機械結構式智能節水馬桶研究

朱 燃，陳 杰，吳繼濤

（四川理工學院，四川自貢643000）

在科技飛速發展的今天，智能化和環保節能成為了首要發展的方向，同時智能衛浴的發展也讓越來越多的家庭選擇馬桶來代替傳統的衛浴工具。而現今的馬桶采用的直沖和虹吸兩種方式進行排污都將消耗大量的生活用水，平均每次用水量在6～8L[1]，而中國作為一個水資源缺乏的國家，這將會是一個急待優化的一個問題。傳統馬桶在使用過程中往往會出現堵塞現象，而且使用者往往難以解決這個問題，需要專業的人士才能解決。同時傳統的馬桶不具有智能感應與反饋功能，智能化程度較低。針對以上問題，本文提出了一種新型機械結構馬桶，將極大地降低馬桶的用水量，解決馬桶的堵塞問題，提高馬桶的智能化程度。

1 馬桶的現狀分析

傳統馬桶在使用上存在以下問題：

（1）馬桶每次的沖水量無法控制，取決于儲水箱的儲水量；

（2）虹吸式或直沖式馬桶每次都會消耗6～8L水，用水量大；

（3）目前的節水馬桶主要有普通節水馬桶、氣壓節水馬桶、無水箱節水馬桶三類，但是節水效果遠遠還不夠；

（4）馬桶的智能化程度較低，無法自動開關馬桶蓋、自動控制用水量以及馬桶實時工作情況的信息反饋等。

2 智能機械馬桶的設計方案

智能機械馬桶（如圖1）采用雙搖桿機構[2]作為物體轉移機構，將污物進行轉移排除；碗形容器作為污物的容器與雙搖桿結構鏈接，由雙搖桿帶動容器實現傾覆與復位動作；在傾覆動作完成后，清洗裝置利用絲桿導軌裝置將毛刷伸出，再由電機驅動旋轉，同時供水系統工作，將水由毛刷內部小孔噴出，實現容器的沖洗工作。

圖1 智能機械馬桶結構圖

3 雙搖桿機構的運動計算

如圖2所示為雙搖桿機構簡圖。具體運算動計算如下：

圖2 雙搖桿機構簡圖

設電機轉速為n，絲桿導程為L，雙搖桿傾角為α，碗形容器傾角為β，電機工作時間為t，滑塊距鉸鏈中心距離為S1，雙搖桿長度為S2，兩鉸鏈中心間距為P1，碗形容器支撐點距離為P2.

其中：

根據設計數據及實驗數據可知：

t=2 s，S1=83 mm，S2=200 mm，P1=80 mm，P2=80 mm，L=2 mm.

可求得當電機轉速時n=35 r/min，α=57°；β=95°.

4 智能機械馬桶的工作原理

4.1 電磁閥與手動排水閥

正常如廁后，根據馬桶前端的距離感應器采集的信號反饋給單片機發出指令控制馬桶蓋的自動關閉以及電磁閥的開啟，電磁閥開啟相應設定的時間后自動關閉，實現沖刷過程。如遇到異常情況電磁閥無法開啟的時候，也可通過馬桶后端外置的手動排水閥進行手動沖洗。

4.2 雙搖桿機構

雙搖桿機構利用絲桿電機驅動，絲桿電機在接受到單片機發出的指令后控制絲桿旋轉，驅動雙搖桿上的滑塊滑動，使雙搖桿和碗形容器完成傾覆工作，實現污物的轉移。

4.3 絲桿導軌機構

絲桿導軌機構由絲桿導軌、絲桿電機以及旋轉電機箱組成。絲桿電機在收到單片機發出的指令后由驅動器驅動絲桿電機按照程序進行正轉與反轉，驅動絲桿旋轉帶動電機箱在絲桿導軌上相應地前進與后退，實現毛刷與碗形容器的前后反復刷洗。

4.4 旋轉電機

旋轉電機采用步進電機，將輸出軸與減速齒輪1鏈接，減速齒輪2與毛刷的旋轉軸固定，實現將步進電機的動力傳遞給毛刷的旋轉軸，同時利用減速齒輪將轉速降低到合適的速度。工作時控制器控制步進電機反復地正反轉驅動毛刷實現毛刷的反復刷洗，保證碗形容器的刷洗效果。

4.5 毛刷及噴水孔

毛刷采用空心軸的結構，并在刷頭一端加工數個噴水小孔，尾端的空心軸部分與毛刷旋轉軸連接，沖洗用水通過旋轉軸和毛刷的空心部分進入毛刷內部后再通過毛刷上的噴水孔噴出，實現了沖洗與刷洗相結合[5]。

