旋转拖把的进排水组件设计

2021-01-14刘佳音

科学与信息化 2020年36期

刘佳音

嘉兴南洋职业技术学院浙江嘉兴 314003

引言

作为家庭清洁的主要工具——拖把，是生活中必不可少的易耗品。人们对家庭未来拖把希望点的排序为：省时省力-物美价廉-智能清洁工具-拖把自身容易清洗-人性化-能打扫卫生死角，表明人们希望拥有一款省时省力的拖把，以减轻繁重枯燥的家务负担。

淘宝大数据显示，在家务/地板清洁用具这个二级类目中，旋转拖把的成交占比达到63%，使用频率非常高。做家务的女性占大多数，然而最为省时省力的清洁工具——扫地机器人也并没有进入到千家万户。其次，省事省力的旋转拖把虽然免去了手洗拖把、手拧拖把的困扰，但是对于拖把桶的排水问题却没有很好解决。本课题就是希望设计出一种通用的，可拆卸的注水放水结构，减轻女性的家务重担[1]。

1 旋转拖把排水现状

针对拖把桶的放水问题，有一部分拖把简单在侧边开排水口，会导致水流淌到地面，增加清洁工作，需要弯腰插拔塞子；绝大部分旋转拖把桶无排水口。塑料材质旋转拖把桶4.5kg左右，金属材质旋转拖把桶重量可达到3kg，拖把桶中的水5kg左右，女性用户要在一次拖地过程中换水2～3次，要把水桶弯腰抬起（甚至要搬高），倾斜水桶，倒水，这个动作很多中老年女性并不能很轻松地完成。因此，项目组把改进措施定位在旋转拖把的注水、放水结构上。

市场上旋转拖把桶大多数无排水口，在不破坏现有拖把桶的结构，并保持拖把桶稳固牢靠的前提下，设计可拆卸的进水排水组件，把污水从拖把桶内排出。本设计用到的是一种历史悠久的提水工具——阿基米德螺旋泵。

2 阿基米德泵

阿基米德螺旋泵提水原理与古代龙骨水车相似，可将其看作是一个移动的斗式提升机。我国使用螺旋泵的历史较短，二十世纪七十年代才由国外引入，目前此种泵主要用于农业灌溉及污水处理，用于生活中的小型泵实例较少。

螺旋泵的提升高度可以按照实际使用需要“量体裁衣”，因此没有浪费。离心泵、轴流泵等常用的小泵，都是利用高速转动，而在吸水管内造成真空抽吸高度来提水的。要是进水位很低，就会造成水抽空而损毁水泵。它们的使用必须在泵站中设置集水井，以保持一定高度的水头。而螺旋泵只要叶片接触到水面就可把水提上来，按水面(即进水水位)的高度自行调节排水量，一台使用普通电机的螺旋泵输送范围能够自零至最大的流量，而不必频繁地开泵和停泵，水头损失很小[2]。总之，阿基米德螺旋泵结构简单，转速低，叶片之间的空间较大，不易产生堵塞，适用于抽送含固体杂质的流体，进口流速的分布不影响泵的水力性能，对进水池要求简单，低扬程，大流量，可靠性高，辅助设备少，易于控制。

图1 螺旋泵提水原理

根据市场调查拖把桶尺寸数据，一般拖把桶成长方体，高（扬程）一般有H=0.25-0.3m，容积V≈0.5m3。

螺旋泵的流量可以用下式表示：

Q=KnD3（m3/s）

n—泵的转速（r/s）

D—泵叶片外径（m）

K—泵的流量系数

当叶片数为3～4片时，泵的流量系数可参照下表取得。

表1 阿基米德螺旋泵流量系数表[3]

设计时，螺旋泵安装角取α=30°最为合适，叶片数取3，当内径d=0.5D时，叶片间距S=0.8D时，阿基米德螺旋泵流量系数k值最大，k=0.319，泵的效率最高。在此条件下，确定螺旋泵的尺寸：

L=H/sinα （m）

n=0.85/∛D2（r/s）

D=∛Q/kn （m）

其中，转速n的计算公式来源于经过实验修正的莫依斯肯公式n=42～55/∛D2（r/min）。

根据桶的尺寸和手握的舒适性，取D=0.05，则d=0.025，S=0.04。取H=0.3m，则L=0.6m。

阿基米德螺旋泵内螺杆如图1所示：

图1 内螺杆

3 组件结构

进排水组件的结构如下：1内螺杆，2外壳，3下端盖，4轴承，5下套筒，6排水管，7电机，8电池，9下电源组壳，10上电源组壳，11上端盖，12轴承，13下端盖，14手柄，15进水管。

图2 进排水组件

3下端盖表面有小孔，便于进水，及阻挡大颗粒污物；2外壳与11上端盖、3下端盖之间形成相对密闭空间保护轴承；7电机、8电池、9下电源组壳、10上电源组壳共同组成了动力组件，更换方便； 6排水段下端为带吸盘喇叭口，可吸附于下水道口，避免污染底面；14手柄可避免弯腰，在使用中与外壳下端的出水口可共同将泵体固定于水桶边缘；14手柄、15进水管、6排水管可根据需求拆卸[4]。