新型管道真空吸污充气机的设计

2015-05-07王文深郑秀丽

机械工程师 2015年4期

王文深，郑秀丽

（浙江工贸职业技术学院汽车与机械学院，浙江温州325003）

0 引言

日常生活中，家庭、机关、旅馆、饭店等场所的下水管道经常因头发、菜叶、污泥等杂物而堵塞，造成污水外溢散发臭味，严重影响了生活和工作。目前常采取的办法是使用手动疏通器疏通，但这种方法使用较费力，疏通距离较短，而且疏通效果比较差等；堵塞严重时还可以采用电动疏通器，但体积较大、重量较重、价格较高，一般需专业人士操作，而且疏通时容易损坏塑料管道等。家庭生活中还有很多在使用前必须充气的物品，例如各种体育用球、气球、自行车、摩托车、汽车等。充气时一般使用常见的普通打气筒，但仅具有为充气的功能，功能比较单一，且打气时容易弄脏衣物，密封用的皮碗较易损坏等缺点。

最近我们设计开发了一种新型管道真空吸污充气机，同时具备了管道吸污疏通和对用气物品充气两种功能，具有适合城乡居民家庭使用的特点。据市场调查，国内外市场没有发现有类似产品，因此属一项全新家庭机械产品，可在绝大多数城乡居民家庭中使用。此新型管道真空吸污充气机还获得了国家实用新型专利（专利号：ZL201220230261.9）。

1 工作原理

家用管道真空吸污充气机工作原理图如图1所示。该设备主要由缸筒、活塞、活塞杆、基座、缸盖、单向阀、密封圈及截止阀等组成。

1.1 充气原理

在该机用作充气设备时，需提前打开基座进出气管一侧的两个气动截止阀，吸盘一侧的气动截止阀则关闭。当向上提起活塞杆时，靠近缸筒的进气单向阀自动开启，于是外界空气被吸入到缸筒下腔，而与胶管连接的排气单向阀则反向自动关闭，吸气动作完成；当活塞杆下压时，缸筒下腔气压增大，进气单向阀反向自动关闭，而排气单向阀自动开启，缸筒下腔的压缩空气经胶管、排气单向阀及充气阀进入到充气设备中，充气阶段完成。不断重复活塞杆提起、压下动作，就可以完成对充气设备的充气工作。这里的充气阀起到仅允许压缩空气充入到用气设备中而不能反向排出的作用。

图1 家用真空吸污充气机工作原理图

1.2 吸污原理

在该机用作吸污设备时，需提前关闭基座上进出气管一侧的两个气动截止阀，而吸污盘一侧的截止阀则打开。当对堵塞管道进行疏通时，要将橡胶吸污盘口对准马桶的排污孔或管道口，此时要检查吸污盘口应与下面接触面是否贴紧，否则会影响到设备的吸污效果。当活塞杆提起时，缸筒下腔至吸盘处瞬间产生负压，致使管道堵塞的淤泥层在其底下大气压作用下向上翘起；当活塞杆下压时，缸筒下腔的气压突然增加，污泥层又会在缸筒下腔气体压力作用下向下弯折。当活塞杆不断地抬起、下压时，淤泥层就不断地重复上下翻折动作，直至疲劳破裂，最后再用水冲走附在管道内壁上的污泥，从而达到管道疏通的目的。

吸污工作结束后，可能会有一些污泥或污水被吸进缸筒的下腔，需要清污时，应先拧下基座底部的螺塞，再上下移动活塞杆若干次即可，最后再将基座及吸污盘放入到清水里冲洗干净，晾干后保存到干燥的地方。

2 设计过程

2.1 充气部分的设计

由于本机属家用机械设备，主要尺寸设计时参考了普通打气筒尺寸，缸筒内径选为40mm，缸筒壁厚0.75mm，缸筒长度为450 mm。由于本机在工作时最高压力和真空度都不是很大，因此缸筒、活塞环及缸盖均采用质量较轻、价格较低的铝材。单向阀、截止阀、充气阀、密封件等元件根据气动设计手册来选取。为方便该机的制造、维护及降低成本，设计中采用较多成熟的气动件。

2.1.1 气筒活塞的设计

图2为气筒活塞的结构示意图。活塞在缸筒内往复运动实现了吸气和压气的功能，其在高压和负压循环往复作用下，承受了较大的交变载荷，同时也受到与缸筒内表面的磨擦。本机工作可靠性与使用耐久性在很大程度上与活塞的工作情况有关。

图2 活塞结构示意图

设计中活塞直径确定为39.9 mm，活塞与缸筒内孔配合间隙为0.05 mm，为了提高密封性能，活塞环上使用了2个O型密封圈，规格为40×3.1 mm。根据密封圈要求，活塞上两个沟槽槽宽确定为3.12mm，活塞长度确定为12mm。

2.1.2 充气量的计算

根据缸筒内径及长度，可以计算出缸筒内腔的容积。在一个标准大气压下每工作一次可充入气体的容积近似为缸体内腔的容积，即

考虑到气筒泄漏及活塞本身体积占用等因素，充入气体的实际容积约为理想容积90%左右，因此一次充气实际充气量为

2.1.3 常用用气设备的充气次数的计算

1）自行车内胎充气。常用自行车内胎容积约为1.5 L，充气后一般要求达到2.63 MPa左右。从而可计算出单个自行车轮胎从初始体积为0 L到体积为1.5 L，压力达到2.6 MPa时，需要往复运动的次数为

生活中，自行车充气时往往都是在已经充气的基础之上再充气，假设原来压力2.02 MPa，根据计算结果，则完成充气仅需3次即可达到要求。

2）体育用球充气。以常见篮球为例，一般篮球容积为7.8 L，充气压力要求在0.7 MPa左右，则打满气活塞需要往复运动次数为

用相同的方法对一般规格的足球、排球、气球充气次数进行计算，计算结果分别约为9次、6次、3次。

2.2 吸污部分的设计

吸污部分包括基座、截止阀、软管及吸污盘等，基座内孔与缸筒外圆柱面采用螺纹联接，并且配合处使用密封带密封，以防止有气体泄漏。基座两端上平面上有两个螺纹孔，分别与两条胶管的接头相连，基座底部有排污孔，在设备清洗内腔时，需将排污孔处的螺塞拧下。气动截止阀、吸污盘及软管等可根据气动设计图册选取。

2.2.1 基座设计

图3为设备基座的零件结构示意图。基座选择质量较轻的铝块，上面内螺纹大孔尺寸根据缸筒外径来确定，两侧螺纹孔尺寸由胶管接头大小来确定，基座下部的螺纹孔则根据螺塞的尺寸来确定。因零件受力不大，确定其他尺寸时遵循以节省材料、减轻重量的原则。

图3 基座结构结构示意图

2.2.2 吸污能力的计算

假若不考虑泄漏，根据本机结构尺寸可算出缸筒下腔最小容积（当活塞处于最下端时）为Vmin=34.5 mL。

设大气压力为po，假定活塞上移时气温不发生变化，根据玻意耳-马略特定律，可计算出活塞拉至缸筒最高位置时的压力大小p，具体计算过程如下：

因此，理论上机器吸污时缸筒内腔真空度最高可达到0.939po，但如果考虑密封不严、漏气等因素，实际的真空度会比这个数字小一些。试验结果表明，在本机在进行吸污时，缸内气体真空度最高为0.074 MPa左右，完全能够满足疏通常见的水管堵塞、马桶不通及地漏堵死的要求。对于管道中常见堵塞情况（堵塞层厚度小于10 mm，深度不超过3 m），经实际测试，疏通效果良好。