5 控制系統的結構

控制系統（如圖3）的輸入由距離傳感器、絲桿導軌行程開關信號以及電機反饋信號等組成，單片機通過設定的程序對采集到的信號做出相應的指令，實現馬桶的智能化控制。步進電機控制部分采用TB6600型步進電機驅動器，該驅動器能提供32細分，半自動電流鎖定功能，輸入端為共陽單脈沖接口。因此，在控制步進電機時，只需用單片機給驅動器的PUL接口輸入一定頻率（控制電機速度）和一定數量（控制電機步數）的脈沖即可。驅動器的DIR接口能控制電機正反轉。這樣一來，當觸發清洗功能時，單片機便能按預定程序，控制步進電機，進而控制執行機構完成指定的功能。狀態顯示燈根據馬桶當前工作狀態確定顯示顏色，讓使用者能夠根據顯示燈的顏色判斷馬桶當前是否工作或者出現異常情況與故障等。

圖3 控制系統結構圖

6 智能機械馬桶整體分析

6.1 用水量

本研究的計算公式[6]定義如下：

V1=Q × t1，V2=Q × t2，V=(V1× N+V2)/(N+1)

其中，V1為單次小便沖水量（普通馬桶和節水馬桶直接讀取相關值）；Q為馬桶流速；t2為單次小便沖水時間；V2為單次污物沖水量（普通馬桶和節水馬桶直接讀取相關值）；t2為平均單次污物沖水時間；V為平均單次用水量；N為人體平均每日排尿次數。

經實驗統計及資料調查，Q=0.3 L/s，t1=0.7 s，t2=13 s，N=5 可求得：

普通馬桶：V1=6 L，V2=8 L，V=6.4 L

節水馬桶：V1=4 L，V2=8 L，V=4.3 L

智能機械馬桶：V1=2 L，V2=4 L，V=2.3 L

6.2 耗電量

智能機械馬桶采用了智能化控制，電機的驅動、單片機的工作和顯示燈都需要電力驅動。對于耗電量的計算公式[7]定義如下：

P1=U2× I2× t2，P4=U4× I4× t4，P=P1+P2+P3×3+P4×2+P5

其中，P1為絲桿導軌裝置功率；P2為單片機工作功率；P3為單個顯示燈額定功率；P4為步進電機額定功率；P5為電磁閥額定功率；P為總功率；t2為絲桿導軌每小時工作時間；t4為步進電機每小時工作時間。

經實驗統計及資料調查，由P1=6 W，P2=0.18 W，P3=2.6 W，P4=4 W，P5=6 W計算求得：

P=16.5 W

表1 馬桶各參數分析

6.3 智能化程度

智能機械馬桶采用了單片機控制系統，通過傳感器的信號采集使馬桶更加智能化，自動開啟關閉馬桶蓋、自動控制沖水過程以及自動清洗容器等都使馬桶變得更加自動化。

7 結束語

智能機械馬桶通過機械機構與單片機控制相結合，將傳統的沖洗方式替換成更加節水的刷洗方式，使馬桶變得節水與智能化。

智能機械馬桶相對于傳統馬桶所具有的優勢如下：

1）將平均每次用水量[8]降低到2.3 L，極大地減少了用水量。

2）利用單片機實現結構控制與信息反饋，將馬桶的運行情況實時地反映給使用者，使馬桶變得智能化。

3）采用了雙搖桿機械結構，讓馬桶避免了傳統馬桶所出現的堵塞問題。

4）智能機械馬桶采用機械機構來實現功能，便于馬桶的后期維護與維修。

[1]黃彥哲.節能節水馬桶研究[J].科技創新與應用，2014（03）:36.

[2]孫開元.常見機構設計及應用圖例[M].北京：化學工業出版社，2013.

[3]趙戰鋒.基于UGNX的馬桶節水機構設計研究[J].機械設計與制造工程，2013（1）:83-85.

[4]李彩.對陶瓷衛浴產品節水方式的思考[J].藝術科技，2014，27（2）:259.

[5]李軍.渦旋噴射節水馬桶的系統設計與分析[J].機械設計與制造，2015（06）:134-137.

[6]馬亮.馬桶沖洗過程的流體力學模型[J].水動力學研究與進展，201419（6）:783-787.

[7]曾令全.電機學[M].北京：機械工業出版社，2010.

[8]蘇彥勛.流量檢測技術[M].北京：中國質檢出版社，2012.