家用噴水式窗戶玻璃清潔器的設(shè)計(jì)

俞崇德 葉開國(guó) 廖文斌 張林 楊丙輝

摘 要：文章針對(duì)目前一般居民家庭在清洗外側(cè)窗戶玻璃比較困難的現(xiàn)狀，設(shè)計(jì)了一種帶有U型把手且具有噴水功能的家用窗戶玻璃清潔器，既能夠方便的清洗外側(cè)窗戶玻璃，也可以擦洗內(nèi)側(cè)窗戶玻璃。利用Solidworks軟件對(duì)總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行了設(shè)計(jì)建模，并重點(diǎn)介紹了微型水泵、移動(dòng)電源和U型把手的設(shè)計(jì)選型過程，為實(shí)物樣機(jī)的加工制造打下了基礎(chǔ)。

關(guān)鍵詞：噴水；玻璃清洗；外側(cè)窗戶玻璃；設(shè)計(jì)選型

中圖分類號(hào)：TU111.4 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：2095-2945（2018）09-0038-02

Abstract： In view of the current situation that it is difficult for ordinary residents to clean the window glass on the outside， a household window glass cleaner with U-shaped handle and water spraying function is designed in this paper. It is easy to clean the outside window glass， but also to scrub the inner window glass. The design model of the whole structure is built by using Solidworks software， and the design and selection process of micro water pump， mobile power supply and U-type handle are introduced emphatically. It lays a foundation for the processing and manufacturing of the physical prototype.

Keywords： water spray； glass cleaning； outside window glass； design selection

1 背景及現(xiàn)狀

隨著社會(huì)的不斷發(fā)展，由于玻璃門、窗具有較強(qiáng)的透明度，給人一種干凈、敞亮的感覺，因而木質(zhì)門、窗逐漸被玻璃門、窗取代，被廣泛應(yīng)用于各種建筑設(shè)施以及家庭裝修領(lǐng)域。然而近年來由于空氣污染嚴(yán)重、霧霾天氣多現(xiàn)，各種建筑的外側(cè)玻璃因清洗不方便而經(jīng)常灰蒙蒙的，不僅影響室內(nèi)的采光能力，更影響著人們的工作效率和生活心情。

對(duì)于各種建筑設(shè)施上玻璃的清洗工作，關(guān)鍵是外側(cè)玻璃的清洗。目前國(guó)內(nèi)清洗建筑表面的方法主要有以下幾種：一種是傳統(tǒng)方法即搭建腳手架，清洗工人依次擦洗，此方法費(fèi)工費(fèi)時(shí)，效率極低，不安全因素極高，現(xiàn)已基本不用了；另一種方法就是人們常見的高空“蜘蛛人”，利用專門的載人提升設(shè)備，將清洗工人及清洗用具懸吊于清洗面附近，清洗工人依次擦洗墻面及玻璃，這是目前應(yīng)用最多的清洗方式。但這種方式的效率仍然不高，成本又較高，所以不適應(yīng)定期大面積清洗的要求。發(fā)達(dá)國(guó)家對(duì)建筑表面及玻璃清潔工作重視得較早，已開發(fā)出許多代替人工的擦洗機(jī)器人。這一領(lǐng)域日本取得了較好的研究成果，是利用遙控?zé)釟馇驊业醪料丛O(shè)備來清洗高層建筑的外墻及玻璃[1]。同時(shí)國(guó)內(nèi)一些高校也已經(jīng)開展了擦洗機(jī)器人的研發(fā)工作，如北華大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院的邵翌鑫設(shè)計(jì)了一種智能仿生玻璃清潔機(jī)器人[2]，重慶大學(xué)的陳可萬，溫志渝等設(shè)計(jì)了一種通過單片機(jī)控制的玻璃清潔機(jī)器人，該機(jī)器人通過微型真空泵抽氣使吸盤內(nèi)形成負(fù)壓吸附在玻璃表面上來完成擦洗工作[3]，湖州師范學(xué)院理學(xué)院物理實(shí)驗(yàn)教學(xué)示范中心的唐夢(mèng)鷗、杭鑫等設(shè)計(jì)了一種太陽(yáng)能型高空玻璃自動(dòng)清器機(jī)器人[4]。

