基于超聲波團聚的機械式節水拖布桶研究

高梓航，王琰隆，樊林玉

（武漢理工大學 機電工程學院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

在生活中，拖布是清潔家庭、保持家庭衛生整潔必不可少的工具。現在市場上存在多種多樣的拖布桶，清洗拖布基本上是將拖布在水中進行旋轉，然后利用甩干裝置將水甩干，從而實現拖布的清洗。

然而，現在的拖布桶普遍有一個缺點，即當臟的拖布進入清洗桶進行清洗后，桶里的水便充滿了懸浮物，比如頭發、灰塵，如果要徹底地清洗干凈拖布則需要再次換水進行二次清洗。現在的拖布桶一次清洗使用水量較多，如果需要一個較好的清洗效果則需要多次進行換水清洗，對于水資源而言浪費嚴重。基于以上背景，我們項目組考慮設計一種裝置，可以在清洗拖布的同時對水進行過濾，從而凈化沖洗拖布的水，使其能夠用于二次清洗，減少換水的次數，從而達到節約水的目的。

基于以上背景，本項目基于活塞式水泵的抽水原理以及超聲波對小顆粒物質的促進聚沉作用、活性炭的吸附作用，結合機械結構，設計了一款新型節水拖布桶。將已經在技術上難以提高效率的問題轉移至實際工作環境中，再次提高節水效率，促進水資源的可持續利用，為我國可持續發展戰略做出貢獻。

2 系統設計

2.1 整體結構設計

新型節水拖布桶整體結構如圖1所示。拖布桶分外甩干部分和清洗部分，兩個部分相互獨立運作。清洗部分又分為活塞式水泵部分、可移動拖布平臺、超聲波團聚部分。

2.2 活塞式水泵結構設計

本項目擬設計一種可以利用人下壓拖布的力進行抽水并凈水的裝置。活塞式水泵部分放置在拖布桶的一側，出水口位于可移動拖布平臺上方。

活塞式水泵運用活塞式抽水機的原理，利用活塞的移動來排出空氣，活塞有兩個閥門，下部閥門造成內外氣壓差而使水在氣壓作用下上升抽出，當活塞壓下時，進水閥門關閉而排氣閥門打開；當活塞提上時，排氣閥門關閉，進水閥門打開，在外界大氣壓的作用下，水從進水管通過進水閥門從上方的出水口被壓出。這樣活塞在圓筒中上下往復運動，不斷地把水抽出來。

水泵的管道上附有雙層活性炭網對懸浮雜質比如頭發等物質進行阻攔，第一層過濾網網孔較大，負責過濾大顆粒物質，防止堵塞；第二層網孔較小，負責吸附過濾小顆粒物質、油污等有機物。水流在經過活塞時會首先經過超聲波發生器，這時細小顆粒會一部分團聚成大顆粒，這樣活性炭網便可以對大部分顆粒物質進行阻攔。因為裝置運行過程中水流一直不斷上涌，所以雜質不會下沉而是停留在濾網上。

圖1 新型節水拖布桶整體結構

2.3 可移動拖布平臺結構設計

可移動拖布平臺結構如圖2所示。可移動拖布平臺設計為可漏水結構，方便水快速通過，當拖布放置在平臺上方的時候，通過用力下壓拖布使平臺旋轉的同時向下移動，帶動活塞式抽水泵的活塞移動，壓縮平臺底部的彈簧。停止用力，平臺上移，活塞也上移。多次進行，從而在清洗的過程中將水泵入水泵進行清潔并且從上方清洗拖布，全方位清洗的同時達到清潔水的目的。

圖2 可移動拖布平臺結構

2.4 超聲波團聚結構設計

因為水中有許多的細小顆粒，為了增強活性炭濾網的作用，需要設計一個裝置使小顆粒物質團聚成大顆粒物質。利用超聲波裝置的團聚作用，超聲波發生器放置在水桶的底部靠近水泵進水口的位置，通過外加電源對超聲波發生器進行供電，充分利用超聲波對煤泥水絮凝沉降的強化作用。超聲的機械剪切及空化效應增加了煤泥顆粒的碰撞，增強了顆粒物化性質的一致性，促進了煤泥水的絮凝沉降。基于以上原理，流動的水中顆粒本身具有一定的動能，碰撞更加激烈，通過超聲波促進這一碰撞，從而促進顆粒的沉降。超聲波團聚結構如圖3所示。

圖3 超聲波團聚結構

為了實現這一方案，根據論文實驗數據進行研究，超聲波對液體中顆粒的凝聚作用加強，在功率為45 W的超聲波處理下，隨著處理時間的增加，凝聚到一起的粒子團的粒徑和數目明顯增加，但此時空化作用也隨著處理時間的增加而加強。

在功率為60 W的超聲波作用下，液體中凝聚的顆粒增加，粒子團增多，但是此時超聲波的空化作用的強度很大，大塊粒子團很快由于空化作用而分散成較小的粒子團。

基于以上數據顯示，功率為45 W時，凝聚的粒子團的粒徑隨時間增加一直增加，所以使用功率為45 W的超聲波發生裝置。

2.5 聯動裝置結構設計

為了使拖布在上下移動同時還能抽水，設計一個聯動結構，結構位于活塞式抽水裝置上方，在活塞桿的位置延伸出來一個固定結構，使用時與拖布進行固定，通過這樣實現拖布與活塞桿的聯動。

3 可行性分析

本項目基于超聲波團聚小分子顆粒的擴展，舍棄原有的工作模式，革新了新的工作模式。其研究目前較少，相關成果的作品也較少。超聲波團聚的技術應用較為廣泛，本裝置也應用了此技術。其他機械結構的設計主要為水泵結構及聯動機構的設計，結構簡單可行。與現有的拖布桶對比，本裝置具有更多優點以及更強的適應性。現有的拖布桶雖結構簡單，但無法實現節水的需求，造成水資源的浪費；本裝置利用較為簡單的原理及機構設計，在保證其結構不復雜的前提下，實現了節水的目的。節水的設計思路競爭力更強，節能減排效益也最佳。因此，本項目具有較大的可行性。

4 總結

本項目實現了結構、功能、應用方面的創新。通過聯動式結構設計將活塞式抽水泵與可移動平臺相結合，將人壓拖把的功一部分轉換為水泵抽水需要的能量。在清洗拖布的同時進行抽水。將活性炭網放入抽水泵中實現了在抽水的同時進行吸附過濾。在清洗的同時凈水，提高水的利用率。

本項目主要利用水泵的原理、活性炭的吸附作用、超聲波的團聚作用對拖布清洗桶中的水進行去污去塵，進而實現小部分水的循環利用，達到節水目的。該作品以極小的電能消耗，較大程度地減少了水資源的浪費，提高了拖布的清洗效率。本項目可主要用于家庭拖布清洗方面，可推廣到住宅樓、出租屋、學校寢室、街邊店鋪、中小型商場等其他地方，具有廣泛的應用前景。