一種半自動(dòng)化積水清理機(jī)設(shè)計(jì)

鞠 曼 孫雨橦

（東北林業(yè)大學(xué)，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

近年來，社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展使得人們的生活水平不斷提高，對(duì)周遭環(huán)境的要求也逐漸上升。針對(duì)雨后地面上的積水，不同的社會(huì)角色擁有不同的煩惱：積水坑中的落葉、垃圾等不便于清潔工清掃、車輪滾過積水且車速過快時(shí)易產(chǎn)生打滑發(fā)生不可逆的危害、行人會(huì)因車速過快而被濺水、運(yùn)動(dòng)員會(huì)因跑道的積水無法進(jìn)行正常的運(yùn)動(dòng)等。日常生活中，清理積水的方法有兩種：一是積水自動(dòng)流入下水道，但場(chǎng)地因素制約過多；二是人為利用掃帚等工具將積水掃開，增加揮發(fā)速度，但費(fèi)時(shí)費(fèi)力，對(duì)工具磨損較大。因此，本文擬設(shè)計(jì)的用于收集和儲(chǔ)存積水的清理設(shè)備就顯得尤為重要，不僅可以節(jié)約水資源，同時(shí)又將節(jié)能環(huán)保的理念貫徹到人們的心中。

2 方案設(shè)計(jì)

本文擬定的積水清理機(jī)為半自動(dòng)化裝置，需要操作人員將機(jī)器移動(dòng)到相應(yīng)位置后，通過控制相應(yīng)的按鈕來完成一系列工作。產(chǎn)品模型如圖1、圖2 所示。

圖1

圖2

積水清理機(jī)的總設(shè)計(jì)主要包括：用于收集地面積水的收集系統(tǒng)、將收集的積水進(jìn)行提取的擠壓系統(tǒng)、把擠壓出來的積水進(jìn)行儲(chǔ)存并利用的儲(chǔ)存系統(tǒng)以及操縱整個(gè)設(shè)備的顯示控制系統(tǒng)。收集系統(tǒng)包括海綿柱以及可伸縮桿；擠壓系統(tǒng)包括疊片、機(jī)架、連桿、搖桿以及可伸縮桿；儲(chǔ)存系統(tǒng)包括水箱、水位槽、水管、連通管、可拆卸端蓋；顯示控制系統(tǒng)包括顯示屏、按鈕、水位感應(yīng)器以及各種電路連接。積水清理機(jī)裝置的總體結(jié)構(gòu)如圖3 所示。

圖3

3 工作原理

整個(gè)裝置以電動(dòng)機(jī)作為動(dòng)力源，用來驅(qū)動(dòng)收集積水系統(tǒng)和擠壓積水系統(tǒng)。電動(dòng)機(jī)選用直流銅芯，通過齒輪以及其他機(jī)械結(jié)構(gòu)傳遞動(dòng)力，從而帶動(dòng)收集積水系統(tǒng)中的拉桿、搖桿和擠壓積水系統(tǒng)中的連桿、搖桿、伸縮桿進(jìn)行運(yùn)動(dòng)，節(jié)能持久，運(yùn)轉(zhuǎn)平穩(wěn)。水位感應(yīng)器與顯示屏結(jié)合，用以顯示吸水情況，確保后續(xù)工作進(jìn)程的準(zhǔn)確。

積水清理機(jī)的控制區(qū)為顯示屏以及左右兩側(cè)的按鈕。顯示屏左側(cè)的按鈕用來控制收集系統(tǒng)，三個(gè)按鈕的作用分別為：下移（利用伸縮桿將海綿柱下移至地面便于吸水），上升（利用伸縮桿帶動(dòng)海綿柱上升），復(fù)位（利用伸縮桿將海綿柱下移或上升至原始位置）。顯示屏右側(cè)按鈕用來控制擠壓系統(tǒng)，三個(gè)按鈕的作用分別為：推移（通過連桿、搖桿將疊片推移為圓面），上升（利用伸縮桿帶動(dòng)圓面上升），復(fù)位（利用伸縮桿將圓面下移至初始位置并使疊片恢復(fù)為原始狀態(tài)）。顯示屏及按鈕位置如圖4 所示。

