一种半自动化积水清理机设计

鞠 曼 孙雨橦

（东北林业大学，黑龙江 哈尔滨 150000）

1 概述

近年来，社会经济的快速发展使得人们的生活水平不断提高，对周遭环境的要求也逐渐上升。针对雨后地面上的积水，不同的社会角色拥有不同的烦恼：积水坑中的落叶、垃圾等不便于清洁工清扫、车轮滚过积水且车速过快时易产生打滑发生不可逆的危害、行人会因车速过快而被溅水、运动员会因跑道的积水无法进行正常的运动等。日常生活中，清理积水的方法有两种：一是积水自动流入下水道，但场地因素制约过多；二是人为利用扫帚等工具将积水扫开，增加挥发速度，但费时费力，对工具磨损较大。因此，本文拟设计的用于收集和储存积水的清理设备就显得尤为重要，不仅可以节约水资源，同时又将节能环保的理念贯彻到人们的心中。

2 方案设计

本文拟定的积水清理机为半自动化装置，需要操作人员将机器移动到相应位置后，通过控制相应的按钮来完成一系列工作。产品模型如图1、图2 所示。

图1

图2

积水清理机的总设计主要包括：用于收集地面积水的收集系统、将收集的积水进行提取的挤压系统、把挤压出来的积水进行储存并利用的储存系统以及操纵整个设备的显示控制系统。收集系统包括海绵柱以及可伸缩杆；挤压系统包括叠片、机架、连杆、摇杆以及可伸缩杆；储存系统包括水箱、水位槽、水管、连通管、可拆卸端盖；显示控制系统包括显示屏、按钮、水位感应器以及各种电路连接。积水清理机装置的总体结构如图3 所示。

图3

3 工作原理

整个装置以电动机作为动力源，用来驱动收集积水系统和挤压积水系统。电动机选用直流铜芯，通过齿轮以及其他机械结构传递动力，从而带动收集积水系统中的拉杆、摇杆和挤压积水系统中的连杆、摇杆、伸缩杆进行运动，节能持久，运转平稳。水位感应器与显示屏结合，用以显示吸水情况，确保后续工作进程的准确。

积水清理机的控制区为显示屏以及左右两侧的按钮。显示屏左侧的按钮用来控制收集系统，三个按钮的作用分别为：下移（利用伸缩杆将海绵柱下移至地面便于吸水），上升（利用伸缩杆带动海绵柱上升），复位（利用伸缩杆将海绵柱下移或上升至原始位置）。显示屏右侧按钮用来控制挤压系统，三个按钮的作用分别为：推移（通过连杆、摇杆将叠片推移为圆面），上升（利用伸缩杆带动圆面上升），复位（利用伸缩杆将圆面下移至初始位置并使叠片恢复为原始状态）。显示屏及按钮位置如图4 所示。

图4

4 使用过程

操作时需先将清理机移动到指定位置后，点击显示屏下方的开关按钮，控制电路发出启动信号。然后按下左侧下移按钮，海绵下降至与底面贴合，进行吸水运动。如果积水面积较大，海绵柱被完全浸湿时，海绵柱上方的水浸传感器感应到水的存在，通过电信号传递给显示器，显示器显示海绵柱已被完全浸湿后，操作人员点击左侧的上升按钮，同时点击右侧推移按钮控制叠片形成圆面后，再点击右侧上升按钮。海绵柱上升的位置比圆面上升的位置高，圆面上升的定位点为可将海绵柱中的积水全部挤出的位置，通过利用与水箱连通的塑料管使积水流入到水箱中，同时上方端盖为可拆卸型，可以将其打开并清理水箱内部，防止堵塞等其他情况；如果积水面积较小，显示屏显示海绵柱没有被完全利用时，点击左侧复位按钮，部分被浸湿的海绵柱可上升至原始位置，操作人员可继续移动清理机到指定位置，重复上述操作。完成所有工作后，再次点击显示屏下方的开关按钮，控制整整个电路发出停止信号，节省电力资源，以延长整个设备的使用寿命。

