手动屏幕清洁器设计与仿真

刘晓龙, 庞文武, 姚洽东, 沈大伟, 曹旭, 柴承文

(北京印刷学院机电工程系,北京 102600)

随着包括社交网站在内的手机的多种用途的引入,人们对手机越来越上瘾。 大多数人携带该设备到可能存在病原微生物的地方,使该设备成为一种污染物[1]。 对于大多数人来说,没有手机的生活是不可能完成的任务。 例如在与卫生保健服务有关的各种活动中,卫生保健人员曾多次触摸他们的手机。 因此手机也被发现受到各种微生物的污染[2]。

电子产品屏幕的清洁度在一定程度上影响着电子设备的使用体验,更重要的是,屏幕的健康对用户的健康也有很大的危害。 根据研究[3],手机每平方厘米含有120,000 个细菌,而整个手机含有数百万个细菌。 因此,清洗电子产品的屏幕是大家需要了解和注意的事情。 而用户会发现的是,电视、电脑经过一段时间的使用后,显示屏会积累污渍,不仅影响屏幕的显示效果,还会影响外观的美观度[4]。

作为最新的时尚趋势,全屏已经成为高端手机的基本配置。 一个产业的崛起必然会带动其他产业的经济发展,就像手机产业带动了围绕手机的一系列产业,如电子制造业和软件工程产业。 而屏幕清洁业也在飞速发展[5]。

武汉东湖学院余华[6]提出了一种手机屏幕清洁装置,通过吸盘以及滑塞筒抽气装置,将手机固定,避免清理手机时手机晃动导致清理不干净,通过电推杆使得擦拭板与手机屏幕贴合推动完成清洁。 该产品实现了屏幕的固定清洁,避免了皮肤与清洁剂的接触。 发明人许津元[7]提出了一种便携式手机屏幕清洁器,通过凹槽、连接板、伸缩弹簧的组合,将连接板拉入凹槽内,减小装置的占用空间,使装置便于携带。 虽然市场上的屏幕清洁器五花八门,但是能够适用于生活中,能够提高屏幕的清洁度,同时经济适用,便于携带的屏幕清洁器并无先例。 因此设计手握式屏幕清洁器,可以实现适用于生活中对屏幕清洁的需求,具有很高的社会经济价值。

1 手动屏幕清洁器装置功能需求分析

本装置是基于阀门和修正带的思维方式而提出的便携式屏幕清洁器,装置包括设计在上部的消毒瓶装置和中部的阀门装置以及位于下部的清洁布装置,消毒瓶储存清洁液,阀门装置进行清洁液的控制,下部分包括清洁布和球体、轮轴、以及滚轮。 即装置可以实现自动供液,清洁液流量控制,清洁液涂敷,脏污刮除等功能。

在进行清洁工作时,按动阀杆来释放适当清洁液对清洁布进行润湿,当清洁布润湿后松开阀杆,然后将清洁器放在需要清洁的屏幕上移动擦拭,实现对屏幕进行清洁。 当污渍沾染到清洁布上后,清洁液可以对污渍进行分解和清洁,同时清洁布有一定的厚度,而且轮轴本身外部有一定的柔软度,可以使清洁的时候增大清洁面积,移动装置在需要清洁的屏幕上进行清洁,本装置通过非接触式释放清洁液的方式清理手机屏幕,可使手部皮肤不受清洁液的刺激损伤,且本产品在使用的时候较方便,同时手握式屏幕清洁装置也可提高屏幕清洁的效率。

2 手动屏幕清洁装置总体结构设计

手动屏幕清洁器,是通过非接触式释放清洁液的方式清理手机屏幕,推动装置的同时打开阀门并释放清洁液至滚轮上的清洁布进行清洁工作,位于装置后端的硅胶刮板将废液刮干净。 本装置包括清洁液瓶机构、手动阀门机构、清洁滚轮机构。

清洁液瓶机构位于装置的上端,水瓶瓶口的螺纹和普通的直通螺纹不一样,瓶口旋转到顶的时候有个自锁设计。 瓶口和瓶盖内圈中一圈凸起咬合,加上这个区间螺纹倾斜,可达到密封作用,防止水漏出。 瓶中专门的消毒液对电子屏幕进行杀菌消毒的处理,而且清洁液能快速消除液晶屏幕上的污渍和灰尘,并可减小静电。

