機械式自動關(guān)火器設(shè)計

余江 耿其東 耿凡昌

摘 要：使用機械原理及控制工程原理設(shè)計出一種機械式自動關(guān)火器，該裝置可以實現(xiàn)智能調(diào)節(jié)、開啟/關(guān)閉燃氣灶的開關(guān)。本裝置采用與控制程序結(jié)合實現(xiàn)準確的調(diào)整或關(guān)閉燃氣灶開關(guān)，給人們的生活帶來極大的方便，也為廣大家庭降低因忘記關(guān)閉燃氣灶而引發(fā)的安全問題。

關(guān)鍵詞：機械式；智能調(diào)節(jié)；關(guān)火器

人們在使用燃氣灶或廚房電器燒菜煮飯時經(jīng)常會碰到忙不過來或是離開廚房忘了關(guān)閉鍋灶上的火的情況，這一現(xiàn)象存在一定的弊端和安全隱患。煮的時間太長造成食物過火太爛或干燒，對于燃氣灶沒留意時會讓鍋里的湯水溢出澆滅了火焰，造成燃氣泄漏等危險的發(fā)生。我國每年因燃氣灶干燒引發(fā)的大小型事故不在少數(shù)，這些事故常常會引起巨大的財產(chǎn)損失，甚至危及生命安全，是用戶最大的痛點所在。日本從2008年起要求必須安裝防干燒傳感器，韓國在2011年強制要求灶具具備防干燒功能。[12]經(jīng)調(diào)研，現(xiàn)有灶具防干燒功能的實現(xiàn)方法主要有以下幾種：

方法一：灶具生產(chǎn)廠家從內(nèi)部構(gòu)造方面設(shè)置防干燒功能。

2015年，海爾廚房電器發(fā)布首款智能防干燒燃氣灶，其防干燒系統(tǒng)由防干燒探頭、智能控制模塊和燃氣控制閥等部分組成。[1]

方法二：高校及各類研究機構(gòu)從燃氣灶內(nèi)部增設(shè)了防干燒功能。

主要方法是利用單片機、PLC等控制裝置，結(jié)合壓力傳感器、溫度檢測、熱電偶、電磁閥等技術(shù)，開發(fā)相應(yīng)的軟件程序，對燃氣灶進行改造，可實現(xiàn)自動點火、定時關(guān)火、火力調(diào)節(jié)、防干燒、防空燒等多功能。[34]

方法三：對已有燃氣灶改造增加防干燒功能。

利用進氣管道增加電磁閥，結(jié)合定時器使用，截斷氣源，起到定時關(guān)閉燃氣的作用。[56]利用定時裝置，模擬電池沒電，依靠天然氣表自己關(guān)閉燃氣閥，達到定時自動關(guān)火的目的。[7]

以上方法中，方法一和方法二，都涉及到燃氣灶內(nèi)部的改造，以及氣、電、機械、控制等多方面專業(yè)知識，需要專業(yè)人士才能夠完成；方法三，是從外部進行改造，但又涉及私自改裝燃氣設(shè)備，容易引起漏氣，從而導致危險事故的發(fā)生。本文設(shè)計了一種自動關(guān)火器，能實現(xiàn)自動開關(guān)和調(diào)整燃氣灶開關(guān)，采用藍牙連接，通過手機操作來設(shè)定開關(guān)火時間，可以實現(xiàn)無人看管自動調(diào)節(jié)火候的大小，到時自動關(guān)閉開關(guān)的功能。

1 工作原理

該裝置不涉及到燃氣灶內(nèi)部的改造，該裝置主要由程序盒、電機、減速機構(gòu)等組成。由程序盒與電機相連來控制電機的工作狀態(tài)，通過手機等電子設(shè)備連接程序盒可以實現(xiàn)燃氣灶的定時調(diào)整、開、關(guān)等功能。當電機的輸出轉(zhuǎn)速從主動軸傳入后，帶動小齒輪轉(zhuǎn)動，而小齒輪帶動大齒輪運動，而大齒輪的齒數(shù)比小齒輪多，大齒輪的轉(zhuǎn)速比小齒輪的慢，再由大齒輪的軸輸出，從而可以實現(xiàn)輸出減速的作用，從而實現(xiàn)對燃氣灶的精確調(diào)整與關(guān)閉。