5 结构设计

5.1 叠片到圆面的转换

叠片分为A,B,C 三个型号。A 型叠片左右边缘处各设置一个圆柱机架，摇杆与其相连，连杆与摇杆和B 型叠片相连。摇杆与连杆所设置的高度为恰好将B 型叠片与A 型叠片贴合的位置。同理设计B 型叠片与C 型叠片的连接。如此，在未点击右侧推移按钮时，各型号叠片呈阶梯状相互贴合。按下推移按钮后，连杆和摇杆转动一定的角度，使得B 型叠片外边缘与A 型叠片内边缘相接触、C 型叠片外边缘与B 型叠片内边缘相接触。同样地，各型号叠片间呈阶梯状排布，俯视图为一个可以与内壁紧密贴合的圆面。

以二分之一叠片为例，如图5、图6。

图5

图6

5.2 圆面的上升

在A 型叠片的机架（共8 个）上安装伸缩杆，通过控制上升或复位按钮使伸缩杆进行伸缩任务以完成圆面的上升或下移的工作。

5.3 可拆卸端盖

与端盖接触的下方机身内壁边缘高于外壁边缘，利用凸出的内壁来固定上方端盖。使用端盖两侧的把手即可打开或关闭的动作。

5.4 水浸传感器

水浸传感器为红外光电水浸传感器，此传感器分光强采集和检测电路两大部分，光强 采集部分包括光学探头、红外发射二极管发光芯体、光敏三极管接收芯体。通过对探头材料与结构进行设计，探头处于水与空气两种介质中，接收到的光强不同，检测电路将不同的光强信号转换成模拟输出与开关信号，实现对浸水状态的检测。其光路探头需直接接触水，但检测电路需完全防水，传感器探头与内部电气通过结构紧压配合与密封胶填充密封，实现探头与内部红外发光二极管、接收光强的光敏三极管、检测电路的完全隔离，能有效防止外界水、气等对内部电气的影响。

5.5 结构参数

表1

6 主要结构的材料选择

把手、端盖把手的选择均为黑色的ABS 不规则圆管，采用磨砂处理方式，增加使用者在使用时与把手的摩擦，保证硬度、强度的同时又能提升使用感受。与把手连接的两根管柱同样为ABS 塑料，但表面进行光滑处理，以便进行清理等操作。

由于显示屏的用途导致其对颜色、清晰度等要求不高，所以选用STN 材质，相比于UFB、TFT 等屏幕材质，STN 价格低，耗能小。

伸缩杆、水箱、叠片均采用相同的材料--复合不锈钢，即外层不锈钢，内层钢管，外观漂亮，坚固耐用。由于可能会与雨水进行接触，外层不锈钢的抗锈性能得以实用，同时内部的钢管可以满足足够强的硬度、强度等，足以提供给形成圆面的叠片以及吸饱水的海绵足够的动力。

连通管选用不锈钢管材，由于连通管用来传输被海绵挤压出的积水，同时因无法受到光照而长期处于潮湿状态，所以不锈钢极强的抗锈性能起到了极为重要的作用。

端盖以及与其颜色相同的机壳部分均采用ABS，表面光滑便于清理。同时相比于金属，塑料质量更轻便，使得端盖便于端起或盖上。颜色选用为水蓝色，意在表明此机器与水有关。机壳除上述的ABS 外，还有下方的复合不锈钢金属壳，不锈钢外壳采用金属拉丝工艺，增加质感的同时又能抗侵蚀。

水位槽选用透明的亚克力材质，由于所需面积并不大，所以不会产生较高的费用。长时间的户外工作，亚克力的耐候性和抗老化性极为重要，可以确保即使长时间在风吹日晒的情况下，材料依旧保持良好的透明度。

水管的材质为PVC，可以确保在较高的湿度长期使用的条件下不会发生变形以及化学变化，性能稳定，具有较好的韧性和强度。

海绵选用开孔率较高的高回弹海绵，孔数越多吸水能力越强。且其耐受力高，回弹性强，可长期使用不变形，有多种密度可选，有很好的抗震性、柔软性和透气性，价格亲民。

7 结论

积水清理机是一款可以对积水进行收集并储存的半自动化机器。利用叠片与圆面的转换对海绵柱吸取的积水进行挤压以起到收集与储存的作用为本设计的创新点，利用水浸传感器的作用对海绵柱进行充分利用，将能耗降为最低。相比于积水自然蒸发耗时长且不确定性，积水清理机可以做到针对某一处积水进行处理，效率高的同时还能对积水进行处理。这不仅方便了人们的生活，也是对水资源的循环再利用，将人与自然的和谐理念深入人心。