手压弹簧节流阀门机构位于装置的中部,由垫片、阀盖、阀杆、阀体、阀瓣构成。 阀门的节流元件阀瓣可改变阀门的节流面积达到调节流量和压力的目的。 当进行清洁工作时,按压阀杆,阀瓣在弹簧力的作用下打开,根据按压的压力不同,阀瓣打开的程度不同,既可调节流量大小,控制出水口的水量;装置不工作时,出口压直接传递到膜片下方,与弹簧形成对抗,使阀瓣关闭切断通水。

清洁滚轮机构位于装置的底端,由滚轮、清洁布、轮轴、挡水板、刮板组成。 当装置工作时,清洁液释放到裹着清洁布的滚轮上,同时清洁布采用独特的纤维结构,使用它更不会对屏幕造成损伤,随着推动装置,刮板刮掉污渍,完成清洁工作。

图1 手动屏幕清洁装置结构示意图

图3 清洁滚轮几何特征示意

3 运动学分析

3.1 清洁圈数及所需时间建模

根据屏幕尺寸,可得手机屏幕表面积:

S1= L × d1(1)

其中L为手机屏幕的长,d1为手机屏幕的宽。

滚轮外层表面积:

S2=2πr × d2(2)

其中r为滚轮的半径,d2为滚轮的宽度,n为清洁屏幕所需圈数。

假设滚轮转一圈时间为t,则清洁屏幕共需时间为nt,由此可以根据清洁屏幕的面积大小,计算清洁所用的时间。

3.2 孔的流速流量建模

以清洁液瓶口为0 势能面和第一参考面,以液面为第二参考面,绘制能量方程分析示意图如图4。

图4 清洁液流动状态分析示意

取图中的0-0 和1-1 参考面,列伯努利方程:

其中

ξc为孔口出流局部流动阻力系数。由连续性方程可得

整理为

A1为容器的截面积,代入式(4)得

或

当A1≫A0,并注意到,则得α0≈1,则得

因此通过孔口流量为

式中Cd=C0Cv;A为孔口的面积;Δp=p1-p2,为孔口前后的压强差,综上可得流量系数和流速系数分别为

若容器上部为自由液面,即p1=p0,小孔自由出流,Δp=0,于是有

可知出流流量与下列系数ξ0、C0、Cv和Cd有密切关系。 通过测量液面高度,即可计算出液体的流速;通过测量不同阀门开度和液面高度,即可计算出流量大小。

3.3 节流阀功能计算

使用Ansys Fluent18.0 对清洁液的自动涂敷流量进行了仿真,其中阀门的总开度为6.3mm。

当阀门开度分别为1.575mm 的情况下,速度云图和压力云图分别如图5,图6 所示:

图5 开度1.575mm(1/4 开口)速度云图

图6 开度1.575mm(1/4 开口)压力云图

由速度云图仿真结果可知:出入口位置处的液体的流动速度波动幅度较大,中下部位置处的液体流动速度较为平缓;由压力云图仿真结果可知:出入口位置处的液体压力变化幅度较大,中下部位置处的液体压力变化幅度较为平缓。

当阀门开度分别为3.15mm 的情况下,速度云图和压力云图分别如图7,图8 所示:

图7 开度3.15mm(1/2 开口)速度云图

图8 开度3.15mm(1/2 开口)压力云图

由速度云图仿真结果可知:在出口位置,速度发生方向和大小的剧烈变化,出现因湍流而形成的旋涡,在入口和中上部液体流动速度无明显波动;由压力云图仿真结果可知:在出口位置,压力发生方向和大小的剧烈变化,出现因湍流而形成的旋涡,在入口和中上部液体压力无明显波动;

当阀门开度分别为4.725mm 的情况下,速度云图和压力云图分别如图9,图10 所示:

图9 开度4.725mm(3/4 开口)速度云图

图10 开度4.725mm(3/4 开口)压力云图

由云图仿真结果可知:出入口位置的液体的流动速度有轻微变化,在中部无明显波动;出入口位置的液体压力出现增大的现象,但在中部无明显波动。

由此可见,随着开度的增大,液体的流动速度和压力会更加趋于稳定,同时,当开度较小时,液体速度和压力会发生方向和大小的剧烈变化,出现因湍流而形成的旋涡,造成出口的液体流速不稳的情况。

随着有限元软件的发展,为节流阀阀瓣节流面设计带来了更精确的方法,同时通过有限元求解对阀门不同开度下的流量进行整合分析得到节流阀流量特性曲线,从而可以直观地反应该阀门的流量调节性能,满足使用要求。 通过对节流阀流量特性曲线的有限元分析,确定了流量特性曲线的一般分析方法,为阀门优化设计给出了改进方向,大幅缩短了研发周期。 仿真分析的结果与理论计算的出口流量结果如图11 所示。

