У загальному випадку пральна машина являє собою ємність з миючим розчином (вода і пральний порошок), в який поміщається білизна. При пранні розчин в ємкості активується або за рахунок обертання самої ємності, або за рахунок застосування спеціальних лопатевих мішалок. Потім розчин зливається, і залишилася в білизні рідина віджимається. Для цього ємність починає швидко обертатися, і відцентрова сила видаляє залишки води.
Далі слід кілька полоскань. У ємність заливається чиста вода і активується вже для вимивання з білизни прального порошку. Потім вода знову віджимається, і цикл "полоскання-віджимання" повторюється кілька разів.
У деяких машинах передбачена сушка білизни гарячим повітрям.
Таким чином, пральна машина працює в двох основних режимах: в режимі активації миючого розчину або води (прання і полоскання) і в режимі віджимання води з білизни.
Все розмаїття пральних машин можна звести до двох основних типів: машини, в яких вісь обертання ємності c білизною розташована горизонтально (Рис.1, а), і машини, в яких ємність обертається навколо вертикальної осі (Рис.1, б)
Рис.1. Пристрій пральних машин: а) з горизонтальним розташуванням барабана; б) з вертикальним розташуванням барабана.
У машинах з горизонтальною віссю обертання миючий розчин активується за рахунок повільного обертання ємності з білизною. По суті справи, це барабан з дірчастими стінками, який розташований в нерухомій ємності з миючим розчином.
Окрім безпосередньої дії активованого миючого розчину на білизну, в машинах такого типу виникає додатковий цікавий ефект. Оскільки на стінках барабана виконано кілька виступів, білизна періодично захоплюється ними, піднімається на деяку висоту, потім зривається і падає назад. При падінні білизни в миючий розчин струменя рідини з силою пронизують тканину, добре видаляючи забруднення.
Наскільки добре і просто організований в машинах з горизонтальною ємністю процес прання і полоскання, настільки складно забезпечити в них видалення води з білизни. Вся справа в тому, що білизна в горизонтальному барабані розташовується компактно і при обертанні створює сильний дисбаланс. Урівноваження обертового горизонтального барабана - це складна проблема. Найпростіший спосіб її вирішення полягає в тому, що на задню стінку барабана кріпиться важкий вантаж - бетонний диск, маса якого набагато більше, ніж маса віджимається білизни. Це, якщо можна так висловитися, основне урівноваження барабана. Крім того, існує маса патентів на додаткове урівноваження горизонтального барабана, наприклад, за рахунок розташування по його периметру кільцевої порожнини, частково заповненою рідиною.
Вода з білизни віджимається тим краще, чим вище швидкість обертання барабана. Оскільки швидкість обертання горизонтального барабана в принципі обмежена, процес віджиму води з білизни недостатньо ефективний. Це призводить до додаткового витраті енергії на сушку білизни після прання. Крім цього, пральна машина з горизонтальним барабаном і фронтальним завантаженням не дуже зручною для ергономічно. Щоб покласти туди білизну або дістати його після прання, доводиться нагинатися.
Машина з вертикальною віссю обертання має тільки один обертається бак для миючого розчину. Миючий розчин активується за рахунок обертання додаткової лопатевої мішалки, встановленої на дні бака. Для видалення води при віджиманні білизни бак разом з мішалкою наводиться в швидке обертання. Перевагою такого типу машини є простота конструкції, оскільки ми маємо тільки одну ємність - бак для миючого розчину і білизни. Звичайно, тут додається додатковий вузол - лопатева мішалка, зате абсолютно відсутня система для балансування бака при його швидкому обертанні. Справа в тому, що при обертанні вертикального бака, білизна розташовується більш-менш рівномірно на його дні, не викликаючи великого дисбалансу. Ергономічно така система теж зручніше - можна виймати і завантажувати білизну в більш зручній позі.
Як недолік можна назвати ту обставину, що дії лопатевої мішалки часто недостатньо для хорошого відпирання білизни. Спроби зробити мішалку з розвиненими лопатями або шнекову, а також підвищити частоту її обертання зазнали невдачі. Чим активніше працює мешалка, тим сильніше стирається і пошкоджується білизна при пранні.
Ми не будемо розглядати способи поліпшення процесу прання, які можуть бути однаково застосовані для машин і з вертикальним і з горизонтальною віссю обертання ємності, такі як оптимізація параметрів миючого розчину і режимів роботи машини, подача бульбашок повітря в миючий розчин, застосування ультразвуку тощо .
Наша мета - спробувати вирішити протиріччя між двома основними типами машин.
Зведемо переваги і недоліки обох варіантів в таблицю:
Прання та полоскання Віджим води Машина з горизонтальним барабаном + - Машина з вертикальним баком - +
Що добре в одного типу машини, то погано в іншого, і - навпаки. По суті справи ми маємо тут дві альтернативні системи [1,2] для виконання однієї і тієї ж функції. Для удосконалення таких систем необхідно об'єднати їх таким чином, щоб нова система отримала тільки позитивні властивості від обох альтернативних систем.
Основне протиріччя пральної машини можна сформулювати наступним чином:
- Вісь обертання ємності повинна бути горизонтальною, щоб забезпечити якісне прання та полоскання білизни.
- Вісь обертання ємності повинна бути вертикальною, щоб забезпечити хорошу балансування при віджиманні води з білизни.