圖4

4 使用過程

操作時(shí)需先將清理機(jī)移動(dòng)到指定位置后，點(diǎn)擊顯示屏下方的開關(guān)按鈕，控制電路發(fā)出啟動(dòng)信號(hào)。然后按下左側(cè)下移按鈕，海綿下降至與底面貼合，進(jìn)行吸水運(yùn)動(dòng)。如果積水面積較大，海綿柱被完全浸濕時(shí)，海綿柱上方的水浸傳感器感應(yīng)到水的存在，通過電信號(hào)傳遞給顯示器，顯示器顯示海綿柱已被完全浸濕后，操作人員點(diǎn)擊左側(cè)的上升按鈕，同時(shí)點(diǎn)擊右側(cè)推移按鈕控制疊片形成圓面后，再點(diǎn)擊右側(cè)上升按鈕。海綿柱上升的位置比圓面上升的位置高，圓面上升的定位點(diǎn)為可將海綿柱中的積水全部擠出的位置，通過利用與水箱連通的塑料管使積水流入到水箱中，同時(shí)上方端蓋為可拆卸型，可以將其打開并清理水箱內(nèi)部，防止堵塞等其他情況；如果積水面積較小，顯示屏顯示海綿柱沒有被完全利用時(shí)，點(diǎn)擊左側(cè)復(fù)位按鈕，部分被浸濕的海綿柱可上升至原始位置，操作人員可繼續(xù)移動(dòng)清理機(jī)到指定位置，重復(fù)上述操作。完成所有工作后，再次點(diǎn)擊顯示屏下方的開關(guān)按鈕，控制整整個(gè)電路發(fā)出停止信號(hào)，節(jié)省電力資源，以延長(zhǎng)整個(gè)設(shè)備的使用壽命。

5 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

5.1 疊片到圓面的轉(zhuǎn)換

疊片分為A,B,C 三個(gè)型號(hào)。A 型疊片左右邊緣處各設(shè)置一個(gè)圓柱機(jī)架，搖桿與其相連，連桿與搖桿和B 型疊片相連。搖桿與連桿所設(shè)置的高度為恰好將B 型疊片與A 型疊片貼合的位置。同理設(shè)計(jì)B 型疊片與C 型疊片的連接。如此，在未點(diǎn)擊右側(cè)推移按鈕時(shí)，各型號(hào)疊片呈階梯狀相互貼合。按下推移按鈕后，連桿和搖桿轉(zhuǎn)動(dòng)一定的角度，使得B 型疊片外邊緣與A 型疊片內(nèi)邊緣相接觸、C 型疊片外邊緣與B 型疊片內(nèi)邊緣相接觸。同樣地，各型號(hào)疊片間呈階梯狀排布，俯視圖為一個(gè)可以與內(nèi)壁緊密貼合的圓面。

以二分之一疊片為例，如圖5、圖6。

圖5

圖6

5.2 圓面的上升

在A 型疊片的機(jī)架（共8 個(gè)）上安裝伸縮桿，通過控制上升或復(fù)位按鈕使伸縮桿進(jìn)行伸縮任務(wù)以完成圓面的上升或下移的工作。

5.3 可拆卸端蓋

與端蓋接觸的下方機(jī)身內(nèi)壁邊緣高于外壁邊緣，利用凸出的內(nèi)壁來固定上方端蓋。使用端蓋兩側(cè)的把手即可打開或關(guān)閉的動(dòng)作。

5.4 水浸傳感器

水浸傳感器為紅外光電水浸傳感器，此傳感器分光強(qiáng)采集和檢測(cè)電路兩大部分，光強(qiáng) 采集部分包括光學(xué)探頭、紅外發(fā)射二極管發(fā)光芯體、光敏三極管接收芯體。通過對(duì)探頭材料與結(jié)構(gòu)進(jìn)行設(shè)計(jì)，探頭處于水與空氣兩種介質(zhì)中，接收到的光強(qiáng)不同，檢測(cè)電路將不同的光強(qiáng)信號(hào)轉(zhuǎn)換成模擬輸出與開關(guān)信號(hào)，實(shí)現(xiàn)對(duì)浸水狀態(tài)的檢測(cè)。其光路探頭需直接接觸水，但檢測(cè)電路需完全防水，傳感器探頭與內(nèi)部電氣通過結(jié)構(gòu)緊壓配合與密封膠填充密封，實(shí)現(xiàn)探頭與內(nèi)部紅外發(fā)光二極管、接收光強(qiáng)的光敏三極管、檢測(cè)電路的完全隔離，能有效防止外界水、氣等對(duì)內(nèi)部電氣的影響。