但以上方法主要是針對(duì)大型建筑外墻或玻璃而進(jìn)行的，對(duì)于一般的居民家庭，通常情況下在清洗窗戶外側(cè)玻璃時(shí)仍需要利用傳統(tǒng)工具，將身體伸出窗外進(jìn)行擦洗，存在一定的安全隱患，甚至是“望窗興嘆”，心有余而力不足。本文針對(duì)以上問題，設(shè)計(jì)一個(gè)帶噴水裝置且有U型把手的家用窗戶玻璃清洗器，可以方便的清理外側(cè)窗戶玻璃，提高了效率、方便性和安全性。

2 總體設(shè)計(jì)

如圖1所示，為利用Solid works軟件建模的家用噴水式玻璃清潔器的3D結(jié)構(gòu)示意圖。其工作原理是：當(dāng)擦洗窗戶外側(cè)玻璃時(shí)，提前用水桶裝適量的水放到要擦洗的窗戶玻璃附近，然后把玻璃清潔器的進(jìn)水管放到水桶中，操作者雙手握住U型把手來掌控整個(gè)玻璃清潔器，并打開開關(guān)使微型水泵開始抽水工作，抽上來的水經(jīng)出水管到達(dá)噴頭噴灑在玻璃上，就可以開始擦拭外側(cè)窗戶玻璃了。在工作過程中主桿外部的進(jìn)水管長(zhǎng)度可以根據(jù)實(shí)際情況自定，并且U型把手為可拆卸的結(jié)構(gòu)，在擦洗內(nèi)側(cè)窗戶玻璃時(shí)可以把U型把手拆掉，并根據(jù)情況噴適量的水然后進(jìn)行擦洗；當(dāng)需要擦洗外側(cè)窗戶玻璃時(shí)則裝上U型把手，站在室內(nèi)抱住U型把手就可以對(duì)外側(cè)玻璃進(jìn)行擦洗，同時(shí)也可以利用刮水板進(jìn)行刮水操作。

3 關(guān)鍵零件設(shè)計(jì)與選型

3.1 微型水泵設(shè)計(jì)及選型

關(guān)于微型水泵的設(shè)計(jì)選擇，主要是揚(yáng)程、功率和電壓的選擇。

對(duì)于水泵揚(yáng)程的選擇，根據(jù)國(guó)家住建部于2011年頒布的《住宅設(shè)計(jì)規(guī)范》要求：普通住宅層高不宜高于2.80m；臥室、起居室（廳）的室內(nèi)凈高不應(yīng)低于2.40m，局部?jī)舾卟粦?yīng)低于2.10m，且其面積不應(yīng)大于室內(nèi)使用面積的1/3[5]。如果去除房頂?shù)暮穸龋芍话憔用窦彝サ拇皯舾叨葹?.5m左右。同時(shí)在選擇水泵揚(yáng)程時(shí)，所選水泵銘牌上的揚(yáng)程應(yīng)該大于實(shí)際輸水高度，一般情況下應(yīng)比實(shí)際揚(yáng)程大20%左右，同樣水泵吸水揚(yáng)程（允許吸上真空高度）也應(yīng)該大于實(shí)際吸水揚(yáng)程，否則水泵就很難抽上水來[6]。考慮窗戶安裝的實(shí)際情況，故微型水泵的揚(yáng)程選擇3m～5m比較合適。

對(duì)于水泵電壓的選擇，根據(jù)查閱文獻(xiàn)和實(shí)際選型實(shí)驗(yàn)，多數(shù)6V的直流微型水泵的極限揚(yáng)程為3m，正常情況下不能夠滿足實(shí)際揚(yáng)程的需求，同時(shí)考慮到移動(dòng)電源小體積、輕質(zhì)量的要求，所以選擇的微型水泵的電壓為12V。

對(duì)于功率的選擇，根據(jù)一般家庭住宅的窗戶個(gè)數(shù)（以三室兩廳房屋為例）大約有6～8個(gè)窗戶（分別為3個(gè)房間、1個(gè)客廳、1個(gè)衛(wèi)生間、1個(gè)廚房），每個(gè)窗戶清洗時(shí)間大約為6分鐘，共需要48分鐘的時(shí)間，據(jù)此就要求移動(dòng)電源（充電寶）的電量能夠提供約1個(gè)小時(shí)的工作電能，根據(jù)現(xiàn)在市場(chǎng)上銷售的一般的微型水泵的功率，同時(shí)結(jié)合充電移動(dòng)電源的容量，選擇12V 25W的微型水泵較為合適，具體選擇的微型水泵及其參數(shù)如下表1所示：