图11 理论计算与仿真分析的流量结果对比

由上图可知:随着阀门开度的增大,阀门出口的流量也会线性增长,因此可以得出阀门开度与流量的线性关系,同时可由图11 推测,当阀门开度位于2.52mm 及5.67mm 附近,会产生一定波动,有可能与上文提到的旋涡有关;也可推断出,当开度较小或较大时,仿真流量与理论流量会有一定偏差。 当阀门开度处于1/2 开度和4/5 开度之间,开度与流量的线性关系会更加明显,实际流量与预测流量的偏差会越来越小,而预测也更加准确。

4 模拟试验分析

4.1 试验工作原理

本装置采用消毒水瓶机构,手动阀门机构,清洁滚轮机构达到安全卫生高效清洁电子屏的效果,将该屏幕清洁器水平放置在电子显示屏上(如图12 所示),通过人为推动清洁器行进来达到清洁的目的,在装置的行进过程中,清洁器顶端的消毒水瓶中的清洁液通过手动阀门机构传输到清洁器底端触电子屏幕的滚轮清洁布上,推动装置,滚轮上的清洁布在屏幕上滑动,清洁屏幕。 当停止清洁工作时,通过按压阀门机构,阀瓣在弹簧力的作用下与出口压形成对抗,使阀瓣关闭切断输入清洁液。

图12 手动屏幕清洁器模拟工作图

4.2 实验数据处理

已知滚轮半径r=52.8/2=26.4mm,滚轮宽度d2=20mm,以宽为d1=150mm,长为L=240mm 的平板电脑为例,则有式(3)可得屏幕清洁器清洁该屏幕所需的圈数为

设清洁器清洁速度为v=50mm/s,则清洁一圈所需时间为

则清洁共需时间

nt =3.3×10.85=35.805s

根据v×d2×Δ=qv,其中Δ为液面厚度、v为滚轮移动速度、d2为滚轮宽度、qv为流量,同时由上文仿真结果可知,流量与阀门开度呈线性相关。

通过实验测量液面厚度及对应开度和流量,并将实验数据代入Matlab 分析得:随着阀门开度和液面厚度的增大,流量也会随之增大,同时也说明,在滚轮移动速度和宽度确定的情况下,流量与液面厚度和阀门开度均具有线性关系。 根据液面厚度和开度推测流量大小,利用节流阀来实现调节流量的目的。 清洁液流量与阀口开度、液膜涂敷厚度的关系如图13 所示。

图13 出口流量与阀口开度、屏幕涂敷液膜厚度的关系图

5 结论

工作状态时的屏幕清洁器,通过操作可以看出行进间通过清洁器底端的清洁滚轮的向前运动可以达到清洁电子屏的效果,通过往复多次的擦拭可以去除屏幕上的大部分污垢,清洁效果良好。 但装置在清洁过后,屏面仍有少量清洁液未干燥,使得在清洁过后要自然风干一段时间,待屏幕干燥后方可使用。 这在一定程度上影响了使用者的清洁效率。 同时可以通过控制阀门来控制清洁液的量,这使得使用后屏幕残余清洁液达到最少化。 通过推动屏幕清洁器,按压清洁液阀杆阀门,可以达到人体零接触清洁液的清洁效果。 对手部皮肤卫生以及屏幕清洁度都有了很大的保障。

基于上述分析,对屏幕清洁装置有了一个比较客观全面的认识。 手握式屏幕清洁器,首先面向的就是所有电子产品的用户。 手握式屏幕清洁器实现了清洁剂涂敷与清洁操作一体化,随用随取的清洁剂存储方式。 同时通过简化结构以及材料的选择来降低制造成本,使价格面向大众,有更高的经济适用性。 但是手握式屏幕清洁器的缺点也显而易见,体积过大还是不便于携带,同时清洁纤维布的使用和更换也存在着缺陷。 我们会进一步研究,减小手握式屏幕清洁器的体积,使其方便携带,并且进一步降低成本,让更多人可以使用。 清洁纤维布的使用和更换在清洗和拆卸的流程,我们会研究简化流程。 我们小组将继续研究改进,提高手握式屏幕清洁器的经济适用性并且简化流程,最终实现它的社会经济价值。