随着物质文明的高度发展,人们对健康的意识和对生活的要求不断提高,桶装水、饮水机也应运地普及到普通老百姓的日常生活。调查发现,无论是在家庭、学校, 还是在公司、酒店,都能见到桶装水和饮水机的身影。桶装水以其水质纯净甘醇、安全卫生和使用方便,尤其在环境污染严重、生活饮用水水质欠佳的情形下,它已成为人们生活饮用水的重要来源。桶装水与人们的日常生活具有密切联系。
由于标准桶装水比较重达20kg,即使小型装的重量也要10kg,且饮水机的插口位置较高,每次更换需要花力气和技巧。当需要更换桶装水的时候,由于体力制约,小孩、女士、老人和体弱者等一般很难完成更换过程。经调查发现,市面上未曾有桶装水助换器类产品销售。联想到作者在广州市老人院当义工时目睹老人年迈体衰多病缺乏劳动力的无助情景,遂萌怜悯之心。当前社会人口结构趋向老年化,四个老人一对夫妇一个小孩的“四二一家庭结构”模式的普遍存在,如何帮助体衰力弱群体顺利完成桶装水的更换已经成为当代社会一个现实的问题。为此研制出一种适合体衰力弱群体、专门用来协助换水的自动化设备- -桶装水助换器。它具有体型轻巧、使用方便、操作简单、安全可靠、经济实用等优点。坚信它将成为人们日常生活的辅助工具并为将来市场开拓了广阔的前景。
桶装水助换器具有如下功能、特点和意义。
(1)适用对象和使用范围广泛,适用于老人、小孩、妇女、残疾人等主要弱势群体和其他人群;该装置功能与叉车相似,在学校、家庭、公司、酒店、医院,甚至工厂、车间等地方,除了用于桶装水助换外,还可以应用到搬运或提升类似桶装水的桶状重物。
(2)造型简洁,设计轻巧,使用方便,操作简单,占用空间小。
(3)安全可靠,经济实用,维护简易,生产成本低。
1 结构与原理
桶装水助换器为中学生自主创新发明研制的一款专门用来搬运及升降桶状重物的新型科技产品,用于协助更换桶装水。其功能主要是通过铰链-杠杆夹紧机构(四连杆自动锁合系统)、涡轮蜗杆减速电机组、马达正反转电路等系统来实现的。图1为桶装水助换器结构示意图,图2为实物图。
2 机械结构设计关键技术桶装水助换器的机械系统包括平衡稳定系统、铰链-杠杆夹紧机构、翻转机构。
2 . 1 平衡与稳定系统
利用杠杆平衡原理、三角形的稳定性原理、四轮固定器、正方形底座以及底座前侧的铁棒等组成了支架平衡系统,使助换器不会因失去平衡而左右摇摆。 以主支架为支点,涡轮蜗杆减速电机组的前端(拉索)所在直线为水桶所受重力的用线所在直线(受到逆时针的力矩),后备电源电路系统的后端所在直线为平衡力作用线所在直线(受到顺时针的力矩),根据杠杆平衡原理,系统所受合外力、合力矩均为零。
为了分担水平短横杆所受的拉力及主支架在前后方向上的力,在活动的水平主杆顶端及固定的竖直主支架的下端这些薄弱部位焊上了45 °不锈钢加强筋,提供一定的支持力,使助换器既不会因为失去平衡而左右摇摆,也不会由于重物过重而折断支架。
用四轮固定器,既增强了它的稳定性, 保证其不发生侧翻,又加强了它的灵活性, 在移动时更加方便。 底座采用正方形结构,让水桶的重心恰好落在正方形底座的中心上,使本装置无论在行进过程中还是上升或下降过程中都能保持系统的稳定和平衡。
为避免助换器在没有负重时向后翻倒,在底座前侧支杆中填充了两对铁棒,使整个装置在无重物状态下不会向后翻倒。
2.2 铰链-杠杆夹紧机构( 四连杆自动锁合系统) 及翻转系统采用“铰链-杠杆夹紧机构”(四连杆自动锁合系统), “机械夹手”、“快速扣”等作为本款桶装水助换器的夹紧装置和翻转系统。
“铰链-杠杆夹紧机构”是利用杠杆原理将杠杆系通过固定铰链和活动铰链组成的夹紧机构,也称“肘杆夹紧器”,自锁条件是手柄杠杆与连接板共线。本桶装水助换器正是采用了“铰链-杠杆夹紧机构”(四连杆自动锁合系统), 通过水桶自重和拉索上提所产生的力的效果,将四连杆拉长,使夹持部位的夹持力更大,增加了摩擦力,从而起到自动锁合的作用。
2.3 翻转系统翻转系统主要由“机械夹手”、“快速扣”等部件构成。“机械夹手”其中, 可通过螺丝调节松紧度,以适用于不同规格的水桶; 则安全方便,扣紧后能有效防“快速扣”止机械夹手松开。
2.4 涡轮蜗杆减速电机组
桶装水助换器电机组采用涡轮蜗杆减速电机组传动,因其具有自锁功能而能使其在不带电的情况下不会受到桶装水重力的作用向下滑落,从而提高了它的安全性能。蜗轮蜗杆减速电机组传动通常用于两轴交叉成90°,但彼此既不平行又不相交的情况下;在蜗轮传动中,蜗杆是主动件,而蜗轮是被动件。
蜗轮蜗杆减速电机组传动有如下特点:
