进水电磁阀ZF开启进水，此时电流回路为火→A—a1→B→b1→C→c2→QK—1→QK→3→ZF→0；当进水达到预定的位置时，水位选择检测器的贮气室压强增大，导致开关触点QK—1，由QK—3向QK—2转换，进水电磁阀断电而停水。同时驱动微电机TD得电，洗衣机进入洗涤过程，波轮以正转→停→反转的程序运转。一般衣料细薄衣料转向凸轮程控器马达旋钮推入旋钮拉出开关凸轮进水凸轮排水凸轮马达凸轮220水位开关）（水已足水不足磁吸线圈排水阀磁吸线圈进水阀限干洗洗和漂联接凸轮备用水凸轮备用凸轮排完留水水漂完排减速洗衣马达减速图1XZ---1A型程序控制器由凸轮组电气原理如图所示换向三联四联XZ——1A型程序控制器凸轮组接线图(2)洗衣机的“中”挡电路为：火→A—a2→B→b1→C→c2→QK—1→QK—2→E—Q1→G—g2→BD→地（正转）→TD—D→G—g0（停转）→E→→G—g1→E—e1→BD→地（反转）→D—D—d2→G→g0（停转）一火2201不排水23排水黄下上粉红灰棕白红灰灰蓝白灰灰白白蓝蓝白白黑白蓝黄棕黄黑白蓝蓝白电动程序控制器工作原理图(3)当洗涤结束时：触点C—c2、D—d2、E—e1在各自的凸轮盘控制下分断，使洗涤电动机失电而停转；同时，C—c1、D—d0、E—e1转换接通，使排水电磁阀PE得电开启，洗衣机进入排水程序。电流回路为：→E—e2→E→TD→地火→A—a2→B→b1→C→→C→c1→PF→地电磁阀开启排水后：由于桶内水位降低，水位检测开关QK内的密闭气室的气压减弱，使内部触点QK—1自动复位转换到QK—3的位置上，为下一个漂洗程序的进水操作准备。待排水程序终了时，触点C—c1、D—d0、E—e1又在各自的凸轮盘控制下同时分断，使C—c2、D—d2、E—e1同时恢复常态，开始进入漂洗过程。微电机TD由于QK的分断而停止运行，待桶内达到一定的水位后，重复上述的过程。当最后一个排水的过程快要结束时，触点D在其凸轮盘的指令下，从D—d0跳到D—d1，使电磁蜂鸣器得电发出音响信号，电流回路为火→A—a2→SK—3→SK—1→A—a0→A→TD→地→E—e2→E→B—b1→C→→D→D—d1→FM→地→C—c1→PF→地此时触点A在其组凸轮盘的指令下与A—a1分离跳位至A—a挡（停），整机的电源输入通路被切断，全程洗衣结束。简而言之，套缸（全自动）洗衣机工作时，首先由程序控制器进水电磁阀向桶内注水，达到预定水位时，水位压力传感器发出停止进水信号，同时进入洗涤程序，洗涤结束后程序控制器排水电磁阀动作，牵引排水阀，拉动排水水封进入排水，排水结束后进入脱水程序。脱水结束后，进入漂洗程序，在自动转入脱水程序。脱水完毕后，蜂鸣器发出音响信号，全程序洗衣过程结束。二：分析该洗衣机实现方案的特点2．1它采用波轮传动，其传动部分除了皮带传动外，好辅助齿轮减速装置，因此，实现了低速转动和频繁转换。具有磨损小、不缠绕洗涤物、洗净度很高的优点2．2：电动程序控制全自动洗衣机的控制器：由一个微型电动机驱动几组凸轮系统，控制弹簧片触点的开断来实现程序控制动作。这样传动的路线过长，机械传动可靠性不高，往往因为一个部件的磨损会影响到洗衣机的效率，甚至寿命。因此，可靠性和寿命不高。2．3：洗涤程序单一，无法根据衣服的衣料、衣量、赃污的程度，通过洗衣机分析和计算处理后，寻找合适的程序自动完成洗涤、脱水和干燥的全过程。2．4：在传动系统中存在弊端：其具体结构是由多孔的脱水桶和储水的外桶组成，脱水时，脱水桶高速旋转，水被甩到外桶后经过管道排出，如图所示，脱水桶和外桶的空间不能存放任何洗涤衣物，是无效的空间，这个无效的空间约为脱水的有用空间的1/2，当洗涤时，这部分无效的空间和脱水桶同样充满水，所耗费的水和洗涤剂时非常可观的排水阀离合器波轮皮带牵引器电机脱水桶外桶主要存在以下的问题：（a）对于泥沙，因为洗涤时已经沉在脱水桶的底部，并且比重比水重，较难向上排出；（b）脱水桶与外桶之间的无效空间仍然存在，还增加了脱水桶和内桶之间的无效空间，且水和沙要往上排出，脱水桶桶壁要有一定的斜度，则洗涤的容量小于普通的洗衣机；（c）全自动洗衣机因为重心在底部，且脱水桶与外桶是在底部安装结合的，即底部的刚度大，脱水时桶底部的振幅小于顶部，因而，外桶顶部与体之间，脱水桶和外桶之间均要留有足够的空隙，防止振动时相互撞击，着就是无效空间的来源，当脱水桶的底部小、顶部大时，无效空间就更大。三：对上面的洗衣机进行改进。