廖博文，臧天朔，江可玥

（武漢理工大學(xué) 機(jī)電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 引言

日常生活中，洗衣機(jī)對(duì)于洗滌劑的依賴程度最高，現(xiàn)今設(shè)計(jì)的洗衣機(jī)盡管會(huì)通過各種方式來減少水和洗滌劑的使用，但由于機(jī)械式的清洗以及翻滾沖洗難以清除附著在衣物上的污垢，目前，洗衣機(jī)都無法做到在無洗滌劑的狀態(tài)下清洗衣物?？紤]到洗滌劑帶來的種種弊端，近幾年有團(tuán)隊(duì)研究出超聲波洗衣機(jī)。這種洗衣機(jī)利用超聲波的能量作為水體空化的條件，基于空化去污的原理進(jìn)行衣物的清洗。但是這種洗衣方式同樣也存在著很明顯的缺陷，對(duì)質(zhì)地較硬、聲反射強(qiáng)的材料的超聲波清洗效果較好，而柔性物體會(huì)吸收超聲波，降低了洗衣效果。

基于以上問題，我們?cè)O(shè)計(jì)了一種基于機(jī)械動(dòng)力的水力空化裝置，利用空化原理對(duì)衣物進(jìn)行清洗并且保留洗衣機(jī)的傳統(tǒng)工作模式，保證裝置本身的衣物清潔能力。本裝置的設(shè)計(jì)思想在于沿用水體空化去除衣物污漬的方法，將超聲波空化的方式改為水力空化，并且利用空化產(chǎn)生的氣泡潰滅時(shí)放出的瞬時(shí)高溫高壓的條件，將水分解為富有氧化性的活性物質(zhì)，從而對(duì)衣物污漬進(jìn)行去除，既避免了洗滌劑造成的水體污染，又避免了超聲波空化清洗效果不理想和清洗范圍較窄的問題。

2 方案設(shè)計(jì)

本項(xiàng)目依據(jù)國家節(jié)能減排的倡導(dǎo)，通過市場調(diào)研及研究發(fā)現(xiàn)，目前，洗衣機(jī)使用量巨大，并且需要配合使用洗滌劑，這不僅會(huì)消耗大量的化學(xué)原料，還會(huì)對(duì)環(huán)境造成污染?；谶@一現(xiàn)狀，本項(xiàng)目設(shè)計(jì)了一種基于旋轉(zhuǎn)空化原理，無需使用洗滌劑的水力空化洗衣機(jī)。項(xiàng)目具體研究內(nèi)容如下：①空化反應(yīng)發(fā)生桶的設(shè)計(jì)。在液體中結(jié)合高速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置和類文丘里管，構(gòu)成空化反應(yīng)發(fā)生的條件，通過對(duì)于這些孔參數(shù)的優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到較好的水力空化效果。②洗衣機(jī)本身的電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，與空化反應(yīng)器差速，使得裝置可以達(dá)到在通過波輪進(jìn)行洗衣過程的同時(shí)，由空化反應(yīng)器產(chǎn)生空化反應(yīng)，產(chǎn)生羥基自由基洗滌衣物。本項(xiàng)目中對(duì)于傳統(tǒng)的波輪式洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)上的改良及整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 空化洗衣機(jī)外觀圖

由于空化產(chǎn)生的條件極為苛刻，需要較大的動(dòng)力源驅(qū)動(dòng)，因此，我們考慮直接利用波輪式洗衣機(jī)的自身動(dòng)力源進(jìn)行驅(qū)動(dòng)。整體的空化反應(yīng)容器存在于洗衣機(jī)內(nèi)外筒之間，在獨(dú)立驅(qū)動(dòng)源工作時(shí)，將帶動(dòng)波輪與空化發(fā)生裝置同時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)，通過離合器結(jié)構(gòu)實(shí)現(xiàn)兩種裝置的差速，當(dāng)波輪轉(zhuǎn)動(dòng)與空化過程同時(shí)發(fā)生時(shí)，利用羥基自由基對(duì)于污漬的去除能力，可以得出該裝置能夠達(dá)到原有的波輪式洗衣機(jī)的洗衣效果。

3 整體設(shè)計(jì)

通過對(duì)傳統(tǒng)的波輪式洗衣機(jī)結(jié)構(gòu)與應(yīng)用的優(yōu)化設(shè)計(jì)，新型裝置的工作流程得到了很大程度上的優(yōu)化，執(zhí)行所有工作流程所需要的時(shí)間也被縮短。由于該項(xiàng)目裝置的工作流程基于水力空化產(chǎn)生的高活性氧化類物質(zhì)羥基自由基對(duì)于衣物的清潔功能，最終通過一定的機(jī)械結(jié)構(gòu)達(dá)到洗衣機(jī)中的空化條件，并且實(shí)現(xiàn)清洗功能。對(duì)于傳統(tǒng)的洗衣機(jī)工作流程而言，開始時(shí)需要一定的溫水和洗滌劑浸泡衣物，并且使得洗滌劑中的酶活性達(dá)到最高；攪拌清洗過程中，通過不斷加水使得內(nèi)筒中水的洗滌劑含量逐漸減少，在最終脫水環(huán)節(jié)前使得水中的洗滌劑含量降低至最小值，最后完成脫水環(huán)節(jié)。

