新型管道真空吸污充氣機(jī)的設(shè)計

王文深， 鄭秀麗

（浙江工貿(mào)職業(yè)技術(shù)學(xué)院 汽車與機(jī)械學(xué)院，浙江 溫州325003）

0 引言

日常生活中，家庭、機(jī)關(guān)、旅館、飯店等場所的下水管道經(jīng)常因頭發(fā)、菜葉、污泥等雜物而堵塞，造成污水外溢散發(fā)臭味，嚴(yán)重影響了生活和工作。目前常采取的辦法是使用手動疏通器疏通，但這種方法使用較費(fèi)力，疏通距離較短，而且疏通效果比較差等；堵塞嚴(yán)重時還可以采用電動疏通器，但體積較大、重量較重、價格較高，一般需專業(yè)人士操作，而且疏通時容易損壞塑料管道等。家庭生活中還有很多在使用前必須充氣的物品，例如各種體育用球、氣球、自行車、摩托車、汽車等。充氣時一般使用常見的普通打氣筒，但僅具有為充氣的功能，功能比較單一，且打氣時容易弄臟衣物，密封用的皮碗較易損壞等缺點(diǎn)。

最近我們設(shè)計開發(fā)了一種新型管道真空吸污充氣機(jī)，同時具備了管道吸污疏通和對用氣物品充氣兩種功能，具有適合城鄉(xiāng)居民家庭使用的特點(diǎn)。據(jù)市場調(diào)查，國內(nèi)外市場沒有發(fā)現(xiàn)有類似產(chǎn)品，因此屬一項(xiàng)全新家庭機(jī)械產(chǎn)品，可在絕大多數(shù)城鄉(xiāng)居民家庭中使用。此新型管道真空吸污充氣機(jī)還獲得了國家實(shí)用新型專利（專利號：ZL201220230261.9）。

1 工作原理

家用管道真空吸污充氣機(jī)工作原理圖如圖1所示。該設(shè)備主要由缸筒、活塞、活塞桿、基座、缸蓋、單向閥、密封圈及截止閥等組成。

1.1 充氣原理

在該機(jī)用作充氣設(shè)備時，需提前打開基座進(jìn)出氣管一側(cè)的兩個氣動截止閥，吸盤一側(cè)的氣動截止閥則關(guān)閉。當(dāng)向上提起活塞桿時，靠近缸筒的進(jìn)氣單向閥自動開啟，于是外界空氣被吸入到缸筒下腔，而與膠管連接的排氣單向閥則反向自動關(guān)閉，吸氣動作完成；當(dāng)活塞桿下壓時，缸筒下腔氣壓增大，進(jìn)氣單向閥反向自動關(guān)閉，而排氣單向閥自動開啟，缸筒下腔的壓縮空氣經(jīng)膠管、排氣單向閥及充氣閥進(jìn)入到充氣設(shè)備中，充氣階段完成。不斷重復(fù)活塞桿提起、壓下動作，就可以完成對充氣設(shè)備的充氣工作。這里的充氣閥起到僅允許壓縮空氣充入到用氣設(shè)備中而不能反向排出的作用。

圖1 家用真空吸污充氣機(jī)工作原理圖

1.2 吸污原理

在該機(jī)用作吸污設(shè)備時，需提前關(guān)閉基座上進(jìn)出氣管一側(cè)的兩個氣動截止閥，而吸污盤一側(cè)的截止閥則打開。當(dāng)對堵塞管道進(jìn)行疏通時，要將橡膠吸污盤口對準(zhǔn)馬桶的排污孔或管道口，此時要檢查吸污盤口應(yīng)與下面接觸面是否貼緊，否則會影響到設(shè)備的吸污效果。當(dāng)活塞桿提起時，缸筒下腔至吸盤處瞬間產(chǎn)生負(fù)壓，致使管道堵塞的淤泥層在其底下大氣壓作用下向上翹起；當(dāng)活塞桿下壓時，缸筒下腔的氣壓突然增加，污泥層又會在缸筒下腔氣體壓力作用下向下彎折。當(dāng)活塞桿不斷地抬起、下壓時，淤泥層就不斷地重復(fù)上下翻折動作，直至疲勞破裂，最后再用水沖走附在管道內(nèi)壁上的污泥，從而達(dá)到管道疏通的目的。

吸污工作結(jié)束后，可能會有一些污泥或污水被吸進(jìn)缸筒的下腔，需要清污時，應(yīng)先擰下基座底部的螺塞，再上下移動活塞桿若干次即可，最后再將基座及吸污盤放入到清水里沖洗干凈，晾干后保存到干燥的地方。

2 設(shè)計過程

2.1 充氣部分的設(shè)計

由于本機(jī)屬家用機(jī)械設(shè)備，主要尺寸設(shè)計時參考了普通打氣筒尺寸，缸筒內(nèi)徑選為40mm，缸筒壁厚0.75mm，缸筒長度為450 mm。由于本機(jī)在工作時最高壓力和真空度都不是很大，因此缸筒、活塞環(huán)及缸蓋均采用質(zhì)量較輕、價格較低的鋁材。單向閥、截止閥、充氣閥、密封件等元件根據(jù)氣動設(shè)計手冊來選取。為方便該機(jī)的制造、維護(hù)及降低成本，設(shè)計中采用較多成熟的氣動件。

