一種水箱自動清洗裝置

韓富強， 石金明， 雍昊臣， 吳坤霖， 翟小丹

（合肥工業大學 機械工程學院，合肥230009）

0 引 言

目前小區高層住宅二次供水普遍使用水箱，而隨著這種供水方式的大范圍應用，水箱水質問題逐漸引起社會的關注。

通過調查發現，高層住宅供水污染現象嚴重，目前大多數社區的二次供水系統已逐漸落后。許多小區內的二次供水水箱缺少智能化清理裝置，定期的人工清理難以滿足小區的水質安全保障，同時人工清理工作量大，清洗效率不高，清洗不夠及時，嚴重威脅到居民用水安全。

本文介紹了一種水箱自動清洗裝置。該旋轉出水裝置適用于高層住宅二次供水水箱的清潔。得益于水流自身的作用，該旋轉出水裝置可以在水箱中安全使用，同時更好地提高清潔效率。

圖1 總裝結構圖

1 水箱自動清洗裝置的總裝結構

水箱自動清洗裝置的總裝結構如圖1所示。

2 水箱自動清洗裝置的整機系統

出水裝置的主體可分為減速出水系統和控制系統。本文的水箱自動清洗裝置可實現半徑1～2 m范圍的空間內的清洗，對于尺寸為2 m×2 m×2 m的立方體水箱，只需在中心頂部安裝一個自動清洗裝置即可。自動清洗裝置上下升降，可實現全壁面的清洗。當水箱水質經檢測需要清洗水箱時，高層住宅水箱會停止向居民供水，此時清洗裝置位于水箱頂端，水箱水位低于清洗噴頭。水箱內剩余的水量一部分直接排出箱外，另一部分提供給清洗裝置進行第一次粗清洗，當完成第一遍由上而下的清洗后，清洗裝置開始外接水源（可有水管提供）實現多次上下往復清洗作業，清洗后的水直接排出箱外，直至水質檢測達到標準，停止清洗作業，清洗裝置收縮至水箱頂部，水箱蓄水，開始正常供水。

2.1 減速出水系統

減速出水系統如圖2所示。經實驗驗證，旋轉噴頭旋轉速度越高，水流沖擊清洗效果反而下降，故旋轉速度在一定范圍內沖擊效果最佳。拉力彈簧將減速片與平衡塊連接，兩側弧形面減速片貼合在進水接頭表面，在拉力彈簧拉力作用下進水接頭上產生徑向的壓力。靜止時，平衡塊在水平面下方，當流量一定時，通過更改噴水管出水口口徑，水流速度增大，離心力作用下平衡塊向上擺動，從而增大在接頭表面產生摩擦力及其產生的摩擦力矩。摩擦力矩與噴水口水流沖擊作用力產生的力矩平衡，從而實現裝置的限速及速度調節。可通過更換不同彈性剛度的拉力彈簧來實現不同速度區間的轉速調節，達到最佳的清洗效果。

圖2 減速系統結構

該旋轉出水裝置采用升降鉸鏈在水箱頂部安裝，由電動機驅動鉸鏈運動使出水裝置隨鉸鏈上下移動，使得該裝置能夠清洗任意高度的水箱壁面污垢，保證了無死角清洗。

2.2 測量控制系統

2.2.1 pH值檢測原理

通常利用電位法測量pH值，通過將銀-氯化銀電極作為參比電極，玻璃電極作為指示電極，利用復合電極與待測溶液發生的原電池反應，測得溶液pH值，當測得的pH值超過閾值時即啟動電動機開始水箱清洗作業。

2.2.2 濁度值檢測原理

通過接受紅外光線在待測溶液的散射光線的強弱來衡量溶液的渾濁程度，當濁度大于閾值時啟動水箱清洗功能。

2.2.3 含氯余量檢測原理

利用余氯傳感器測量溶液含氯余量，輸出與次氯酸濃度成正比的電流信號，當檢測超出設定的含氯余量的閾值后則啟動水箱清洗功能。

2.2.4 控制方法

針對水質的監測，我們對水的pH值、水的濁度、余氯量等3方面指標進行檢測。根據《生活飲用水衛生標準》的規定，自來水pH值應位于6.5～8.5間，余氯量應大于0.05 mg/L，濁度應低于0.5 NTU，因而我們將pH的預警值下限設為7.0，上限設為8.0，余氯含量預警值設為0.6 mg/L，濁度預警值設為0.4 NUT。

對于濁度值與含氯余量則直接購買現有測量儀器，接入控制系統中。系統檢測控制結構如圖3所示。

實時檢測水質情況，當水質參數不滿足要求時，控制系統發出信號，啟動電動機，壓力泵開始工作，水箱開始自動清洗作業。

圖3 控制系統結構

3 水箱自動清洗裝置的工作原理

高壓水流從兩側旋轉噴頭噴出產生旋轉力矩，帶動中心導軌轉動，離心力使得減速塊徑向滑動與外保持架接觸摩擦減速，最終實現速度均衡。調整與減速塊末端連接的定位螺母旋合深度，使得在靜止狀態下減速塊摩擦端與外保持架內摩擦面距離改變，從而改變兩表面接觸所需離心力，進而使得兩表面接觸減速時中心導軌達到所需的穩定速度，實現中心導軌的速度調節。

4 清洗系統動力計算分析

已知泵源總功率

式中：W0為泵源總功率，kW;P為輸入端的壓力，MPa;Q為輸入流量，L/min。

在泵源連接旋轉噴頭間存在高壓膠管，高壓膠管管路存在功率損失，損失功率為

式中：ΔW為損失功率，kW；Q為輸入流量，L/min;h為管總長度，mm;D為高壓管內徑，mm;Re為雷諾數，在此例中Re=11165Q/D。

噴頭高壓膠管相連，在噴頭處存在功率消耗，消耗功率為

式中：W1為消耗功率,kW；Tm為空氣阻力對旋轉噴頭阻力矩，Tm=Cdθ/dt, 其中C為常數,kN·m；T0為旋轉噴頭內部摩擦力矩，其值為常數,kN·m；ω為旋轉噴頭旋轉的角速度，rad/s。

對旋轉噴頭進行功率分析，當其達到穩定轉速時，從兩個噴頭中流出來的射流總功率為

將式（1）、式（2）、式（3）代入式（4）得

對單位時間Δt內單股射流進行分析，其功率為

式（6）化簡后，得

式中：W2為功率，kW；ρ為水的密度，kg/m3;A為噴頭的面積，mm2。

則有

將式（5）、式（7）代入式（8）后整理，得

經計算可得出泵入流量與旋轉速度之間的關系。

經對比驗證，泵原流量Q 在35、25、15、5 L/min下，清洗效果逐漸降低，轉速降低，系統損耗降低，清洗裝置使用壽命增加。

5 結 論

設計了一種水箱自動清洗裝置，介紹了旋轉出水裝置的主體結構與工作過程。針對水箱自動清洗裝置的減速出水和控制功能進行闡述分析，同時對清洗系統進行了動力計算。結果表明：該裝置結構設計合理，運行時平穩可靠，能夠完成日常高層二次供水水箱的清洗。與現存的人力清洗相比，該旋轉出水裝置的優勢在于穩定高效、節約人力資源。該水箱自動清洗裝置以其獨特的功能，解決了日常生活中二次供水水箱清洗難的問題，為二次供水水箱的清潔提供了保障。