由于該裝置的創(chuàng)新設(shè)計(jì)，新的洗衣過程不需要洗滌劑的參與，因此，洗滌劑的稀釋即衣物的脫水過程所需要的時(shí)間和水量可省去。

4 模塊設(shè)計(jì)

空化反應(yīng)是該項(xiàng)目的主要原理，在液體中結(jié)合高速轉(zhuǎn)動(dòng)的裝置和類文丘里管，構(gòu)成空化反應(yīng)發(fā)生的條件，通過調(diào)節(jié)縮口尺寸和形式就能控制空化的劇烈程度。Badve[1]等對(duì)一種內(nèi)孔旋轉(zhuǎn)結(jié)構(gòu)空化器進(jìn)行了流動(dòng)分析，通過分析得出空化器旋轉(zhuǎn)過程中流線結(jié)構(gòu)、壓力場合流動(dòng)剪切速率的變化規(guī)律，在調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)子轉(zhuǎn)速的過程中，空化流動(dòng)過程將產(chǎn)生最好的效果。裝置工作時(shí)，處于一種高速旋轉(zhuǎn)的狀態(tài)，水體從裝置的一端流進(jìn)并從另一端流出，高速旋轉(zhuǎn)的轉(zhuǎn)子在這期間產(chǎn)生水力空化效果。通過調(diào)節(jié)孔徑的深度與尺寸大小，就可以控制整個(gè)轉(zhuǎn)子的轉(zhuǎn)速以及空化劇烈程度。通過對(duì)于這些孔的參數(shù)優(yōu)化設(shè)計(jì)，達(dá)到較好的水力空化效果。

在相同的運(yùn)行時(shí)間內(nèi)，裝置的水處理效果取決于孔內(nèi)空化發(fā)生和水汽交換的劇烈程度，此處將空化發(fā)生劇烈和水汽交換頻繁作為評(píng)判該空化器空化效果的重要指標(biāo)。在上述孔內(nèi)流動(dòng)分析發(fā)現(xiàn)孔自身的結(jié)構(gòu)參數(shù)對(duì)空化效果影響最大，因此我們選取孔深度L、孔徑D和孔傾角α為變量。

孔徑對(duì)水汽交換效果發(fā)揮主要作用，不直接影響空化區(qū)域大小，孔徑越大，水流越容易到達(dá)孔底部，促進(jìn)水汽交換，提高水處理質(zhì)量，在分析洗衣機(jī)本身的電機(jī)轉(zhuǎn)速以及需要的空化效果后，在不進(jìn)行變速的情況下，將空化發(fā)生器結(jié)構(gòu)直接連接在裝置電機(jī)處，調(diào)節(jié)孔徑參數(shù)設(shè)計(jì)，進(jìn)而達(dá)到最好的空化效果。

基于對(duì)以上3種參數(shù)的設(shè)計(jì)校核，我們對(duì)空化發(fā)生器裝置進(jìn)行了仿真，由仿真結(jié)果可知，當(dāng)轉(zhuǎn)速為2 850 r/min時(shí)，孔深度為5 mm，孔徑為13 mm，孔傾角為30°時(shí)，空化效果最好，洗滌的效果最優(yōu)。

當(dāng)裝置的支撐架結(jié)構(gòu)與桶內(nèi)壁平行時(shí)，空化發(fā)生裝置受到的阻力最小，同時(shí)產(chǎn)生的力矩最大，對(duì)于電機(jī)的功耗最小，能夠達(dá)到最優(yōu)的空化效果。

本裝置的機(jī)械結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)主要在于用洗衣機(jī)本身的電機(jī)動(dòng)力驅(qū)動(dòng)空化反應(yīng)器高速旋轉(zhuǎn)產(chǎn)生空化作用，在波輪旋轉(zhuǎn)時(shí)，空化反應(yīng)器本身由行星齒輪傳動(dòng)離合器上的旋轉(zhuǎn)驅(qū)動(dòng)，二者差速，使得裝置可以達(dá)到在通過波輪進(jìn)行洗衣過程的同時(shí)由空化反應(yīng)器產(chǎn)生空化反應(yīng)。

通過這個(gè)機(jī)械結(jié)構(gòu)的連接，將會(huì)實(shí)現(xiàn)波輪與空化發(fā)生器同時(shí)但卻不同速度的轉(zhuǎn)動(dòng)，當(dāng)進(jìn)行甩干等過程時(shí)，離合器分離，波輪單獨(dú)旋轉(zhuǎn)實(shí)現(xiàn)甩干，從而滿足洗衣的不同過程以及空化發(fā)生的需要。

5 結(jié)束語

本裝置通過對(duì)傳統(tǒng)的波輪式洗衣機(jī)進(jìn)行改造，結(jié)合機(jī)電一體化技術(shù)設(shè)計(jì)，可有效減少洗衣機(jī)使用時(shí)的水量消耗，同時(shí)產(chǎn)生了具有清潔效果的羥基自由基，提高了去污能力，還可以取代原有的含磷等化學(xué)成分的洗滌劑的投放使用，減少了洗滌劑對(duì)于環(huán)境的破壞，能夠達(dá)到較好的節(jié)能減排效果。