传动比高,交错轴斜齿轮机构紧凑,两轮啮合齿面间为线接触,其承载能力大大高于交错轴斜齿轮机构;
蜗杆传动为多齿啮合传动,传动平稳、噪音很小; 蜗杆轴向力较大,传动功率范围大;
可以自锁--当蜗杆的导程角小于啮合轮齿间的当量摩擦角时,机构具有自锁性,可实现反向自锁,即只能由蜗杆带动蜗轮,而不能由蜗轮带动蜗杆,如在其重机械中使用的自锁蜗杆机构,其反向自锁性可起安全保护作用。
2.5 可伸缩台架和轮子及其固定器竖直的主支架通过伸缩杆可调节高度,通过螺丝可固定;底座足够宽,可适用于不同高度、不同款式、不同型号的饮水机。底座安装四个轮子及固定器,以便于移动和固定,既增强了它的稳定性,又加强了它的灵活性和适用范围。
3 电气设计关键技术
桶装水助换器采用蓄电池供电,设计了马达控制电路,实现桶装水的自动上升和下降。
3.1 马达正反转电路系统 马达采用开关互锁式正反转控制电路,工作时只能向一个方向转动,带动系统上升或下降,电路设计图如图3所示。
3.2 电源系统
本装置采用12V 镍氢蓄电池装置。查阅资料发现,NiMH 充电器采用ΔT/ dt方法终止充电,是目前NiMH 电池充电的较好办法。NiMH 电池充电结束时电压下降比较小,而对低充电速率(低于0.5C) 不出现电压下降。
新的NiMH 电池会在充电周期内过早地出现错误峰值,这会导致充电器过早结束充电。此外,单用-ΔV检测结束充电几乎肯定会出现过充,导致在电池失效前限制充放电次数。似乎没有在所有条件下(新或旧, 热或冷, 全部或部分放电) 都适用的NiMH 电池的-dV/dt充电算法。因此,除非NiCd 充电器使用了dT/dt方法终止充电,否则不能用NiCd 充电器为NiMH 电池充电。而且,因为NiMH 电池不能很好的吸收过充,所以,涓流充电电流比NiCd 电池小(约0.05C) 。NiMH 电池的慢充比较困难。因为以0.1C~
0.3C 的速率充电时,电压和温度的变化不能准确指示电池已充满。因此,慢速充电器必须依靠定时器来决定何时结束充电。以此, 为保证NiMH 电池充满,应以接近1C 的速率(或电池制造商指定速率)快速充电,同时监控电压(ΔV=0) 和温度(dT/dt)来确定何时结束充电。电源装置电路图如图4所示。
4 使用方法及注意事项
4.1 换水过程在水平地面上,换水的过程主要分为两大部分--将桶装水从放置的地方移到
图4 电源装置电路图
饮水机前,以及把桶装水提升并插入饮水机的进水接口。具体操作步骤如下:
调节助换器竖直主支架的高度,使夹套略高于饮水机的进水接口;
将助换器轻推到放置桶装水的地方, 压下后轮的固定器,按住“降”键,使夹套下降至适当的位置,通过调节夹套扣紧桶装水;
按住“升”键,使铰链杠杆夹紧机构提7.5升水桶稍微上升一定高度(离开地面即可); 松开后轮固定器,把助换器轻推到饮水机前,再压下固定器,并按住“升”键,使桶装水逐步上升到离饮水机进水接口稍高的位置,翻转180°;
按住“降”键,使桶装水逐步下降,较后准确无误地插入饮水机的进水接口。
4.2 电源充电及维护
电源采用24V 镍氢蓄电池。一次充电可使用50 次;每次充电不要很过2小时,以免损坏蓄电池与变压器。各零部件容易拆卸, 马达、电源等均是市售常用部件, 维护简便。
4.3 注意事项
饮水机的高度要低于桶装水助换器设计的高度; 桶装水的重量应在助换器的承受范围之内,不可很重,以免折断支架,损坏助换器;
地面平坦,尽量少凹凸面,以减少轮子磨损; 每次使用完毕,都要收缩好竖直主支架,放回到适当的地方。
5 结语
本装置为作者在高中一年级时的作品,通过反复思考、多次交流、不断改进,较终研制出该桶装水助换器,获得“广州市执信中学第二届科技创新大赛一等奖”、“第25 届广州市青少年科技创新大赛一等奖”和“第八届广东省少年儿童发明奖三等奖”;获中华人民共和国国家知识产权局颁发《实用新型专利证书》(证书号第1716009 号)( 专利号:ZL201020197119.X) 。
装置具有体型轻巧、使用方便、操作简单、安全可靠、经济实用等优点。适用对象和使用范围广泛,适用于老人、小孩、妇女、残疾人等主要弱势群体和其他人群,装置功能与叉车相似,在学校、家庭、公司、酒店、医院,甚至工厂、车间等地方,还可以应用到搬运或提升类似桶装水的桶状重物。
在桶装水助换器的设计和制作过程中,学到了许多课本上学不到的知识,得到了学校和社会的认可和荣誉嘉奖。让作者更加充满信心,留心生活,发现细节,更 关注老人生活,更多地为帮助老人弱势群体设想和提供服务。