旋轉拖把的進排水組件設計

劉佳音

嘉興南洋職業(yè)技術學院 浙江 嘉興 314003

引言

作為家庭清潔的主要工具——拖把，是生活中必不可少的易耗品。人們對家庭未來拖把希望點的排序為：省時省力-物美價廉-智能清潔工具-拖把自身容易清洗-人性化-能打掃衛(wèi)生死角，表明人們希望擁有一款省時省力的拖把，以減輕繁重枯燥的家務負擔。

淘寶大數(shù)據(jù)顯示，在家務/地板清潔用具這個二級類目中，旋轉拖把的成交占比達到63%，使用頻率非常高。做家務的女性占大多數(shù)，然而最為省時省力的清潔工具——掃地機器人也并沒有進入到千家萬戶。其次，省事省力的旋轉拖把雖然免去了手洗拖把、手擰拖把的困擾，但是對于拖把桶的排水問題卻沒有很好解決。本課題就是希望設計出一種通用的，可拆卸的注水放水結構，減輕女性的家務重擔[1]。

1 旋轉拖把排水現(xiàn)狀

針對拖把桶的放水問題，有一部分拖把簡單在側邊開排水口，會導致水流淌到地面，增加清潔工作，需要彎腰插拔塞子；絕大部分旋轉拖把桶無排水口。塑料材質旋轉拖把桶4.5kg左右，金屬材質旋轉拖把桶重量可達到3kg，拖把桶中的水5kg左右，女性用戶要在一次拖地過程中換水2～3次，要把水桶彎腰抬起（甚至要搬高），傾斜水桶，倒水，這個動作很多中老年女性并不能很輕松地完成。因此，項目組把改進措施定位在旋轉拖把的注水、放水結構上。

市場上旋轉拖把桶大多數(shù)無排水口，在不破壞現(xiàn)有拖把桶的結構，并保持拖把桶穩(wěn)固牢靠的前提下，設計可拆卸的進水排水組件，把污水從拖把桶內排出。本設計用到的是一種歷史悠久的提水工具——阿基米德螺旋泵。

2 阿基米德泵

阿基米德螺旋泵提水原理與古代龍骨水車相似，可將其看作是一個移動的斗式提升機。我國使用螺旋泵的歷史較短，二十世紀七十年代才由國外引入，目前此種泵主要用于農業(yè)灌溉及污水處理，用于生活中的小型泵實例較少。

螺旋泵的提升高度可以按照實際使用需要“量體裁衣”，因此沒有浪費。離心泵、軸流泵等常用的小泵，都是利用高速轉動，而在吸水管內造成真空抽吸高度來提水的。要是進水位很低，就會造成水抽空而損毀水泵。它們的使用必須在泵站中設置集水井，以保持一定高度的水頭。而螺旋泵只要葉片接觸到水面就可把水提上來，按水面(即進水水位)的高度自行調節(jié)排水量，一臺使用普通電機的螺旋泵輸送范圍能夠自零至最大的流量，而不必頻繁地開泵和停泵，水頭損失很小[2]?？傊?，阿基米德螺旋泵結構簡單，轉速低，葉片之間的空間較大，不易產(chǎn)生堵塞，適用于抽送含固體雜質的流體，進口流速的分布不影響泵的水力性能，對進水池要求簡單，低揚程，大流量，可靠性高，輔助設備少，易于控制。

圖1 螺旋泵提水原理

根據(jù)市場調查拖把桶尺寸數(shù)據(jù)，一般拖把桶成長方體，高（揚程）一般有H=0.25-0.3m，容積V≈0.5m3。

螺旋泵的流量可以用下式表示：

Q=KnD3（m3/s）

n—泵的轉速（r/s）

D—泵葉片外徑（m）

K—泵的流量系數(shù)

當葉片數(shù)為3～4片時，泵的流量系數(shù)可參照下表取得。

表1 阿基米德螺旋泵流量系數(shù)表[3]

設計時，螺旋泵安裝角取α=30°最為合適，葉片數(shù)取3，當內徑d=0.5D時，葉片間距S=0.8D時，阿基米德螺旋泵流量系數(shù)k值最大，k=0.319，泵的效率最高。在此條件下，確定螺旋泵的尺寸：

L=H/sinα （m）

n=0.85/?D2（r/s）

D=?Q/kn （m）

其中，轉速n的計算公式來源于經(jīng)過實驗修正的莫依斯肯公式n=42～55/?D2（r/min）。

根據(jù)桶的尺寸和手握的舒適性，取D=0.05，則d=0.025，S=0.04。取H=0.3m，則L=0.6m。

阿基米德螺旋泵內螺桿如圖1所示：

圖1 內螺桿

3 組件結構

進排水組件的結構如下：1內螺桿，2外殼，3下端蓋，4軸承，5下套筒，6排水管，7電機，8電池，9下電源組殼，10上電源組殼，11上端蓋，12軸承，13下端蓋，14手柄，15進水管。

圖2 進排水組件

3下端蓋表面有小孔，便于進水，及阻擋大顆粒污物；2外殼與11上端蓋、3下端蓋之間形成相對密閉空間保護軸承；7電機、8電池、9下電源組殼、10上電源組殼共同組成了動力組件，更換方便； 6排水段下端為帶吸盤喇叭口，可吸附于下水道口，避免污染底面；14手柄可避免彎腰，在使用中與外殼下端的出水口可共同將泵體固定于水桶邊緣；14手柄、15進水管、6排水管可根據(jù)需求拆卸[4]。

4 結束語

針對市場上現(xiàn)有的旋轉拖把類型，以方便、造價低廉為目標，設計新的進水排水結構、增加可拆卸的結構，可以讓消費者根據(jù)使用場合，自主選擇是否使用，以期達到更加省力，更加便利的目的。

小巧便捷的注排水組件設計，不僅能用于旋轉拖把桶，對于其他小型但是沉重或使用頻繁的需要換水的產(chǎn)品同樣有借鑒意義，如金魚缸的換水。

本螺旋泵的缺點是前端設有軸承，不能將水完全抽出。在后續(xù)的研究中，如果有兩個支撐點，可嘗試將螺旋泵改為閉式，將葉片與外殼做成一體，葉片與外壁之間無縫隙，就可以避免回水，并且能夠將軸承置于水面上，保護軸承，利于維護[5]。