Якщо міркувати про деяке компромісному варіанті, то відразу ж приходить в голову думка про похиле положення ємності. Цим шляхом пішли ряд компаній, що представили на ринок машини з похилою віссю обертання барабана. Наприклад, в пральній машині Samsung барабан нахилений до горизонту на 12 градусів (Рис.2). Безперечною перевагою такої машини є поліпшення її ергономічності - в барабан стало зручніше завантажувати білизну. Але важко сказати, чи має цей нахил якесь практичне значення для поліпшення балансування.
Рис.2. Машина з похилим барабаном.
Якщо ж гранично загострити протиріччя, то вимоги до ємності для білизни стають взаємовиключними: вісь обертання ємності повинна бути і горизонтальної, і вертикальної.
Такі суперечливі вимоги до одного і того ж елементу системи можна розділити в часі.
Дійсно, при завантаженні білизни і віджиманні води за рахунок швидкого обертання, ємність повинна розташовуватися вертикально, а при пранні і полосканні набагато вигідніше обертання ємності навколо горизонтальній осі. Під час вивантаження білизни взагалі бажано, щоб горловина була нахилена вниз, і білизна саме падало в тазик.
Вирішити це протиріччя можна за рахунок додаткової динамізації. Уявімо собі звичайну пральну машину з вертикальною віссю обертання, яка шарнірно закріплена на додатковій рамі (Рис.3). Тоді для прання досить просто повернути машину на бік, зробити вісь обертання ємності горизонтальної. Для віджимання і можливість витягнути білизну, повернути машину в початкове положення. Необхідно невелика зміна форми ємності. Краще виконати її горловину звужується, щоб не витікала вода.
Наявність додаткової рами і поворотного пристрою дещо ускладнює машину, але зате з її конструкції можна видалити лопатеву мішалку і балансувальне пристрій.
Рис.3. Схема повороту пральної машини.
Якщо спробувати згорнути отриману конструкцію, тобто видалити з неї непотрібні елементи і оптимізувати залишилися, можна прийти до наступного висновку: пральна машина повинна мати сферичну форму (Рис.4). Ємність сферичної форми з водою і білизною встановлюється на підставі, в якому розташовані електродвигуни та водопідвідний трубопроводи. З підстави виступають чотири ролика, кожен з яких наводиться своїм електродвигуном.
Рис.4. Схема сферичної пральної машини.
Сферична ємність для води спирається на обертові ролики, які можуть розкручувати її в різних напрямках і повертати з вертикального положення в горизонтальне і навпаки. На рис.5 показано положення роликів при основних режимах роботи машини.
Рис.5. Варіанти положення приводних роликів.
Якщо ролики встановити так, щоб їх осі обертання перетиналися в центрі кола (Рис.5, а), то можна розкрутити сферичну ємність для віджиму білизни. Оскільки вода буде при обертанні віджиматися до екватора сфери, необхідно передбачити всередині неї додатковий сітчастий каркас для білизни і обертати барабан з зупинками, щоб дати можливість стікати накопичилася воді.
Ролики встановлені паралельно і повільно обертаються в одну сторону - ємність повертається з вертикального положення в горизонтальне (Рис.5, б).
Щоб при пранні і полосканні в горизонтальному положенні вісь обертання ємності проходила через завантажувальний люк машини, ролики потрібно розгорнути на 90 градусів (Рис.5, в).
Рис.6. Гальмування барабана.
Крім того, було б корисно, якби ці ролики могли забиратися всередину підстави (Рис.6). Якщо ролики висунуті, ємність з водою піднімається і може обертатися вільно, якщо ж ролики прибрані, ємність лягає на підставу і з'єднується з трубопроводами для подачі і видалення води.
Такий ось вийшов стирає шар. Можливо, щось подібне вже винайдено, але поки немає інформації про випуск машин такого типу, хоча якихось особливих технологічних труднощів при їх реалізації не очікується, а переваги - очевидні.
Що стосується практичного виконання такої конструкції, то обертається куля можна заховати під прозорий корпус. Буде не так красиво, але більш практично.
література:
1. С.Литвин, В.Герасімов. "Розвиток альтернативних систем шляхом об'єднання їх в надсістему". Журнал ТРИЗ, 1990.
2. Володимир Герасимов. Плетіння, Винахідницька байка. http://www.trizminsk.org/e/212003.htm
Примітка Володимира Герасимова:
"Здрастуйте, Микола!
Так вийшло, що побачив вашу статтю про кулясту пральну машину тільки сьогодні (11.10.05). Відразу скажу - мені стаття сподобалася - чітко, просто, переконливо. Відомо це рішення, чи ні - справа десята. У вас добре показаний шлях, яким ви вийшли на остаточне рішення (або шлях, яким можна вийти на це рішення) ...
Після прочитання статті у мене з'явилося кілька розвиваючих ідею міркувань:
- напевно, можна поставити не 4, а 3 ролика; по-перше, економимо на роликах; по-друге, через три точки легше узгоджуватися зі сферою.
- є сенс вісь повороту роликів провести через центр сфери (див. Рис. 1).
- всі три ролика повинні мати можливість повертатися навколо осі повороту, але провідним роликом може бути тільки один (два інші - пасивні, тобто тільки підтримують).
- для гальмування сфери (див. Рис 6 в тексті статті) досить опустити тільки один ролик.
- отвір в пральному кулі може бути закрито кришкою з ущільненням (як двері в корпусі літака). Це дозволить обертати сферу не тільки в горизонтальному і вертикальному напрямках, але і по більш складних траєкторіях (наприклад, обертати навколо центра О - див. Малюнок - "як попало").
- якщо кронштейн у підтримуючого ролика зробити несиметричним (див. Рис.2), то встановлюватися в потрібне положення при повороті провідного ролика він буде сам "