2 關(guān)火器基本結(jié)構(gòu)

自動關(guān)火器結(jié)構(gòu)簡單，具體由以下幾個部分組成，如右圖所示：

（1）機架外殼（外殼3、支架6、夾緊機構(gòu)7、鎖緊頭12）：其夾緊和支架作用。將支架6放到工作臺上（即燃氣灶前的平臺上），移動支架6找到合適的安裝位置，通過夾緊機構(gòu)7固定位置，然后鎖緊12完成安裝，夾緊機構(gòu)被構(gòu)造來可拆卸地連接于灶臺。

（2）程序控制及動力機構(gòu)（程序盒5、馬達4）：由程序盒5控制馬達的開關(guān)及工作時間，程序可以通過藍牙與手機連接，程序控制，程序控制被配置來根據(jù)預(yù)設(shè)模式操控傳動件以控制動作件可選地開啟或旋轉(zhuǎn)開關(guān)，可以通過紅外線、藍牙、NFE、WIFI等技術(shù)實現(xiàn)通信連接，得以控制。

（3）減速機構(gòu)（軸A、軸B、軸C、齒輪a、齒輪b、齒輪b1、齒輪c）：由馬達帶動軸A和齒輪a轉(zhuǎn)動，小齒輪a帶動大齒輪b轉(zhuǎn)動實現(xiàn)初級減速，在軸B的作用下帶動小齒輪b1轉(zhuǎn)動，小齒輪b1轉(zhuǎn)動帶動大齒輪c轉(zhuǎn)動實現(xiàn)再次減速，達到需要速度的要求。

（4）離合機構(gòu)（卡槽11、鎖緊頭10）：通過卡槽11來實現(xiàn)打火和定時的分離，當點火時，松開鎖緊頭10使得軸C可以上下自由的移動，這使得打火變得方便快捷不需要拆卸就可以完成。

（5）點火機構(gòu)（卡槽11、鎖緊頭10）：通過手動轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤2，在軸的作用下帶動卡頭9旋轉(zhuǎn)，從而實現(xiàn)手動點火。

3 工作過程

3.1 安裝

將自動關(guān)火器拿出，使主體機箱擺放到合適位置（既卡頭9能與燃氣灶開關(guān)結(jié)合的地方），調(diào)節(jié)卡頭9，使卡頭9能完全與燃氣灶開關(guān)結(jié)合（即不發(fā)生相對的移動或者是旋轉(zhuǎn)）。將夾緊機構(gòu)7和鎖緊頭12裝上去，通過移動夾緊機構(gòu)7來找到最佳合適的位置，然后通過帶有螺紋和支撐平面的旋轉(zhuǎn)鎖緊頭12來固定鎖緊，由于裝置機體預(yù)先組裝完成的這里不作詳細安裝步驟，所以只要把鎖緊頭12固定完成，整個裝置的安裝定位就基本完成。

3.2 點火

將控制卡槽的鎖緊頭10旋轉(zhuǎn)松開，使卡槽11即與之一體轉(zhuǎn)盤2和軸C能夠自由的上升下降。由于卡頭9與燃氣灶開關(guān)事先做過緊密結(jié)合的處理，軸C與轉(zhuǎn)盤2是通過鍵連接為一體的，因此使用者只需跟日常打火一樣轉(zhuǎn)動轉(zhuǎn)盤2點火，通過軸傳力給燃氣灶開關(guān)，即可實現(xiàn)點火。將火候調(diào)整好后調(diào)節(jié)卡槽11的位置使之帶動齒輪c上下移動到能與小齒輪b1結(jié)合，達到兩齒輪間的擬合，使之能傳遞軸B上的運動，從而實現(xiàn)關(guān)火器的自動調(diào)節(jié)。

3.3 自動調(diào)節(jié)或自動關(guān)閉

在點好火過后，只需在手機上給程序盒下達命令，由程序盒來控制電機的運行與否，當接到程序盒傳來的命令時，電機開始轉(zhuǎn)動，從而帶動軸A轉(zhuǎn)動，通過由軸A、B、C和齒輪a、b、c組成的減速機構(gòu)減速后帶動卡頭9（即燃氣灶開關(guān)）轉(zhuǎn)動，從而實現(xiàn)燃氣灶火候大小的調(diào)整與關(guān)閉。

