家用喷水式窗户玻璃清洁器的设计
时间：2020-03-30 05:25:06 来源：千叶帆 本文已影响人
摘 要：文章针对目前一般居民家庭在清洗外侧窗户玻璃比较困难的现状，设计了一种带有U型把手且具有喷水功能的家用窗户玻璃清洁器，既能够方便的清洗外侧窗户玻璃，也可以擦洗内侧窗户玻璃。利用Solidworks软件对总体结构进行了设计建模，并重点介绍了微型水泵、移动电源和U型把手的设计选型过程，为实物样机的加工制造打下了基础。
关键词：喷水；玻璃清洗；外侧窗户玻璃；设计选型
中图分类号：TU111.4 文献标志码：A 文章编号：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 背景及现状
随着社会的不断发展，由于玻璃门、窗具有较强的透明度，给人一种干净、敞亮的感觉，因而木质门、窗逐渐被玻璃门、窗取代，被广泛应用于各种建筑设施以及家庭装修领域。然而近年来由于空气污染严重、雾霾天气多现，各种建筑的外侧玻璃因清洗不方便而经常灰蒙蒙的，不仅影响室内的采光能力，更影响着人们的工作效率和生活心情。
对于各种建筑设施上玻璃的清洗工作，关键是外侧玻璃的清洗。目前国内清洗建筑表面的方法主要有以下几种：一种是传统方法即搭建脚手架，清洗工人依次擦洗，此方法费工费时，效率极低，不安全因素极高，现已基本不用了；另一种方法就是人们常见的高空“蜘蛛人”，利用专门的载人提升设备，将清洗工人及清洗用具悬吊于清洗面附近，清洗工人依次擦洗墙面及玻璃，这是目前应用最多的清洗方式。但这种方式的效率仍然不高，成本又较高，所以不适应定期大面积清洗的要求。发达国家对建筑表面及玻璃清洁工作重视得较早，已开发出许多代替人工的擦洗机器人。这一领域日本取得了较好的研究成果，是利用遥控热气球悬吊擦洗设备来清洗高层建筑的外墙及玻璃[1]。同时国内一些高校也已经开展了擦洗机器人的研发工作，如北华大学机械工程学院的邵翌鑫设计了一种智能仿生玻璃清洁机器人[2]，重庆大学的陈可万，温志渝等设计了一种通过单片机控制的玻璃清洁机器人，该机器人通过微型真空泵抽气使吸盘内形成负压吸附在玻璃表面上来完成擦洗工作[3]，湖州師范学院理学院物理实验教学示范中心的唐梦鸥、杭鑫等设计了一种太阳能型高空玻璃自动清器机器人[4]。
但以上方法主要是针对大型建筑外墙或玻璃而进行的，对于一般的居民家庭，通常情况下在清洗窗户外侧玻璃时仍需要利用传统工具，将身体伸出窗外进行擦洗，存在一定的安全隐患，甚至是“望窗兴叹”，心有余而力不足。本文针对以上问题，设计一个带喷水装置且有U型把手的家用窗户玻璃清洗器，可以方便的清理外侧窗户玻璃，提高了效率、方便性和安全性。
2 总体设计
如图1所示，为利用Solid works软件建模的家用喷水式玻璃清洁器的3D结构示意图。其工作原理是：当擦洗窗户外侧玻璃时，提前用水桶装适量的水放到要擦洗的窗户玻璃附近，然后把玻璃清洁器的进水管放到水桶中，操作者双手握住U型把手来掌控整个玻璃清洁器，并打开开关使微型水泵开始抽水工作，抽上来的水经出水管到达喷头喷洒在玻璃上，就可以开始擦拭外侧窗户玻璃了。在工作过程中主杆外部的进水管长度可以根据实际情况自定，并且U型把手为可拆卸的结构，在擦洗内侧窗户玻璃时可以把U型把手拆掉，并根据情况喷适量的水然后进行擦洗；当需要擦洗外侧窗户玻璃时则装上U型把手，站在室内抱住U型把手就可以对外侧玻璃进行擦洗，同时也可以利用刮水板进行刮水操作。
3 关键零件设计与选型
3.1 微型水泵设计及选型
关于微型水泵的设计选择，主要是扬程、功率和电压的选择。