2.1.1 氣筒活塞的設(shè)計

圖2為氣筒活塞的結(jié)構(gòu)示意圖。活塞在缸筒內(nèi)往復(fù)運(yùn)動實(shí)現(xiàn)了吸氣和壓氣的功能，其在高壓和負(fù)壓循環(huán)往復(fù)作用下，承受了較大的交變載荷，同時也受到與缸筒內(nèi)表面的磨擦。本機(jī)工作可靠性與使用耐久性在很大程度上與活塞的工作情況有關(guān)。

圖2 活塞結(jié)構(gòu)示意圖

設(shè)計中活塞直徑確定為39.9 mm，活塞與缸筒內(nèi)孔配合間隙為0.05 mm，為了提高密封性能，活塞環(huán)上使用了2個O型密封圈，規(guī)格為40×3.1 mm。根據(jù)密封圈要求，活塞上兩個溝槽槽寬確定為3.12mm，活塞長度確定為12mm。

2.1.2 充氣量的計算

根據(jù)缸筒內(nèi)徑及長度，可以計算出缸筒內(nèi)腔的容積。在一個標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下每工作一次可充入氣體的容積近似為缸體內(nèi)腔的容積，即

考慮到氣筒泄漏及活塞本身體積占用等因素，充入氣體的實(shí)際容積約為理想容積90%左右，因此一次充氣實(shí)際充氣量為

2.1.3 常用用氣設(shè)備的充氣次數(shù)的計算

1）自行車內(nèi)胎充氣。常用自行車內(nèi)胎容積約為1.5 L，充氣后一般要求達(dá)到2.63 MPa左右。從而可計算出單個自行車輪胎從初始體積為0 L到體積為1.5 L，壓力達(dá)到2.6 MPa時，需要往復(fù)運(yùn)動的次數(shù)為

生活中，自行車充氣時往往都是在已經(jīng)充氣的基礎(chǔ)之上再充氣，假設(shè)原來壓力2.02 MPa，根據(jù)計算結(jié)果，則完成充氣僅需3次即可達(dá)到要求。

2）體育用球充氣。以常見籃球?yàn)槔话慊@球容積為7.8 L，充氣壓力要求在0.7 MPa左右，則打滿氣活塞需要往復(fù)運(yùn)動次數(shù)為

用相同的方法對一般規(guī)格的足球、排球、氣球充氣次數(shù)進(jìn)行計算，計算結(jié)果分別約為9次、6次、3次。

2.2 吸污部分的設(shè)計

吸污部分包括基座、截止閥、軟管及吸污盤等，基座內(nèi)孔與缸筒外圓柱面采用螺紋聯(lián)接，并且配合處使用密封帶密封，以防止有氣體泄漏。基座兩端上平面上有兩個螺紋孔，分別與兩條膠管的接頭相連，基座底部有排污孔，在設(shè)備清洗內(nèi)腔時，需將排污孔處的螺塞擰下。氣動截止閥、吸污盤及軟管等可根據(jù)氣動設(shè)計圖冊選取。

2.2.1 基座設(shè)計

圖3為設(shè)備基座的零件結(jié)構(gòu)示意圖。基座選擇質(zhì)量較輕的鋁塊，上面內(nèi)螺紋大孔尺寸根據(jù)缸筒外徑來確定，兩側(cè)螺紋孔尺寸由膠管接頭大小來確定，基座下部的螺紋孔則根據(jù)螺塞的尺寸來確定。因零件受力不大，確定其他尺寸時遵循以節(jié)省材料、減輕重量的原則。

圖3 基座結(jié)構(gòu)結(jié)構(gòu)示意圖

2.2.2 吸污能力的計算

假若不考慮泄漏，根據(jù)本機(jī)結(jié)構(gòu)尺寸可算出缸筒下腔最小容積（當(dāng)活塞處于最下端時）為Vmin=34.5 mL。

設(shè)大氣壓力為po，假定活塞上移時氣溫不發(fā)生變化，根據(jù)玻意耳-馬略特定律，可計算出活塞拉至缸筒最高位置時的壓力大小p，具體計算過程如下：

因此，理論上機(jī)器吸污時缸筒內(nèi)腔真空度最高可達(dá)到0.939po，但如果考慮密封不嚴(yán)、漏氣等因素，實(shí)際的真空度會比這個數(shù)字小一些。試驗(yàn)結(jié)果表明，在本機(jī)在進(jìn)行吸污時，缸內(nèi)氣體真空度最高為0.074 MPa左右，完全能夠滿足疏通常見的水管堵塞、馬桶不通及地漏堵死的要求。對于管道中常見堵塞情況（堵塞層厚度小于10 mm，深度不超過3 m），經(jīng)實(shí)際測試，疏通效果良好。

3 結(jié)論

該新型管道真空吸污充氣機(jī)是將傳統(tǒng)管道真空吸污設(shè)備和普通打氣筒結(jié)構(gòu)巧妙地結(jié)合在一起，具有管道吸污疏通和為用氣設(shè)備充氣兩項(xiàng)功能。操作簡單、攜帶方便、易于存放，非常適合廣大城鄉(xiāng)家庭使用。

本機(jī)依靠活塞在缸筒內(nèi)做往復(fù)運(yùn)動來實(shí)現(xiàn)吸污和充氣的，在缸筒外部基座平面上設(shè)置進(jìn)出孔口，以連接吸污單元和充氣單元，這有利于簡化缸筒內(nèi)部結(jié)構(gòu)。經(jīng)實(shí)際測試表明，該設(shè)備能較好地解決生活中常見管道堵塞及為用氣物品充氣的難題。

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