智能电动升降马桶设计

2021-10-24陈海伦陈民弟李向鹏刘先凯何安军

吉林化工学院学报 2021年9期

陈海伦，陈民弟，高路，李向鹏，张宁，刘先凯，孙灿，何安军

(吉林化工学院机电工程学院，吉林吉林 132022)

随着我国老龄人口增加，老年人如厕装置及辅助老年人如厕装置的研发具有广阔的市场前景，其发展有以下两种：一是老年人如厕助力装置，能够帮助老年人如厕时站立和下蹲，不需要老人腿脚使劲，防止老人如厕时发生意外，结构简单、功能单一、价位适中；二是老年人智能如厕助力装置，在辅助老年人如厕时站立和下蹲的同时，加入其他人性化功能[1].基于这些考虑，根据功能合理性、简洁安全性、易用、共用和主动性原则[2]，设计了一款能辅助老年人开关坐便盖和如厕时坐起，同时可在任何位置遥控冲厕的智能电动升降马桶，方便老年人独自如厕，减少对他人的依赖，减轻家人负担.

1 设计方案

老年人弯腰最好不要超过70°，避免由于头部下低幅度大，会导致血压升高，发生意外，同时避免由于体位恢复正常，血液快速流向躯干，导致脑部发生贫血，两眼发黑，站立不稳而摔倒[3].基于此，本产品在马桶盖的转轴处安装12 V直流电机，通过开关和调速旋钮实现速度可调的马桶盖自动开闭；通过人因工程学及相关资料，人体腿部膝盖弯曲最适起身圆弧角度为33°，采用弧形轨道和弧形滑块的圆弧滑块机构，通过电动推杆推动弧形滑块沿固定到支架上的弧形轨道完成马桶盖33°角的开闭；采用小型电动推杆固定在马箱冲水箱盖上面，电动推杆头部配备顶帽与水箱的冲水按钮接触，通过遥控器，实现自动冲水；外配51单片机，通过ADC模块、PWM模块、LCD1602接口、五线四项步进电机、DS1302模块、矩阵按键模块等观测室内温度与播放音乐；在马桶一侧安装报警器，用于老人突发情况下的报警或找人帮助；在马桶盖内侧，安放小米生态小达马桶杀菌除味器，UVC紫外线LED灯，IPX4防水，臭氧净化消毒；支架用差动螺旋传动实现长度可调节，底座安装螺纹实现高度可调节，以满足市场不同规格马桶需要；采用可锁紧的万向轮，方便支架的移动和固定.如图1所示.

图1 智能电动马桶

由于市场马桶尺寸规格不同，结构设计长度和高度分别可调.产品参数见表1.

表1 产品参数表

2 设计内容

2.1 马桶盖开闭设计

马桶盖开闭角度按最大角度120°(2π/3)进行设计，选用直流电机.电机参数见表2.

表2 ZYTD-520直流电机参数

2.2 弧形传动设计

2.2.1 主要组成部分

用于实现马桶坐便圈升降的弧形传动装置，由主体框架、动力传输和行程路线控制3部分构成，如图2所示.

图2 弧形滑道图

主体框架由支架、支撑底座、马桶坐便垫、连接垫片、扶手连接块和扶手组成；动力传输由2个电动推杆及支座组成；行程路线控制由弧形滑道、弧形滑块和紧固挡板组成.支架为30×30 mm2铝合金型材；底座、坐便垫、连接垫片材料为2 mm的Q235钢；扶手连接块材料为2 mm的304钢；弧形滑道材料为30 mm的酚醛树脂板；弧形滑块材料为15 mm的尼龙66.

2.2.2 弧形滑道设计

正常人小腿高约为400 mm(百分位数占比95%+修正尺寸)，根据人体工程学，设计以膝盖为圆心，最大圆弧角为33°的弧形滑道，与弧形滑块相对运动，通过电动推杆带动马桶座便圈实现角度可调、最大圆弧角为33°的弧形往复摆，顺应老人起身时的弯曲弧度，减轻老人的膝盖负担，协助老年从坐到起.人体功效学常用人体测量数据[4]见表3.

