一種半自動化積水清理機設計

鞠 曼 孫雨橦

（東北林業大學，黑龍江 哈爾濱 150000）

1 概述

近年來，社會經濟的快速發展使得人們的生活水平不斷提高，對周遭環境的要求也逐漸上升。針對雨后地面上的積水，不同的社會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易產生打滑發生不可逆的危害、行人會因車速過快而被濺水、運動員會因跑道的積水無法進行正常的運動等。日常生活中，清理積水的方法有兩種：一是積水自動流入下水道，但場地因素制約過多；二是人為利用掃帚等工具將積水掃開，增加揮發速度，但費時費力，對工具磨損較大。因此，本文擬設計的用于收集和儲存積水的清理設備就顯得尤為重要，不僅可以節約水資源，同時又將節能環保的理念貫徹到人們的心中。

2 方案設計

本文擬定的積水清理機為半自動化裝置，需要操作人員將機器移動到相應位置后，通過控制相應的按鈕來完成一系列工作。產品模型如圖1、圖2 所示。

圖1

圖2

積水清理機的總設計主要包括：用于收集地面積水的收集系統、將收集的積水進行提取的擠壓系統、把擠壓出來的積水進行儲存并利用的儲存系統以及操縱整個設備的顯示控制系統。收集系統包括海綿柱以及可伸縮桿；擠壓系統包括疊片、機架、連桿、搖桿以及可伸縮桿；儲存系統包括水箱、水位槽、水管、連通管、可拆卸端蓋；顯示控制系統包括顯示屏、按鈕、水位感應器以及各種電路連接。積水清理機裝置的總體結構如圖3 所示。

圖3

3 工作原理

整個裝置以電動機作為動力源，用來驅動收集積水系統和擠壓積水系統。電動機選用直流銅芯，通過齒輪以及其他機械結構傳遞動力，從而帶動收集積水系統中的拉桿、搖桿和擠壓積水系統中的連桿、搖桿、伸縮桿進行運動，節能持久，運轉平穩。水位感應器與顯示屏結合，用以顯示吸水情況，確保后續工作進程的準確。

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

圖4

4 使用過程

操作時需先將清理機移動到指定位置后，點擊顯示屏下方的開關按鈕，控制電路發出啟動信號。然后按下左側下移按鈕，海綿下降至與底面貼合，進行吸水運動。如果積水面積較大，海綿柱被完全浸濕時，海綿柱上方的水浸傳感器感應到水的存在，通過電信號傳遞給顯示器，顯示器顯示海綿柱已被完全浸濕后，操作人員點擊左側的上升按鈕，同時點擊右側推移按鈕控制疊片形成圓面后，再點擊右側上升按鈕。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，同時上方端蓋為可拆卸型，可以將其打開并清理水箱內部，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，點擊左側復位按鈕，部分被浸濕的海綿柱可上升至原始位置，操作人員可繼續移動清理機到指定位置，重復上述操作。完成所有工作后，再次點擊顯示屏下方的開關按鈕，控制整整個電路發出停止信號，節省電力資源，以延長整個設備的使用壽命。

5 結構設計

5.1 疊片到圓面的轉換

疊片分為A,B,C 三個型號。A 型疊片左右邊緣處各設置一個圓柱機架，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。同理設計B 型疊片與C 型疊片的連接。如此，在未點擊右側推移按鈕時，各型號疊片呈階梯狀相互貼合。按下推移按鈕后，連桿和搖桿轉動一定的角度，使得B 型疊片外邊緣與A 型疊片內邊緣相接觸、C 型疊片外邊緣與B 型疊片內邊緣相接觸。同樣地，各型號疊片間呈階梯狀排布，俯視圖為一個可以與內壁緊密貼合的圓面。

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 型疊片的機架（共8 個）上安裝伸縮桿，通過控制上升或復位按鈕使伸縮桿進行伸縮任務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身內壁邊緣高于外壁邊緣，利用凸出的內壁來固定上方端蓋。使用端蓋兩側的把手即可打開或關閉的動作。

5.4 水浸傳感器

水浸傳感器為紅外光電水浸傳感器，此傳感器分光強采集和檢測電路兩大部分，光強 采集部分包括光學探頭、紅外發射二極管發光芯體、光敏三極管接收芯體。通過對探頭材料與結構進行設計，探頭處于水與空氣兩種介質中，接收到的光強不同，檢測電路將不同的光強信號轉換成模擬輸出與開關信號，實現對浸水狀態的檢測。其光路探頭需直接接觸水，但檢測電路需完全防水，傳感器探頭與內部電氣通過結構緊壓配合與密封膠填充密封，實現探頭與內部紅外發光二極管、接收光強的光敏三極管、檢測電路的完全隔離，能有效防止外界水、氣等對內部電氣的影響。

5.5 結構參數

表1

6 主要結構的材料選擇

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

由于顯示屏的用途導致其對顏色、清晰度等要求不高，所以選用STN 材質，相比于UFB、TFT 等屏幕材質，STN 價格低，耗能小。

伸縮桿、水箱、疊片均采用相同的材料--復合不銹鋼，即外層不銹鋼，內層鋼管，外觀漂亮，堅固耐用。由于可能會與雨水進行接觸，外層不銹鋼的抗銹性能得以實用，同時內部的鋼管可以滿足足夠強的硬度、強度等，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，同時因無法受到光照而長期處于潮濕狀態，所以不銹鋼極強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殼部分均采用ABS，表面光滑便于清理。同時相比于金屬，塑料質量更輕便，使得端蓋便于端起或蓋上。顏色選用為水藍色，意在表明此機器與水有關。機殼除上述的ABS 外，還有下方的復合不銹鋼金屬殼，不銹鋼外殼采用金屬拉絲工藝，增加質感的同時又能抗侵蝕。

水位槽選用透明的亞克力材質，由于所需面積并不大，所以不會產生較高的費用。長時間的戶外工作，亞克力的耐候性和抗老化性極為重要，可以確保即使長時間在風吹日曬的情況下，材料依舊保持良好的透明度。

水管的材質為PVC，可以確保在較高的濕度長期使用的條件下不會發生變形以及化學變化，性能穩定，具有較好的韌性和強度。

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

7 結論

積水清理機是一款可以對積水進行收集并儲存的半自動化機器。利用疊片與圓面的轉換對海綿柱吸取的積水進行擠壓以起到收集與儲存的作用為本設計的創新點，利用水浸傳感器的作用對海綿柱進行充分利用，將能耗降為最低。相比于積水自然蒸發耗時長且不確定性，積水清理機可以做到針對某一處積水進行處理，效率高的同時還能對積水進行處理。這不僅方便了人們的生活，也是對水資源的循環再利用，將人與自然的和諧理念深入人心。