3．1对传动系统弊端进行改进，设计成为节水新结构针对现有的技术所存在的问题，设计一种新的方法，利用脱水桶壁斜度的变化，使桶壁对水产生的向心力的分力与重力一致，达到顺利排出泥沙、扩大洗涤容量、节水的目的。如图是新的节水洗衣机结构，其特征在于：用一个底部直径较大、顶部直径较小的脱水桶兼洗涤桶，脱水桶的桶壁没有常规的排水孔，当洗涤完成后，牵引器动作，排水阀被打开，水往桶底中心附近的空排出到排水管道。排水管路在脱水桶与底盘总成之间有密封圈防止洗涤时水的泄露。当脱水时，洗涤物所含的水在离心力的作用下往桶壁的方向运动，当碰见桶壁后，水受到桶壁的压力NF的作用，压力NF是垂直于桶壁的，因为桶壁向下倾斜，故NF在垂直的方向上有向下的分力，于垂直的方向一致，水在压力与重力的合力的作用下沿着桶壁流到底部，在桶壁底部装有离心式排水阀（对称安装）。是两种不同类型的排水阀，桶不旋转时，A类阀在弹簧的压力下起密封的作用，B类阀在自重以及水的压力下起密封作用；桶高速旋转时，阀在离心力的作用下被打开，水通过阀流向底盘总成，然经排水管流出。排水管排水孔离心式排水阀波轮排水阀离合器皮带牵引器电机脱水桶节水新结构图这种新结构有以下优势：（1）没有外桶，所以没有无效的空间，大大降低了水和洗涤剂的用量；（2）水往下排出，与重力的方向一致，可保证泥沙的顺利流出；（3）洗涤的动力在脱水桶的底部，而新结构脱水桶底部的空间最大，因此洗涤容量大、效率高；（4）洗衣机重心在底部、且底部刚性大脱水时桶底部的振幅小于顶部，新结构正好是底部尺寸大于顶部，因此，脱水桶直径可做的稍大一些，洗涤量也更大。3．2对节水新结构进行受力分析，并分析其优越性3．2．1桶壁的倾斜度分析新结构所受的力如上图所示，主要是水的重力W，水和桶壁之间的摩擦力f，桶壁对水的压力Fn。一般脱水桶的转速约为n=800rpm，w=83.7rad/s，半径约为r=200mm，W=mg。设计时研究桶壁与铅直方向的夹角为多大，才能满足迅速排水和容量尽量大的双重目的。根据受力图可列出以下的方程cossin2mrwWFn（1）sincos2mrmafW（2）a为水沿着桶壁的方向流动的加速度值。当桶静止时，水给桶的压力相当于一个大气压的作用。在重力及摩擦力jf的作用下，水仍可以沿桶壁穿过衣物流动，此时，同静止的加速度ja=0,故有0cosjjafW即jfWcos脱水时，水给桶壁的压力大小等于Fn，因为很小2mrFn，而阻力可认为主要是水的动力黏度引起，根据流体力学原理，普通的压力对液体的黏度几乎没有影响，在510工程大气压下，水的黏度增加到一个工程大气压的2倍，保险起见，取cos22mgffj，要向下排水顺畅，可取a=g，所以ggracossin2（3）由于水沿着桶壁流动时，受到衣物的阻挡，衣物由一定密度的纤维组成，水穿过衣物可近似认为是流动截面变宽，而截面变窄导致动力损失，起最大阻力系数为0.5，简单起见，假设这个过程中加速度损失一半，式（3）可变为ggra)cossin(5.05.02则022.1/3rg3．2．2离心式排水阀的设计离心排水阀在洗涤时起密封的作用：洗涤时波轮转速n200rpm，洗衣机一般为h=0.5m，排水管的直径约0.06m，面积约为0.003m。此时，阀体处最大静水压是Pagh4900，动态水压PaV88202。对于A型阀，假设动态水压全部作用在排水阀上与弹簧顶压力相反的方向，静水压是有利于密封的，则可设弹簧的预压力离心排水阀的受力分析图f=25.6N，设弹性系数为k，重力所做的功很小，可不给予考虑，则阀体质量1M与弹性系数的关系为2/)(2/212221krM这里,06.0,/1211kF得到：2211/)0036.012.0(rkFM若取K=1000N/m,则:M1=0.024kg对于B阀，对球的直径为d0.06m，脱水时离心力222rMF,则有：bgMhF22得,8.142//2grhbh=0.21mm相对与b，h→0。也即球的直径只要比排水口的直径稍大即可。约为4900pa。动态水压8820Pa，设其合力作用点在半球截面的重心，作用面积为1/2球截面面积，保证洗涤时有良好密封条件的球的质量为:3/28/8820)003.04900(22ddbgM因为球的半径趋近与b。近似用b代替，则有3.56/88207.1422dgM上式说明：只要球的直径控制的好，球的重量很轻就可以起到很好的密封3．3把电动程序控制器改进成为电脑