4 關(guān)鍵技術(shù)

4.1 傳動方式

該裝置采用齒輪傳動，齒輪傳動是指由齒輪副傳遞運動和動力的裝置，它是現(xiàn)代各種設(shè)備中應(yīng)用最廣泛的一種機械傳動方式。它的傳動比較準確，效率高，結(jié)構(gòu)緊湊，工作可靠，壽命長等優(yōu)點。由于電機轉(zhuǎn)動速度比較快，而調(diào)節(jié)燃氣灶的開關(guān)只需要轉(zhuǎn)動很小的幅度，因此運用大小齒輪的互相配合從而實現(xiàn)動力的傳遞和減速作用，運用齒輪傳動，具有安全，穩(wěn)定的優(yōu)點，更加優(yōu)化了自動關(guān)火器的性能。

4.2 智能化

采用程序定制、觸屏控制器、遠程控制、智能語音功能以及傳感器等多功能為一體的裝置：（1）程序定制，控制器設(shè)工作模式（比如：營養(yǎng)湯汁、中藥熬煮、米粥、燒菜等）。預(yù)設(shè)每種模型的流程，自動計算，智能調(diào)節(jié)各個環(huán)節(jié)內(nèi)容。（2）采用觸屏控制，顯示燃氣灶的工作狀態(tài)、進行時間、火力控制等。（3）安裝攝像頭，開發(fā)遠程控制模塊，使用手機app即可觀察和控制燃氣灶。（4）為眼神不好或不識字的老年人配備語音播報功能；具有警報提醒功能。（5）采用傳感器，當灶頭上沒有放置鍋具時，不能點火。或者灶頭溫度超過規(guī)定值時，控制器發(fā)出信號關(guān)閉旋鈕開關(guān)，實現(xiàn)自動化、智能化的機械設(shè)計。

5 結(jié)語

該裝置采用機械式設(shè)計完成，采用齒輪傳動裝置實現(xiàn)變速，齒輪傳動具有傳動功率和速度適用范圍廣等特點，使得整個裝置傳動效率高，工作可靠，使用壽命長，結(jié)構(gòu)緊湊。又與現(xiàn)代科技結(jié)合，使用起來方便快捷，在安裝與拆卸時也很方便，不需要專業(yè)的人員操作，使用者可輕松掌握安裝與拆卸，方便快捷。在生產(chǎn)加工方面也非常的簡單，不管是使用材料還是加工工藝都比較簡單，相關(guān)配件在市場上可輕易購買，經(jīng)濟實惠。該裝置的實用性非常的高。機械式防干燒智能關(guān)火器，是一款外加在燃氣灶開關(guān)上的裝置，功能齊全，結(jié)構(gòu)巧妙，智能化程度高，適用于各類家用燃氣灶。給廣大家庭帶來方便的同時也消除了廚房里的安全隱患，為千家萬戶的燃氣灶使用者帶來了福音。

參考文獻：

[1]海爾發(fā)布首款智能防干燒燃氣灶.新華網(wǎng)，2015.

[2]海爾防干燒燃氣灶標準發(fā)布[J].電子質(zhì)量，2017（12）：68.

[3]胡志強，等.基于單片機控制的燃氣灶自動開關(guān)設(shè)計[J].科技廣場，2014.4.

[4]劉博，等.基于MSP430的低功耗智能火力燃氣灶節(jié)能模塊[J].微型機與應(yīng)用，2016.7.

[5]郝伯男.定時關(guān)火燃氣灶[J].青少年科技博覽，2005.12.

[6]周小生.一種防干燒燃氣灶[P].CN200910099102.2009.

[7]陳曦.智能燃氣控制器[J].農(nóng)村青少年科學探究，2014.11.

項目支持：鹽城工學院大學生創(chuàng)新創(chuàng)業(yè)訓練計劃項目校級項目——機械式防干燒自動關(guān)火器設(shè)計編號201810：江蘇高校品牌專業(yè)建設(shè)工程資助項目（TAPP）

作者簡介：余江（1996），男，貴州遵義人，現(xiàn)就讀于江蘇省鹽城市鹽城工學院機械優(yōu)集學院大二年級，專業(yè)為機械設(shè)計制造及其自動化。