5.5 結(jié)構(gòu)參數(shù)

表1

6 主要結(jié)構(gòu)的材料選擇

把手、端蓋把手的選擇均為黑色的ABS 不規(guī)則圓管，采用磨砂處理方式，增加使用者在使用時(shí)與把手的摩擦，保證硬度、強(qiáng)度的同時(shí)又能提升使用感受。與把手連接的兩根管柱同樣為ABS 塑料，但表面進(jìn)行光滑處理，以便進(jìn)行清理等操作。

由于顯示屏的用途導(dǎo)致其對(duì)顏色、清晰度等要求不高，所以選用STN 材質(zhì)，相比于UFB、TFT 等屏幕材質(zhì)，STN 價(jià)格低，耗能小。

伸縮桿、水箱、疊片均采用相同的材料--復(fù)合不銹鋼，即外層不銹鋼，內(nèi)層鋼管，外觀漂亮，堅(jiān)固耐用。由于可能會(huì)與雨水進(jìn)行接觸，外層不銹鋼的抗銹性能得以實(shí)用，同時(shí)內(nèi)部的鋼管可以滿足足夠強(qiáng)的硬度、強(qiáng)度等，足以提供給形成圓面的疊片以及吸飽水的海綿足夠的動(dòng)力。

連通管選用不銹鋼管材，由于連通管用來傳輸被海綿擠壓出的積水，同時(shí)因無法受到光照而長(zhǎng)期處于潮濕狀態(tài)，所以不銹鋼極強(qiáng)的抗銹性能起到了極為重要的作用。

端蓋以及與其顏色相同的機(jī)殼部分均采用ABS，表面光滑便于清理。同時(shí)相比于金屬，塑料質(zhì)量更輕便，使得端蓋便于端起或蓋上。顏色選用為水藍(lán)色，意在表明此機(jī)器與水有關(guān)。機(jī)殼除上述的ABS 外，還有下方的復(fù)合不銹鋼金屬殼，不銹鋼外殼采用金屬拉絲工藝，增加質(zhì)感的同時(shí)又能抗侵蝕。

水位槽選用透明的亞克力材質(zhì)，由于所需面積并不大，所以不會(huì)產(chǎn)生較高的費(fèi)用。長(zhǎng)時(shí)間的戶外工作，亞克力的耐候性和抗老化性極為重要，可以確保即使長(zhǎng)時(shí)間在風(fēng)吹日曬的情況下，材料依舊保持良好的透明度。

水管的材質(zhì)為PVC，可以確保在較高的濕度長(zhǎng)期使用的條件下不會(huì)發(fā)生變形以及化學(xué)變化，性能穩(wěn)定，具有較好的韌性和強(qiáng)度。

海綿選用開孔率較高的高回彈海綿，孔數(shù)越多吸水能力越強(qiáng)。且其耐受力高，回彈性強(qiáng)，可長(zhǎng)期使用不變形，有多種密度可選，有很好的抗震性、柔軟性和透氣性，價(jià)格親民。

7 結(jié)論

積水清理機(jī)是一款可以對(duì)積水進(jìn)行收集并儲(chǔ)存的半自動(dòng)化機(jī)器。利用疊片與圓面的轉(zhuǎn)換對(duì)海綿柱吸取的積水進(jìn)行擠壓以起到收集與儲(chǔ)存的作用為本設(shè)計(jì)的創(chuàng)新點(diǎn)，利用水浸傳感器的作用對(duì)海綿柱進(jìn)行充分利用，將能耗降為最低。相比于積水自然蒸發(fā)耗時(shí)長(zhǎng)且不確定性，積水清理機(jī)可以做到針對(duì)某一處積水進(jìn)行處理，效率高的同時(shí)還能對(duì)積水進(jìn)行處理。這不僅方便了人們的生活，也是對(duì)水資源的循環(huán)再利用，將人與自然的和諧理念深入人心。