基于超聲波團(tuán)聚的機械式節(jié)水拖布桶研究

高梓航，王琰隆，樊林玉

（武漢理工大學(xué) 機電工程學(xué)院，湖北 武漢 430070）

1 項目背景

在生活中，拖布是清潔家庭、保持家庭衛(wèi)生整潔必不可少的工具。現(xiàn)在市場上存在多種多樣的拖布桶，清洗拖布基本上是將拖布在水中進(jìn)行旋轉(zhuǎn)，然后利用甩干裝置將水甩干，從而實現(xiàn)拖布的清洗。

然而，現(xiàn)在的拖布桶普遍有一個缺點，即當(dāng)臟的拖布進(jìn)入清洗桶進(jìn)行清洗后，桶里的水便充滿了懸浮物，比如頭發(fā)、灰塵，如果要徹底地清洗干凈拖布則需要再次換水進(jìn)行二次清洗。現(xiàn)在的拖布桶一次清洗使用水量較多，如果需要一個較好的清洗效果則需要多次進(jìn)行換水清洗，對于水資源而言浪費嚴(yán)重。基于以上背景，我們項目組考慮設(shè)計一種裝置，可以在清洗拖布的同時對水進(jìn)行過濾，從而凈化沖洗拖布的水，使其能夠用于二次清洗，減少換水的次數(shù)，從而達(dá)到節(jié)約水的目的。

基于以上背景，本項目基于活塞式水泵的抽水原理以及超聲波對小顆粒物質(zhì)的促進(jìn)聚沉作用、活性炭的吸附作用，結(jié)合機械結(jié)構(gòu)，設(shè)計了一款新型節(jié)水拖布桶。將已經(jīng)在技術(shù)上難以提高效率的問題轉(zhuǎn)移至實際工作環(huán)境中，再次提高節(jié)水效率，促進(jìn)水資源的可持續(xù)利用，為我國可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略做出貢獻(xiàn)。

2 系統(tǒng)設(shè)計

2.1 整體結(jié)構(gòu)設(shè)計

新型節(jié)水拖布桶整體結(jié)構(gòu)如圖1所示。拖布桶分外甩干部分和清洗部分，兩個部分相互獨立運作。清洗部分又分為活塞式水泵部分、可移動拖布平臺、超聲波團(tuán)聚部分。

2.2 活塞式水泵結(jié)構(gòu)設(shè)計

本項目擬設(shè)計一種可以利用人下壓拖布的力進(jìn)行抽水并凈水的裝置。活塞式水泵部分放置在拖布桶的一側(cè)，出水口位于可移動拖布平臺上方。

活塞式水泵運用活塞式抽水機的原理，利用活塞的移動來排出空氣，活塞有兩個閥門，下部閥門造成內(nèi)外氣壓差而使水在氣壓作用下上升抽出，當(dāng)活塞壓下時，進(jìn)水閥門關(guān)閉而排氣閥門打開；當(dāng)活塞提上時，排氣閥門關(guān)閉，進(jìn)水閥門打開，在外界大氣壓的作用下，水從進(jìn)水管通過進(jìn)水閥門從上方的出水口被壓出。這樣活塞在圓筒中上下往復(fù)運動，不斷地把水抽出來。

水泵的管道上附有雙層活性炭網(wǎng)對懸浮雜質(zhì)比如頭發(fā)等物質(zhì)進(jìn)行阻攔，第一層過濾網(wǎng)網(wǎng)孔較大，負(fù)責(zé)過濾大顆粒物質(zhì)，防止堵塞；第二層網(wǎng)孔較小，負(fù)責(zé)吸附過濾小顆粒物質(zhì)、油污等有機物。水流在經(jīng)過活塞時會首先經(jīng)過超聲波發(fā)生器，這時細(xì)小顆粒會一部分團(tuán)聚成大顆粒，這樣活性炭網(wǎng)便可以對大部分顆粒物質(zhì)進(jìn)行阻攔。因為裝置運行過程中水流一直不斷上涌，所以雜質(zhì)不會下沉而是停留在濾網(wǎng)上。

圖1 新型節(jié)水拖布桶整體結(jié)構(gòu)

2.3 可移動拖布平臺結(jié)構(gòu)設(shè)計

可移動拖布平臺結(jié)構(gòu)如圖2所示。可移動拖布平臺設(shè)計為可漏水結(jié)構(gòu)，方便水快速通過，當(dāng)拖布放置在平臺上方的時候，通過用力下壓拖布使平臺旋轉(zhuǎn)的同時向下移動，帶動活塞式抽水泵的活塞移動，壓縮平臺底部的彈簧。停止用力，平臺上移，活塞也上移。多次進(jìn)行，從而在清洗的過程中將水泵入水泵進(jìn)行清潔并且從上方清洗拖布，全方位清洗的同時達(dá)到清潔水的目的。