3.2 移動(dòng)電源的選型

對(duì)于移動(dòng)電源的選擇，主要考慮其電量容量的要求和體積質(zhì)量的要求。

首先是電池容量的要求，根據(jù)打掃衛(wèi)生時(shí)清理房間窗戶玻璃的一般習(xí)慣，要求電池容量基本可以滿足一次整個(gè)清洗工作而不用充電，根據(jù)前文所述此時(shí)間大約為1小時(shí)。因此電池容量的選擇為：容量實(shí)際值能夠滿足水泵1小時(shí)的工作時(shí)間。根據(jù)如下經(jīng)驗(yàn)公式：

E=3.7×Cb/1000×η

式中：E為移動(dòng)電源能量，單位為瓦時(shí)（Wh），根據(jù)水泵功率確定；Cb為移動(dòng)電源容量，單位為毫安時(shí)（mAh）；常數(shù)3.7為18650電芯的標(biāo)準(zhǔn)電壓平均值（V）；η為能量轉(zhuǎn)化率，一般在80%-90%之間，此處取80%。

根據(jù)計(jì)算，移動(dòng)電源的容量Cb為8446mAh，考慮20%的安全余量，所以移動(dòng)電源的實(shí)際容量應(yīng)取10400mAh合適。

對(duì)于移動(dòng)電源體積和質(zhì)量的要求，總體原則是質(zhì)量越輕、體積越小越好，因此據(jù)此原則并結(jié)合目前市場(chǎng)上的移動(dòng)電源（充電寶）的基本情況，所選移動(dòng)電源的基本參數(shù)如下表2所示：

3.3 U型把手的設(shè)計(jì)

為了便于擦洗外側(cè)窗戶玻璃，增加了U型把手的設(shè)計(jì)，具體結(jié)構(gòu)如下圖2所示，此U行把手為可拆卸式結(jié)構(gòu)，如果需要擦洗外側(cè)窗戶玻璃則將其安裝上；如果僅擦洗內(nèi)側(cè)窗戶玻璃，則可以把U型把手取掉，直接拿著主桿擦洗更方便。

4 結(jié)束語(yǔ)

長(zhǎng)期以來家用玻璃清潔器一直是清潔行業(yè)中的軟肋，本設(shè)計(jì)針對(duì)現(xiàn)狀通過增加微型水泵來提高工作效率，并采用獨(dú)具特色的U型把手結(jié)構(gòu)，即可方便的清洗外側(cè)窗戶玻璃，也可以擦洗內(nèi)側(cè)玻璃，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、應(yīng)用方便、適用性強(qiáng)，以后會(huì)是清洗家庭窗戶玻璃尤其是外側(cè)玻璃的一個(gè)好幫手。

參考文獻(xiàn)：

[1]付艷清，宋丹，呂曉玲，等.高層建筑墻壁與玻璃清潔機(jī)的研制方向[J].科技傳播，2011（8）.

[2]邵翌鑫.智能仿生玻璃清潔機(jī)器人造型設(shè)計(jì)及功能配置[J].北華大學(xué)學(xué)報(bào)，2016，17（2）：278-280.

[3]陳可萬，溫志渝，高亮，等.一種新型玻窗清潔機(jī)器人的設(shè)計(jì)與實(shí)現(xiàn)[J].微型機(jī)與應(yīng)用，2011，30（9）：21-23.

[4]唐夢(mèng)鷗，杭鑫，張宇，等.太陽(yáng)能型高空玻璃自動(dòng)清潔器的設(shè)計(jì)與研究[J].電子制作，2016（12）：4.

[5]中華人民共和國(guó)住房和城鄉(xiāng)建設(shè)部.GB50096-2011.住宅設(shè)計(jì)規(guī)范[S].北京：中國(guó)建筑工業(yè)出版社，2011.

[6]王發(fā)明.如何選購(gòu)微型水泵[J].農(nóng)家顧問，2013（7）：54.