家用噴水式窗戶玻璃清潔器的設計

俞崇德 葉開國 廖文斌 張林 楊丙輝

摘 要：文章針對目前一般居民家庭在清洗外側窗戶玻璃比較困難的現狀，設計了一種帶有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窗戶玻璃，也可以擦洗內側窗戶玻璃。利用Solidworks軟件對總體結構進行了設計建模，并重點介紹了微型水泵、移動電源和U型把手的設計選型過程，為實物樣機的加工制造打下了基礎。

關鍵詞：噴水；玻璃清洗；外側窗戶玻璃；設計選型

中圖分類號：TU111.4 文獻標志碼：A 文章編號：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 背景及現狀

隨著社會的不斷發展，由于玻璃門、窗具有較強的透明度，給人一種干凈、敞亮的感覺，因而木質門、窗逐漸被玻璃門、窗取代，被廣泛應用于各種建筑設施以及家庭裝修領域。然而近年來由于空氣污染嚴重、霧霾天氣多現，各種建筑的外側玻璃因清洗不方便而經常灰蒙蒙的，不僅影響室內的采光能力，更影響著人們的工作效率和生活心情。

對于各種建筑設施上玻璃的清洗工作，關鍵是外側玻璃的清洗。目前國內清洗建筑表面的方法主要有以下幾種：一種是傳統方法即搭建腳手架，清洗工人依次擦洗，此方法費工費時，效率極低，不安全因素極高，現已基本不用了；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，所以不適應定期大面積清洗的要求。發達國家對建筑表面及玻璃清潔工作重視得較早，已開發出許多代替人工的擦洗機器人。這一領域日本取得了較好的研究成果，是利用遙控熱氣球懸吊擦洗設備來清洗高層建筑的外墻及玻璃[1]。同時國內一些高校也已經開展了擦洗機器人的研發工作，如北華大學機械工程學院的邵翌鑫設計了一種智能仿生玻璃清潔機器人[2]，重慶大學的陳可萬，溫志渝等設計了一種通過單片機控制的玻璃清潔機器人，該機器人通過微型真空泵抽氣使吸盤內形成負壓吸附在玻璃表面上來完成擦洗工作[3]，湖州師范學院理學院物理實驗教學示范中心的唐夢鷗、杭鑫等設計了一種太陽能型高空玻璃自動清器機器人[4]。

但以上方法主要是針對大型建筑外墻或玻璃而進行的，對于一般的居民家庭，通常情況下在清洗窗戶外側玻璃時仍需要利用傳統工具，將身體伸出窗外進行擦洗，存在一定的安全隱患，甚至是“望窗興嘆”，心有余而力不足。本文針對以上問題，設計一個帶噴水裝置且有U型把手的家用窗戶玻璃清洗器，可以方便的清理外側窗戶玻璃，提高了效率、方便性和安全性。

2 總體設計

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結構示意圖。其工作原理是：當擦洗窗戶外側玻璃時，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水管放到水桶中，操作者雙手握住U型把手來掌控整個玻璃清潔器，并打開開關使微型水泵開始抽水工作，抽上來的水經出水管到達噴頭噴灑在玻璃上，就可以開始擦拭外側窗戶玻璃了。在工作過程中主桿外部的進水管長度可以根據實際情況自定，并且U型把手為可拆卸的結構，在擦洗內側窗戶玻璃時可以把U型把手拆掉，并根據情況噴適量的水然后進行擦洗；當需要擦洗外側窗戶玻璃時則裝上U型把手，站在室內抱住U型把手就可以對外側玻璃進行擦洗，同時也可以利用刮水板進行刮水操作。

3 關鍵零件設計與選型

3.1 微型水泵設計及選型

關于微型水泵的設計選擇，主要是揚程、功率和電壓的選擇。

對于水泵揚程的選擇，根據國家住建部于2011年頒布的《住宅設計規范》要求：普通住宅層高不宜高于2.80m；臥室、起居室（廳）的室內凈高不應低于2.40m，局部凈高不應低于2.10m，且其面積不應大于室內使用面積的1/3[5]。如果去除房頂的厚度，可知一般居民家庭的窗戶高度為2.5m左右。同時在選擇水泵揚程時，所選水泵銘牌上的揚程應該大于實際輸水高度，一般情況下應比實際揚程大20%左右，同樣水泵吸水揚程（允許吸上真空高度）也應該大于實際吸水揚程，否則水泵就很難抽上水來[6]。考慮窗戶安裝的實際情況，故微型水泵的揚程選擇3m～5m比較合適。

對于水泵電壓的選擇，根據查閱文獻和實際選型實驗，多數6V的直流微型水泵的極限揚程為3m，正常情況下不能夠滿足實際揚程的需求，同時考慮到移動電源小體積、輕質量的要求，所以選擇的微型水泵的電壓為12V。

對于功率的選擇，根據一般家庭住宅的窗戶個數（以三室兩廳房屋為例）大約有6～8個窗戶（分別為3個房間、1個客廳、1個衛生間、1個廚房），每個窗戶清洗時間大約為6分鐘，共需要48分鐘的時間，據此就要求移動電源（充電寶）的電量能夠提供約1個小時的工作電能，根據現在市場上銷售的一般的微型水泵的功率，同時結合充電移動電源的容量，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如下表1所示：

3.2 移動電源的選型

對于移動電源的選擇，主要考慮其電量容量的要求和體積質量的要求。

首先是電池容量的要求，根據打掃衛生時清理房間窗戶玻璃的一般習慣，要求電池容量基本可以滿足一次整個清洗工作而不用充電，根據前文所述此時間大約為1小時。因此電池容量的選擇為：容量實際值能夠滿足水泵1小時的工作時間。根據如下經驗公式：

E=3.7×Cb/1000×η

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

根據計算，移動電源的容量Cb為8446mAh，考慮20%的安全余量，所以移動電源的實際容量應取10400mAh合適。

對于移動電源體積和質量的要求，總體原則是質量越輕、體積越小越好，因此據此原則并結合目前市場上的移動電源（充電寶）的基本情況，所選移動電源的基本參數如下表2所示：

3.3 U型把手的設計

為了便于擦洗外側窗戶玻璃，增加了U型把手的設計，具體結構如下圖2所示，此U行把手為可拆卸式結構，如果需要擦洗外側窗戶玻璃則將其安裝上；如果僅擦洗內側窗戶玻璃，則可以把U型把手取掉，直接拿著主桿擦洗更方便。

4 結束語

長期以來家用玻璃清潔器一直是清潔行業中的軟肋，本設計針對現狀通過增加微型水泵來提高工作效率，并采用獨具特色的U型把手結構，即可方便的清洗外側窗戶玻璃，也可以擦洗內側玻璃，結構簡單、應用方便、適用性強，以后會是清洗家庭窗戶玻璃尤其是外側玻璃的一個好幫手。

參考文獻：

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

[2]邵翌鑫.智能仿生玻璃清潔機器人造型設計及功能配置[J].北華大學學報，2016，17（2）：278-280.

[3]陳可萬，溫志渝，高亮，等.一種新型玻窗清潔機器人的設計與實現[J].微型機與應用，2011，30（9）：21-23.

[4]唐夢鷗，杭鑫，張宇，等.太陽能型高空玻璃自動清潔器的設計與研究[J].電子制作，2016（12）：4.

[5]中華人民共和國住房和城鄉建設部.GB50096-2011.住宅設計規范[S].北京：中國建筑工業出版社，2011.

[6]王發明.如何選購微型水泵[J].農家顧問，2013（7）：54.