家用智能换水装置的研究与应用

王超 黄伟 陈虎城

【关键词】电动推杆;电机;夹紧;抬升;旋转

【中图分类号】TM921.5 【文献标识码】A 【文章编号】1674-0688（2021）06-0045-03

0 引言

20世纪90年代，我国第一台饮水机诞生。自此，在小型家用电器领域中，饮水机因其提升了人们的饮水质量和生活品位而成为家电必需品，直到现在都备受消费者喜爱。根据资料显示：2016年、2017年我国饮水机的产量均突破了2 500万台;在饮水机市场日渐饱和的情况下，2018年，饮水机产量也达到了2 563万台。随着饮水机的普及，形状各异的饮水机也渐渐走进了大众生活[1]。市场上，台式饮水机因其价格便宜、体积较小、功能能满足大多数用户的需求，现今家庭中使用最多的还是台式饮水机。使用台式饮水机时，不可避免地要重复更换桶装水，但目前的台式桶装饮水机还不具备自动换水及外部机构辅助换水的装置，当饮水机的桶装水用完后，一般是先将桶装水抬起后旋转倒放入饮水机，桶装水的更换完全需要人力抬高替换。

1 装置介绍

该装置由移动机构、电机夹紧机构、电机旋转机构、电机推杆抬升机构4个部分组成，整体机械装置模型图如图1所示。

1.1 总体结构介绍

为实现省力更换桶装水的目的，本文设计的家用智能换水装置包括底架、底架为中心横杆和中心横杆两端侧杆组成的“工”字形架，两段侧杆下方各安装有2個万向轮，4个万向轮层呈矩形分布，中心与第二电机轴竖直相对。两个侧杆的上表面均安装有2个竖向设置的支撑杆，4个支撑杆的顶端固定安装有横向设置的连接框架，同一侧杆上的2个支撑杆之间滑动连接有升降板，2个升降板与连接框架之间均固定有电动推杆，2个升降板之间连接夹紧机构。2个升降板的中部均开设有安装空腔，且2个安装空腔内均固定有第二电机，夹紧机构包括位于2个升降板中间的翻转板，2个第二电机的输出轴分别与翻转板的两端固定连接，翻转板的一侧表面固定有2个第一电机，2个第一电机的输出轴均穿过翻转板，并固定连接有夹爪，夹爪上安装有桶颈限位板。

1.2 移动结构介绍

底架、4个支撑杆和连接框架均由铝型材制成，底架中的两个侧杆下方均安装有2个万向轮[2]，且4个万向轮成矩形分布，可以提高稳定性。万向轮可以实现整个装置进退旋转。底盘移动机构如图2所示。

1.3 夹紧机构介绍

为了保证夹紧力，夹紧机构设计采用渐开线凸轮双向夹紧机构，能够防止机构在运行过程掉落，也方便计算计算夹紧力及夹爪各参数[3]。

图3是单个渐开线凸轮的工作示意图[4]。rb是渐开线基圆的半径;θC=∠BOC是渐开线上C点的压力角;αC=∠AOK是渐开线上K点的展角，αC=tanθC-θC;β=∠OKB，β+θC=90°;rK=OC是渐开线上K点的矢径;R=BC是渐开线上C点发生线的长度，即C点的回转半径。则αC和θC都可以通过αC+θC计算得到，因此最后取ψC=αC+θC作为设计凸轮的主要角度参数。单个凸轮设计参数如图3所示。

两个夹爪之间装夹有水桶，每个夹爪均包括3个互相平行设置的第一夹板、第二夹板和第三夹板，第一夹板、第二夹板和第三夹板之间连接有多个支撑柱，且第一夹板背离第二夹板的一侧中部安装有桶颈限位板。3块夹板使得水桶重心与翻转板为同一平面。

桶颈限位板包括安装部、连接部和限位部3个弧形板，连接部连接安装部和限位部，安装部通过螺钉固定在第一夹板上。桶颈限位板的断截面为“Z”字形，限位部的内径小于第一夹板的内径，有利于夹紧水桶出水口的夹紧，具有保护水桶出水口的作用。夹爪结构如图4所示。

