Стирающий шар. Разрешение одного из противоречий стиральной машины

В общем случае стиральная машина представляет собой ёмкость с моющим раствором (вода и стиральный порошок), в который помещается бельё. При стирке раствор в ёмкости активируется либо за счёт вращения самой ёмкости, либо за счёт применения специальных лопастных мешалок. Затем раствор сливается, и оставшаяся в белье жидкость отжимается. Для этого ёмкость начинает быстро вращаться, и центробежная сила удаляет остатки воды.

Далее следует несколько полосканий. В ёмкость заливается чистая вода и активируется уже для вымывания из белья стирального порошка. Затем вода снова отжимается, и цикл "полоскание-отжим" повторяется несколько раз.

В некоторых машинах предусмотрена сушка белья горячим воздухом.

Таким образом, стиральная машина работает в двух основных режимах: в режиме активации моющего раствора или воды (стирка и полоскание) и в режиме отжима воды из белья.

Всё разнообразие стиральных машин можно свести к двум основным типам: машины, в которых ось вращения ёмкости c бельём расположена горизонтально (Рис.1, а), и машины, в которых ёмкость вращается вокруг вертикальной оси (Рис.1, б)

Рис.1. Устройство стиральных машин: а) с горизонтальным расположением барабана; б) с вертикальным расположением барабана.

В машинах с горизонтальной осью вращения моющий раствор активируется за счёт медленного вращения ёмкости с бельём. По сути дела, это барабан с дырчатыми стенками, который расположен в неподвижной ёмкости с моющим раствором.

Кроме непосредственного действия активированного моющего раствора на бельё, в машинах такого типа возникает дополнительный интересный эффект. Поскольку на стенках вращающегося барабана выполнено несколько выступов, бельё периодически захватывается ими, поднимается на некоторую высоту, затем срывается и падает обратно. При падении белья в моющий раствор струи жидкости с силой пронизывают ткань, хорошо удаляя загрязнения.

Насколько хорошо и просто организован в машинах с горизонтальной ёмкостью процесс стирки и полоскания, настолько сложно обеспечить в них удаление воды из белья. Всё дело в том, что бельё в горизонтальном барабане располагается компактно и при вращении создает сильный дисбаланс. Уравновешивание вращающегося горизонтального барабана - это сложная проблема. Самый простой способ её решения состоит в том, что на заднюю стенку барабана крепится тяжёлый груз - бетонный диск, масса которого намного больше, чем масса отжимаемого белья. Это, если можно так выразиться, основное уравновешивание барабана. Кроме того, существует масса патентов на дополнительное уравновешивание горизонтального барабана, например, за счёт расположения по его периметру кольцевой полости, частично заполненной жидкостью.

Вода из белья отжимается тем лучше, чем выше скорость вращения барабана. Поскольку скорость вращения горизонтального барабана в принципе ограничена, процесс отжима воды из белья недостаточно эффективен. Это приводит к добавочному расходу энергии на сушку белья после стирки. Кроме этого, стиральная машина с горизонтальным барабаном и фронтальной загрузкой не очень удобна эргономически. Чтобы положить туда бельё или достать его после стирки, приходится нагибаться.

Машина с вертикальной осью вращения имеет только один вращающийся бак для моющего раствора. Моющий раствор активируется за счет вращения дополнительной лопастной мешалки, установленной на дне бака. Для удаления воды при отжиме белья бак вместе с мешалкой приводится в быстрое вращение. Достоинством такого типа машины является простота конструкции, поскольку мы имеем только одну ёмкость - бак для моющего раствора и белья. Конечно, здесь добавляется дополнительный узел - лопастная мешалка, зато совершенно отсутствует система для балансировки бака при его быстром вращении. Дело в том, что при вращении вертикального бака, бельё располагается более или менее равномерно на его дне, не вызывая большого дисбаланса. Эргономически такая система тоже удобнее - можно вынимать и загружать бельё в более удобной позе.

В качестве недостатка можно назвать то обстоятельство, что действия лопастной мешалки часто недостаточно для хорошего отстирывания белья. Попытки сделать мешалку с развитыми лопастями или шнековую, а также повысить частоту её вращения потерпели неудачу. Чем активнее работает мешалка, тем сильнее истирается и повреждается бельё при стирке.

Мы не будем рассматривать способы улучшения процесса стирки, которые могут быть одинаково применены для машин и с вертикальной и с горизонтальной осью вращения ёмкости, такие как оптимизация параметров моющего раствора и режимов работы машины, подача пузырьков воздуха в моющий раствор, применение ультразвука и т.п.

Наша цель - попытаться разрешить противоречие между двумя основными типами машин.

Сведём достоинства и недостатки обоих вариантов в таблицу:

Что хорошо у одного типа машины, то плохо у другого, и - наоборот. По сути дела мы имеем здесь две альтернативные системы [1,2] для выполнения одной и той же функции. Для усовершенствования таких систем необходимо объединить их таким образом, чтобы новая система получила только положительные свойства от обеих альтернативных систем.

Основное противоречие стиральной машины можно сформулировать следующим образом:

• Ось вращения ёмкости должна быть горизонтальной, чтобы обеспечить качественную стирку и полоскание белья.

• Ось вращения ёмкости должна быть вертикальной, чтобы обеспечить хорошую балансировку при отжиме воды из белья.