表3 人体测量数据

马桶外壁到马桶坑中心距离约为260 mm，人坐到马桶上膝盖距离马桶外壁距离约为230 mm，以膝盖为圆心，以坐深为半径画弧.坐便随液压杆的伸缩抬起角度范围在0°～36°最便于老人起身[5].通过不同身高老人试验，当坐便圆弧角为30°～36°时，是老年人最易起身位置.因此本设计采用最大圆弧角为33°.分别以430 mm、510 mm为半径做内、外弧线，圆弧角为48°[6](保证滑道与滑块有15°的重合部分)设计工程图[7]，如图3所示.

(a)设计图

(b)实物图图3 弧形滑道设计

为保证滑道与滑块运动的可靠性，在滑道上加固定挡板，如图4所示.

图4 滑道与滑块组件

2.2.3 弧线运动设计

选用2个位移可控的电动推杆带动弧形滑块与滑道相对运动.弧形滑块与坐便盖用2个M8螺栓连接，电动推杆通过支撑座与垫片用2个M6螺栓连接，如图5所示.电动推杆由22 V电源做动力，主要参数见表4.

(a)设计图

(b)实物图图5 弧线运动连接设计

表4 电动推杆的主要参数

扶手与连接块用3个M8螺栓连接.为满足座椅的可移动要求，连接块与坐椅架通过U型滑板用2个M8螺栓连接，通过拆卸螺栓，使扶手连接块组件与U型滑板间左右各有最大行程为30 mm的滑动，实现不同规格坐便最大长度尺寸差为50 mm的可调功能.如图6所示.

(a)连接块

(b)U型滑板

3 理论设计计算

3.1 马桶坐便盖设计计算

3.1.1 受力分析与计算

对马桶坐便圈进行受力分析.视为中间受集中载荷作用的简支梁，如图7所示.马桶座圈材料为Q235钢，材料参数及尺寸参数[8]见表5.支撑点的距离为L=445～500 mm，中间承重按F=100 kg计算.

表5 坐圈整体材料参数及尺寸参数

截面D处作用有集中载荷，F=100 kg.

由平衡方程ΣMA=ΣMB=0,得FAy=FBy=490 N；

由FS1=FAy(0

CB段选B点为原点：

FS2=-FBy(0

图7 马桶坐便圈力学模型

由图7的弯矩图可知截面D处弯矩最大，MMAX=FS·1/2=122.5 N·m.

由于C-C处截面小，且有开孔，因此此处为危险截面.

强度校核：

校核合格.

3.1.2 有限元分析

通过SOLIDWORKS对坐便盖结构进行建模并化简.在Ansys Workbench平台4选取Solid226高阶六面体单元，由Hypermesh开启曲率控制函数对模型进行网格划分，经网格无关性检验，单元数目为66 089[10]，如图8所示.

(a) 网格

(b) 安全系数

(d) 弹性变形

(e) 等效

(f) 等效

(g) 最大等效应图8 有限元分析图

有限元分析结果表明，该部件承受100 kg力时所受的最大等效应力为64.272 MPa，远低于Q235钢的屈服强度.

通过强度校核与有限元分析，结果一致，强度满足要求.

3.2 差动螺旋传动设计计算

采用M8×30的左旋和右旋螺杆中间用螺母连接，形成反向差动螺旋传动实现支架长度可调，如图9所示.螺旋传动相关参数[11]见表6.

由于此差动螺旋传动用于静止不动的框架，且框架为超静定结构，差动螺旋传动的最大行程为50 mm，支承间距不大.因此，螺旋所受的轴向力很小，耐磨性、刚度、稳定性、强度不进行计算，能满足要求[12].

图9 差动螺旋传动

表6 螺旋传动参数

3.3 马桶盖开闭时间设计计算

马桶盖开闭角度按1 200(2π/3)设计：

按此计算，马桶盖开闭时间为1～1.25 s.考虑马桶盖开闭时间过快，采用最大值为125 kΩ可调电阻式逆变器来控制电机的转速，实现马桶盖开闭时间的可控制.

4 结论

本设计产品可使座便圈开闭可在0°～33°可调，顺应老人起身时膝盖弯曲弧度，减轻膝盖负担，协助老人起坐，具有一键自动冲水、马桶盖开闭等功能.具有结构简单、使用方便、价格便宜、功能多、智能化等特点.市场化批量生产单件价格1 500元左右.可以适用于家庭、宾馆、养老院和机场、商场、公园等公共场所卫生间，方便老年人如厕，具有很大的实用价值、使用价值和推广价值.