对于水泵扬程的选择，根据国家住建部于2011年颁布的《住宅设计规范》要求：普通住宅层高不宜高于2.80m；卧室、起居室（厅）的室内净高不应低于2.40m，局部净高不应低于2.10m，且其面积不应大于室内使用面积的1/3[5]。如果去除房顶的厚度，可知一般居民家庭的窗户高度为2.5m左右。同时在选择水泵扬程时，所选水泵铭牌上的扬程应该大于实际输水高度，一般情况下应比实际扬程大20%左右，同样水泵吸水扬程（允许吸上真空高度）也应该大于实际吸水扬程，否则水泵就很难抽上水来[6]。考虑窗户安装的实际情况，故微型水泵的扬程选择3m～5m比较合适。
对于水泵电压的选择，根据查阅文献和实际选型实验，多数6V的直流微型水泵的极限扬程为3m，正常情况下不能够满足实际扬程的需求，同时考虑到移动电源小体积、轻质量的要求，所以选择的微型水泵的电压为12V。
对于功率的选择，根据一般家庭住宅的窗户个数（以三室两厅房屋为例）大约有6～8个窗户（分别为3个房间、1个客厅、1个卫生间、1个厨房），每个窗户清洗时间大约为6分钟，共需要48分钟的时间，据此就要求移动电源（充电宝）的电量能够提供约1个小时的工作电能，根据现在市场上销售的一般的微型水泵的功率，同时结合充电移动电源的容量，选择12V 25W的微型水泵较为合适，具体选择的微型水泵及其参数如下表1所示：
3.2 移动电源的选型
对于移动电源的选择，主要考虑其电量容量的要求和体积质量的要求。
首先是电池容量的要求，根据打扫卫生時清理房间窗户玻璃的一般习惯，要求电池容量基本可以满足一次整个清洗工作而不用充电，根据前文所述此时间大约为1小时。因此电池容量的选择为：容量实际值能够满足水泵1小时的工作时间。根据如下经验公式：
E=3.7×Cb/1000×η
式中：E为移动电源能量，单位为瓦时（Wh），根据水泵功率确定；Cb为移动电源容量，单位为毫安时（mAh）；常数3.7为18650电芯的标准电压平均值（V）；η为能量转化率，一般在80%-90%之间，此处取80%。
根据计算，移动电源的容量Cb为8446mAh，考虑20%的安全余量，所以移动电源的实际容量应取10400mAh合适。
对于移动电源体积和质量的要求，总体原则是质量越轻、体积越小越好，因此据此原则并结合目前市场上的移动电源（充电宝）的基本情况，所选移动电源的基本参数如下表2所示：
3.3 U型把手的设计
为了便于擦洗外侧窗户玻璃，增加了U型把手的设计，具体结构如下图2所示，此U行把手为可拆卸式结构，如果需要擦洗外侧窗户玻璃则将其安装上；如果仅擦洗内侧窗户玻璃，则可以把U型把手取掉，直接拿着主杆擦洗更方便。
4 结束语
长期以来家用玻璃清洁器一直是清洁行业中的软肋，本设计针对现状通过增加微型水泵来提高工作效率，并采用独具特色的U型把手结构，即可方便的清洗外侧窗户玻璃，也可以擦洗内侧玻璃，结构简单、应用方便、适用性强，以后会是清洗家庭窗户玻璃尤其是外侧玻璃的一个好帮手。
参考文献：
[1]付艳清，宋丹，吕晓玲，等.高层建筑墙壁与玻璃清洁机的研制方向[J].科技传播，2011（8）.
[2]邵翌鑫.智能仿生玻璃清洁机器人造型设计及功能配置[J].北华大学学报，2016，17（2）：278-280.
[3]陈可万，温志渝，高亮，等.一种新型玻窗清洁机器人的设计与实现[J].微型机与应用，2011，30（9）：21-23.
[4]唐梦鸥，杭鑫，张宇，等.太阳能型高空玻璃自动清洁器的设计与研究[J].电子制作，2016（12）：4.
[5]中华人民共和国住房和城乡建设部.GB50096-2011.住宅设计规范[S].北京：中国建筑工业出版社，2011.
[6]王发明.如何选购微型水泵[J].农家顾问，2013（7）：54.
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