Если рассуждать о некотором компромиссном варианте, то сразу же приходит в голову мысль о наклонном положении ёмкости. По этому пути пошли ряд компаний, представивших на рынок машины с наклонной осью вращения барабана. Например, в стиральной машине Samsung барабан наклонён к горизонту на 12 градусов (Рис.2). Несомненным преимуществом такой машины является улучшение её эргономичности - в барабан стало удобнее загружать бельё. Но трудно сказать, имеет ли этот наклон какое-то практическое значение для улучшения балансировки.

Рис.2. Машина с наклонным барабаном.

Если же предельно обострить противоречие, то требования к ёмкости для белья становятся взаимоисключающими: ось вращения ёмкости должна быть и горизонтальной, и вертикальной.

Такие противоречивые требования к одному и тому же элементу системы можно разделить во времени.

Действительно, при загрузке белья и отжиме воды за счёт быстрого вращения, ёмкость должна располагаться вертикально, а при стирке и полоскании гораздо выгоднее вращение ёмкости вокруг горизонтальной оси. При выгрузке белья вообще желательно, чтобы горловина была наклонена вниз, и бельё само падало в тазик.

Разрешить это противоречие можно за счет дополнительной динамизации. Представим себе обычную стиральную машину с вертикальной осью вращения, которая шарнирно закреплена на дополнительной раме (Рис.3). Тогда для стирки достаточно просто повернуть машину на бок, сделать ось вращения ёмкости горизонтальной. Для отжима и выгрузки белья необходимо вернуть машину в исходное положение. Необходимо небольшое изменение формы ёмкости. Лучше выполнить её горловину сужающейся, чтобы не вытекала вода.

Наличие дополнительной рамы и поворотного устройства несколько усложняет машину, но зато из её конструкции можно удалить лопастную мешалку и балансировочное устройство.

Рис.3. Схема поворота стиральной машины.

Если попробовать свернуть полученную конструкцию, то есть удалить из неё ненужные элементы и оптимизировать оставшиеся, можно придти к следующему выводу: стиральная машина должна иметь сферическую форму (Рис.4). Ёмкость сферической формы с водой и бельём устанавливается на основании, в котором расположены электродвигатели и водоподводящие трубопроводы. Из основания выступают четыре ролика, каждый из которых приводится своим электродвигателем.

Рис.4. Схема сферической стиральной машины.

Сферическая ёмкость для воды опирается на вращающиеся ролики, которые могут раскручивать её в разных направлениях и поворачивать из вертикального положения в горизонтальное и наоборот. На рис.5 показано положение роликов при основных режимах работы машины.

Рис.5. Варианты положения приводных роликов.

Если ролики установить так, чтобы их оси вращения пересекались в центре окружности (Рис.5, а), то можно раскрутить сферическую ёмкость для отжима белья. Поскольку вода будет при вращении отжиматься к экватору сферы, необходимо предусмотреть внутри неё дополнительный сетчатый каркас для белья и вращать барабан с остановками, чтобы дать возможность стекать накопившейся воде.

Ролики установлены параллельно и медленно вращаются в одну сторону - ёмкость поворачивается из вертикального положения в горизонтальное (Рис.5, б).

Чтобы при стирке и полоскании в горизонтальном положении ось вращения ёмкости проходила через загрузочный люк машины, ролики нужно развернуть на 90 градусов (Рис.5, в).

Рис.6. Торможение барабана.

Кроме того, было бы полезно, если бы эти ролики могли убираться внутрь основания (Рис.6). Если ролики выдвинуты, ёмкость с водой приподнимается и может вращаться свободно, если же ролики убраны, ёмкость ложится на основание и соединяется с трубопроводами для подачи и удаления воды.

Такой вот получился стирающий шар. Возможно, что-то подобное уже изобретено, но пока нет информации о выпуске машин такого типа, хотя каких-то особых технологических трудностей при их реализации не ожидается, а преимущества - налицо.

Что касается практического выполнения такой конструкции, то вращающийся шар можно спрятать под прозрачный корпус. Будет не так красиво, но более практично.

Литература:

1. С.Литвин, В.Герасимов. "Развитие альтернативных систем путем объединения их в надсистему". Журнал ТРИЗ, 1990

2. Владимир Герасимов. ПЛЕТЕНЬ, Изобретательская байка. http://www.trizminsk.org/e/212003.htm

Примечание Владимира Герасимова:

"Здравствуйте, Николай!

Так получилось, что увидел вашу статью про шаровидную стиральную машину только сегодня (11.10.05). Сразу скажу - мне статья понравилась - четко, просто, убедительно. Известно это решение, или нет - дело десятое. У вас хорошо показан путь, которым вы вышли на окончательное решение (или путь, которым можно выйти на это решение)…

После прочтения статьи у меня появилось несколько развивающих идею соображений:

- наверное, можно поставить не 4, а 3 ролика; во-первых, экономим на роликах; во-вторых, через три точки легче согласоваться со сферой.

- есть смысл ось поворота роликов провести через центр сферы (см. рис. 1).

Рис.1	Рис.2

- все три ролика должны иметь возможность поворачиваться вокруг оси поворота, но ведущим роликом может быть только один (два другие - пассивные, т.е. только поддерживающие).

- для торможения сферы (см. рис 6 в тексте статьи) достаточно опустить только один ролик.

- отверстие в стиральном шаре может быть закрыто крышкой с уплотнением (как дверь в корпусе самолета). Это позволит вращать сферу не только в горизонтальном и вертикальном направлениях, но и по более сложным траекториям (например, вращать вокруг центра О - см. рисунок - "как попало").

- если кронштейн у поддерживающего ролика сделать несимметричным (см. рис.2), то устанавливаться в нужное положение при повороте ведущего ролика он будет сам"