圖2 可移動拖布平臺結(jié)構(gòu)

2.4 超聲波團(tuán)聚結(jié)構(gòu)設(shè)計

因為水中有許多的細(xì)小顆粒，為了增強活性炭濾網(wǎng)的作用，需要設(shè)計一個裝置使小顆粒物質(zhì)團(tuán)聚成大顆粒物質(zhì)。利用超聲波裝置的團(tuán)聚作用，超聲波發(fā)生器放置在水桶的底部靠近水泵進(jìn)水口的位置，通過外加電源對超聲波發(fā)生器進(jìn)行供電，充分利用超聲波對煤泥水絮凝沉降的強化作用。超聲的機械剪切及空化效應(yīng)增加了煤泥顆粒的碰撞，增強了顆粒物化性質(zhì)的一致性，促進(jìn)了煤泥水的絮凝沉降。基于以上原理，流動的水中顆粒本身具有一定的動能，碰撞更加激烈，通過超聲波促進(jìn)這一碰撞，從而促進(jìn)顆粒的沉降。超聲波團(tuán)聚結(jié)構(gòu)如圖3所示。

圖3 超聲波團(tuán)聚結(jié)構(gòu)

為了實現(xiàn)這一方案，根據(jù)論文實驗數(shù)據(jù)進(jìn)行研究，超聲波對液體中顆粒的凝聚作用加強，在功率為45 W的超聲波處理下，隨著處理時間的增加，凝聚到一起的粒子團(tuán)的粒徑和數(shù)目明顯增加，但此時空化作用也隨著處理時間的增加而加強。

在功率為60 W的超聲波作用下，液體中凝聚的顆粒增加，粒子團(tuán)增多，但是此時超聲波的空化作用的強度很大，大塊粒子團(tuán)很快由于空化作用而分散成較小的粒子團(tuán)。

基于以上數(shù)據(jù)顯示，功率為45 W時，凝聚的粒子團(tuán)的粒徑隨時間增加一直增加，所以使用功率為45 W的超聲波發(fā)生裝置。

2.5 聯(lián)動裝置結(jié)構(gòu)設(shè)計

為了使拖布在上下移動同時還能抽水，設(shè)計一個聯(lián)動結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)位于活塞式抽水裝置上方，在活塞桿的位置延伸出來一個固定結(jié)構(gòu)，使用時與拖布進(jìn)行固定，通過這樣實現(xiàn)拖布與活塞桿的聯(lián)動。

3 可行性分析

本項目基于超聲波團(tuán)聚小分子顆粒的擴展，舍棄原有的工作模式，革新了新的工作模式。其研究目前較少，相關(guān)成果的作品也較少。超聲波團(tuán)聚的技術(shù)應(yīng)用較為廣泛，本裝置也應(yīng)用了此技術(shù)。其他機械結(jié)構(gòu)的設(shè)計主要為水泵結(jié)構(gòu)及聯(lián)動機構(gòu)的設(shè)計，結(jié)構(gòu)簡單可行。與現(xiàn)有的拖布桶對比，本裝置具有更多優(yōu)點以及更強的適應(yīng)性。現(xiàn)有的拖布桶雖結(jié)構(gòu)簡單，但無法實現(xiàn)節(jié)水的需求，造成水資源的浪費；本裝置利用較為簡單的原理及機構(gòu)設(shè)計，在保證其結(jié)構(gòu)不復(fù)雜的前提下，實現(xiàn)了節(jié)水的目的。節(jié)水的設(shè)計思路競爭力更強，節(jié)能減排效益也最佳。因此，本項目具有較大的可行性。

4 總結(jié)

本項目實現(xiàn)了結(jié)構(gòu)、功能、應(yīng)用方面的創(chuàng)新。通過聯(lián)動式結(jié)構(gòu)設(shè)計將活塞式抽水泵與可移動平臺相結(jié)合，將人壓拖把的功一部分轉(zhuǎn)換為水泵抽水需要的能量。在清洗拖布的同時進(jìn)行抽水。將活性炭網(wǎng)放入抽水泵中實現(xiàn)了在抽水的同時進(jìn)行吸附過濾。在清洗的同時凈水，提高水的利用率。

本項目主要利用水泵的原理、活性炭的吸附作用、超聲波的團(tuán)聚作用對拖布清洗桶中的水進(jìn)行去污去塵，進(jìn)而實現(xiàn)小部分水的循環(huán)利用，達(dá)到節(jié)水目的。該作品以極小的電能消耗，較大程度地減少了水資源的浪費，提高了拖布的清洗效率。本項目可主要用于家庭拖布清洗方面，可推廣到住宅樓、出租屋、學(xué)校寢室、街邊店鋪、中小型商場等其他地方，具有廣泛的應(yīng)用前景。