1.4 抬升机构介绍

电动推杆固定在连接框架上，通过与升降板连接，带动第二电机及整个夹紧机构和桶装水向上升起，达到旋转所需要高度，机构相关动作运行到位后，带动水桶下降，完成上水过程[5]。

电动推杆不仅可以实现稳定抬升，还可以控制位置，且拥有良好的自锁性能，保证机构安全运行。电动推杆外形结构如图5所示。

1.5 旋转机构介绍

第二电机通过抱紧机构与翻转板连接，传递动力和扭矩，旋转电机扭矩为M，输出力为F，电机转子半径为R。计算公式如下：

M=F×R （1）

常用桶装水重力为G，重心离转子中心距为L，所需转矩为M1。计算公式如下：

M1=G×L （2）

电机扭矩M>M1，符合选用要求。

2 工作原理

首先将装置移动到水桶的位置，然后启动第一电机，打开2个夹爪，向着水桶的方向推动装置，直至2个夹爪完全罩住水桶，驱动第一电机使其反转，实现2个夹爪夹紧水桶，此时可将装置移动到中心横杆紧贴饮水机的位置，启动电动推杆，实现水桶和夹紧机构的上提，上提到高于饮水机的位置后，启动第二电机，实现翻转板的转动，使水桶对准饮水机口，此时停止第二电机的工作，之后配合电动推杆将升降板下推，水桶装到饮水机上，实现上水，再将夹紧机构恢复到原位置即可实现下一次的上水。

3 有益效果

3.1 移动方便

底架、4个支撑杆和连接框架均由铝型材制成，底架中的2个侧杆上均安装有2个万向轮，且4个万向轮成矩形分布，铝型材制成的底架、支撑杆和连接框架质量轻，更便于装置的整体移动和搬运组装，万向轮起到便于移动的作用。

3.2 重量小、便于拆卸组装

底架、支撑杆和连接框架采用铝型材进行配套使用，不需要焊接，便于拆卸、安装，且铝型材密度小、重量轻，有利于搬移，配合底架上安装的万向轮，装置移动方便且省力。

3.3 装置安全可靠

在设计的夹紧机构中，2个夹爪之间装夹有水桶，每个夹爪均包括3个互相平行设置的第一夹板、第二夹板和第三夹板，三者之间连接有多个支撑柱，可抱住水桶，便于后续对水桶的上提和翻转，模拟人手将水桶固定住，夹紧效果好，在传送过程中不会出现晃动、脱落的问题，使用安全可靠，避免水桶脱落。

3.4 使用方便、效率高

利用电动推杆、第一电机和第二电机的配合使用，代替人力实现桶装水的上水，使得上水过程更加方便，能够达到智能、省力上水的目的，大大提高了更换桶装水的工作效率，且工作时无烟尘、气味，不污染環境，噪音小，实用性强。

4 结语

随着饮水机在市场的普及，台式饮水机因为价格便宜、体积小、功能满足大多数用户的需求，所以现在家庭中使用最多的还是台式饮水机。在使用台式饮水机时，我们不可避免地要重复更换桶装水。市售桶装水容积一般是18.9 L，装满水后的重量大概在19 kg。对于一般的成年男性来说，更换比较容易，而对于老人、儿童、女性等群体就显得比较沉重，给人们生活带来极大的不便。针对现有技术的不足，市场急需一种家用智能换水装置，实现将家用桶装水固定、抬升、定位、翻转、下降上水，最后将其放入到饮水机里面。本文的设计便是基于上述问题来考虑，其结构简单、安装方便、功能实用、成本较低、灵活便捷，满足了广大家庭的需求。

参 考 文 献

[1]陈德根，朱泽清，田金，等.饮水机使用现状分析[J].科技与创新，2019（18）：120-121.

[2]王转柱.多功能万向轮[J].机械工人（冷加工），1993

（1）：29.

[3]周道.防掉落及夹紧机构的设计与应用[J].机械研究与应用，2018（6）：103-104.

[4]许振杰，黄嘉兴，梁斌，等.渐开线凸轮双向夹紧机构设计[J].煤矿机械，2018（6）：36-38.

[5]贾米娜，郭锋.实用电动推杆[J].机械管理开发，2006

（2）：58-59.