旋轉拖把的進排水組件設計

劉佳音

嘉興南洋職業技術學院 浙江 嘉興 314003

引言

作為家庭清潔的主要工具——拖把，是生活中必不可少的易耗品。人們對家庭未來拖把希望點的排序為：省時省力-物美價廉-智能清潔工具-拖把自身容易清洗-人性化-能打掃衛生死角，表明人們希望擁有一款省時省力的拖把，以減輕繁重枯燥的家務負擔。

淘寶大數據顯示，在家務/地板清潔用具這個二級類目中，旋轉拖把的成交占比達到63%，使用頻率非常高。做家務的女性占大多數，然而最為省時省力的清潔工具——掃地機器人也并沒有進入到千家萬戶。其次，省事省力的旋轉拖把雖然免去了手洗拖把、手擰拖把的困擾，但是對于拖把桶的排水問題卻沒有很好解決。本課題就是希望設計出一種通用的，可拆卸的注水放水結構，減輕女性的家務重擔[1]。

1 旋轉拖把排水現狀

針對拖把桶的放水問題，有一部分拖把簡單在側邊開排水口，會導致水流淌到地面，增加清潔工作，需要彎腰插拔塞子；絕大部分旋轉拖把桶無排水口。塑料材質旋轉拖把桶4.5kg左右，金屬材質旋轉拖把桶重量可達到3kg，拖把桶中的水5kg左右，女性用戶要在一次拖地過程中換水2～3次，要把水桶彎腰抬起（甚至要搬高），傾斜水桶，倒水，這個動作很多中老年女性并不能很輕松地完成。因此，項目組把改進措施定位在旋轉拖把的注水、放水結構上。

市場上旋轉拖把桶大多數無排水口，在不破壞現有拖把桶的結構，并保持拖把桶穩固牢靠的前提下，設計可拆卸的進水排水組件，把污水從拖把桶內排出。本設計用到的是一種歷史悠久的提水工具——阿基米德螺旋泵。

2 阿基米德泵

阿基米德螺旋泵提水原理與古代龍骨水車相似，可將其看作是一個移動的斗式提升機。我國使用螺旋泵的歷史較短，二十世紀七十年代才由國外引入，目前此種泵主要用于農業灌溉及污水處理，用于生活中的小型泵實例較少。

螺旋泵的提升高度可以按照實際使用需要“量體裁衣”，因此沒有浪費。離心泵、軸流泵等常用的小泵，都是利用高速轉動，而在吸水管內造成真空抽吸高度來提水的。要是進水位很低，就會造成水抽空而損毀水泵。它們的使用必須在泵站中設置集水井，以保持一定高度的水頭。而螺旋泵只要葉片接觸到水面就可把水提上來，按水面(即進水水位)的高度自行調節排水量，一臺使用普通電機的螺旋泵輸送范圍能夠自零至最大的流量，而不必頻繁地開泵和停泵，水頭損失很小[2]。總之，阿基米德螺旋泵結構簡單，轉速低，葉片之間的空間較大，不易產生堵塞，適用于抽送含固體雜質的流體，進口流速的分布不影響泵的水力性能，對進水池要求簡單，低揚程，大流量，可靠性高，輔助設備少，易于控制。

圖1 螺旋泵提水原理

根據市場調查拖把桶尺寸數據，一般拖把桶成長方體，高（揚程）一般有H=0.25-0.3m，容積V≈0.5m3。

螺旋泵的流量可以用下式表示：

Q=KnD3（m3/s）

n—泵的轉速（r/s）

D—泵葉片外徑（m）

K—泵的流量系數

當葉片數為3～4片時，泵的流量系數可參照下表取得。

表1 阿基米德螺旋泵流量系數表[3]

設計時，螺旋泵安裝角取α=30°最為合適，葉片數取3，當內徑d=0.5D時，葉片間距S=0.8D時，阿基米德螺旋泵流量系數k值最大，k=0.319，泵的效率最高。在此條件下，確定螺旋泵的尺寸：

L=H/sinα （m）

n=0.85/?D2（r/s）

D=?Q/kn （m）

其中，轉速n的計算公式來源于經過實驗修正的莫依斯肯公式n=42～55/?D2（r/min）。

根據桶的尺寸和手握的舒適性，取D=0.05，則d=0.025，S=0.04。取H=0.3m，則L=0.6m。

阿基米德螺旋泵內螺桿如圖1所示：

圖1 內螺桿

3 組件結構

進排水組件的結構如下：1內螺桿，2外殼，3下端蓋，4軸承，5下套筒，6排水管，7電機，8電池，9下電源組殼，10上電源組殼，11上端蓋，12軸承，13下端蓋，14手柄，15進水管。

圖2 進排水組件

3下端蓋表面有小孔，便于進水，及阻擋大顆粒污物；2外殼與11上端蓋、3下端蓋之間形成相對密閉空間保護軸承；7電機、8電池、9下電源組殼、10上電源組殼共同組成了動力組件，更換方便； 6排水段下端為帶吸盤喇叭口，可吸附于下水道口，避免污染底面；14手柄可避免彎腰，在使用中與外殼下端的出水口可共同將泵體固定于水桶邊緣；14手柄、15進水管、6排水管可根據需求拆卸[4]。

4 結束語

針對市場上現有的旋轉拖把類型，以方便、造價低廉為目標，設計新的進水排水結構、增加可拆卸的結構，可以讓消費者根據使用場合，自主選擇是否使用，以期達到更加省力，更加便利的目的。

小巧便捷的注排水組件設計，不僅能用于旋轉拖把桶，對于其他小型但是沉重或使用頻繁的需要換水的產品同樣有借鑒意義，如金魚缸的換水。

本螺旋泵的缺點是前端設有軸承，不能將水完全抽出。在后續的研究中，如果有兩個支撐點，可嘗試將螺旋泵改為閉式，將葉片與外殼做成一體，葉片與外壁之間無縫隙，就可以避免回水，并且能夠將軸承置于水面上，保護軸承，利于維護[5]。