隨著物質(zhì)文明的高度發(fā)展,人們對健康的意識和對生活的要求不斷提高,桶裝水、飲水機(jī)也應(yīng)運(yùn)地普及到普通老百姓的日常生活。調(diào)查發(fā)現(xiàn),無論是在家庭、學(xué)校, 還是在公司、酒店,都能見到桶裝水和飲水機(jī)的身影。桶裝水以其水質(zhì)純凈甘醇、安全衛(wèi)生和使用方便,尤其在環(huán)境污染嚴(yán)重、生活飲用水水質(zhì)欠佳的情形下,它已成為人們生活飲用水的重要來源。桶裝水與人們的日常生活具有密切聯(lián)系。

由于標(biāo)準(zhǔn)桶裝水比較重達(dá)20kg,即使小型裝的重量也要10kg,且飲水機(jī)的插口位置較高,每次更換需要花力氣和技巧。當(dāng)需要更換桶裝水的時候,由于體力制約,小孩、女士、老人和體弱者等一般很難完成更換過程。經(jīng)調(diào)查發(fā)現(xiàn),市面上未曾有桶裝水助換器類產(chǎn)品銷售。聯(lián)想到作者在廣州市老人院當(dāng)義工時目睹老人年邁體衰多病缺乏勞動力的無助情景,遂萌憐憫之心。當(dāng)前社會人口結(jié)構(gòu)趨向老年化,四個老人一對夫婦一個小孩的“四二一家庭結(jié)構(gòu)”模式的普遍存在,如何幫助體衰力弱群體順利完成桶裝水的更換已經(jīng)成為當(dāng)代社會一個現(xiàn)實(shí)的問題。為此研制出一種適合體衰力弱群體、專門用來協(xié)助換水的自動化設(shè)備- -桶裝水助換器。它具有體型輕巧、使用方便、操作簡單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。堅(jiān)信它將成為人們?nèi)粘Ｉ畹妮o助工具并為將來市場開拓了廣闊的前景。

桶裝水助換器具有如下功能、特點(diǎn)和意義。

(1)適用對象和使用范圍廣泛,適用于老人、小孩、婦女、殘疾人等主要弱勢群體和其他人群;該裝置功能與叉車相似,在學(xué)校、家庭、公司、酒店、醫(yī)院,甚至工廠、車間等地方,除了用于桶裝水助換外,還可以應(yīng)用到搬運(yùn)或提升類似桶裝水的桶狀重物。

(2)造型簡潔,設(shè)計(jì)輕巧,使用方便,操作簡單,占用空間小。

(3)安全可靠,經(jīng)濟(jì)實(shí)用,維護(hù)簡易,生產(chǎn)成本低。

1 結(jié)構(gòu)與原理

桶裝水助換器為中學(xué)生自主創(chuàng)新發(fā)明研制的一款專門用來搬運(yùn)及升降桶狀重物的新型科技產(chǎn)品,用于協(xié)助更換桶裝水。其功能主要是通過鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)(四連桿自動鎖合系統(tǒng))、渦輪蝸桿減速電機(jī)組、馬達(dá)正反轉(zhuǎn)電路等系統(tǒng)來實(shí)現(xiàn)的。圖1為桶裝水助換器結(jié)構(gòu)示意圖,圖2為實(shí)物圖。

2 機(jī)械結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)桶裝水助換器的機(jī)械系統(tǒng)包括平衡穩(wěn)定系統(tǒng)、鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)、翻轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。

2 . 1 平衡與穩(wěn)定系統(tǒng)

利用杠桿平衡原理、三角形的穩(wěn)定性原理、四輪固定器、正方形底座以及底座前側(cè)的鐵棒等組成了支架平衡系統(tǒng),使助換器不會因失去平衡而左右搖擺。 以主支架為支點(diǎn),渦輪蝸桿減速電機(jī)組的前端(拉索)所在直線為水桶所受重力的用線所在直線(受到逆時針的力矩),后備電源電路系統(tǒng)的后端所在直線為平衡力作用線所在直線(受到順時針的力矩),根據(jù)杠桿平衡原理,系統(tǒng)所受合外力、合力矩均為零。

為了分擔(dān)水平短橫桿所受的拉力及主支架在前后方向上的力,在活動的水平主桿頂端及固定的豎直主支架的下端這些薄弱部位焊上了45 °不銹鋼加強(qiáng)筋,提供一定的支持力,使助換器既不會因?yàn)槭テ胶舛笥覔u擺,也不會由于重物過重而折斷支架。

用四輪固定器,既增強(qiáng)了它的穩(wěn)定性, 保證其不發(fā)生側(cè)翻,又加強(qiáng)了它的靈活性, 在移動時更加方便。 底座采用正方形結(jié)構(gòu),讓水桶的重心恰好落在正方形底座的中心上,使本裝置無論在行進(jìn)過程中還是上升或下降過程中都能保持系統(tǒng)的穩(wěn)定和平衡。

為避免助換器在沒有負(fù)重時向后翻倒,在底座前側(cè)支桿中填充了兩對鐵棒,使整個裝置在無重物狀態(tài)下不會向后翻倒。

2.2 鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)( 四連桿自動鎖合系統(tǒng)) 及翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)采用“鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)”(四連桿自動鎖合系統(tǒng)), “機(jī)械夾手”、“快速扣”等作為本款桶裝水助換器的夾緊裝置和翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)。

“鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)”是利用杠桿原理將杠桿系通過固定鉸鏈和活動鉸鏈組成的夾緊機(jī)構(gòu),也稱“肘桿夾緊器”,自鎖條件是手柄杠桿與連接板共線。本桶裝水助換器正是采用了“鉸鏈-杠桿夾緊機(jī)構(gòu)”(四連桿自動鎖合系統(tǒng)), 通過水桶自重和拉索上提所產(chǎn)生的力的效果,將四連桿拉長,使夾持部位的夾持力更大,增加了摩擦力,從而起到自動鎖合的作用。

2.3 翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)翻轉(zhuǎn)系統(tǒng)主要由“機(jī)械夾手”、“快速扣”等部件構(gòu)成。“機(jī)械夾手”其中, 可通過螺絲調(diào)節(jié)松緊度,以適用于不同規(guī)格的水桶; 則安全方便,扣緊后能有效防“快速扣”止機(jī)械夾手松開。

2.4 渦輪蝸桿減速電機(jī)組

桶裝水助換器電機(jī)組采用渦輪蝸桿減速電機(jī)組傳動,因其具有自鎖功能而能使其在不帶電的情況下不會受到桶裝水重力的作用向下滑落,從而提高了它的安全性能。蝸輪蝸桿減速電機(jī)組傳動通常用于兩軸交叉成90°,但彼此既不平行又不相交的情況下;在蝸輪傳動中,蝸桿是主動件,而蝸輪是被動件。

蝸輪蝸桿減速電機(jī)組傳動有如下特點(diǎn):

傳動比高,交錯軸斜齒輪機(jī)構(gòu)緊湊,兩輪嚙合齒面間為線接觸,其承載能力大大高于交錯軸斜齒輪機(jī)構(gòu);

蝸桿傳動為多齒嚙合傳動,傳動平穩(wěn)、噪音很小; 蝸桿軸向力較大,傳動功率范圍大;

可以自鎖--當(dāng)蝸桿的導(dǎo)程角小于嚙合輪齒間的當(dāng)量摩擦角時,機(jī)構(gòu)具有自鎖性,可實(shí)現(xiàn)反向自鎖,即只能由蝸桿帶動蝸輪,而不能由蝸輪帶動蝸桿,如在其重機(jī)械中使用的自鎖蝸桿機(jī)構(gòu),其反向自鎖性可起安全保護(hù)作用。

2.5 可伸縮臺架和輪子及其固定器豎直的主支架通過伸縮桿可調(diào)節(jié)高度,通過螺絲可固定;底座足夠?qū)?可適用于不同高度、不同款式、不同型號的飲水機(jī)。底座安裝四個輪子及固定器,以便于移動和固定,既增強(qiáng)了它的穩(wěn)定性,又加強(qiáng)了它的靈活性和適用范圍。

3 電氣設(shè)計(jì)關(guān)鍵技術(shù)

桶裝水助換器采用蓄電池供電,設(shè)計(jì)了馬達(dá)控制電路,實(shí)現(xiàn)桶裝水的自動上升和下降。

3.1 馬達(dá)正反轉(zhuǎn)電路系統(tǒng) 馬達(dá)采用開關(guān)互鎖式正反轉(zhuǎn)控制電路,工作時只能向一個方向轉(zhuǎn)動,帶動系統(tǒng)上升或下降,電路設(shè)計(jì)圖如圖3所示。

3.2 電源系統(tǒng)

本裝置采用12V 鎳氫蓄電池裝置。查閱資料發(fā)現(xiàn),NiMH 充電器采用ΔT/ dt方法終止充電,是目前NiMH 電池充電的較好辦法。NiMH 電池充電結(jié)束時電壓下降比較小,而對低充電速率(低于0.5C) 不出現(xiàn)電壓下降。

新的NiMH 電池會在充電周期內(nèi)過早地出現(xiàn)錯誤峰值,這會導(dǎo)致充電器過早結(jié)束充電。此外,單用-ΔV檢測結(jié)束充電幾乎肯定會出現(xiàn)過充,導(dǎo)致在電池失效前限制充放電次數(shù)。似乎沒有在所有條件下(新或舊, 熱或冷, 全部或部分放電) 都適用的NiMH 電池的-dV/dt充電算法。因此,除非NiCd 充電器使用了dT/dt方法終止充電,否則不能用NiCd 充電器為NiMH 電池充電。而且,因?yàn)镹iMH 電池不能很好的吸收過充,所以,涓流充電電流比NiCd 電池小(約0.05C) 。NiMH 電池的慢充比較困難。因?yàn)橐?.1C~

0.3C 的速率充電時,電壓和溫度的變化不能準(zhǔn)確指示電池已充滿。因此,慢速充電器必須依靠定時器來決定何時結(jié)束充電。以此, 為保證NiMH 電池充滿,應(yīng)以接近1C 的速率(或電池制造商指定速率)快速充電,同時監(jiān)控電壓(ΔV=0) 和溫度(dT/dt)來確定何時結(jié)束充電。電源裝置電路圖如圖4所示。

4 使用方法及注意事項(xiàng)

4.1 換水過程在水平地面上,換水的過程主要分為兩大部分--將桶裝水從放置的地方移到

圖4 電源裝置電路圖

飲水機(jī)前,以及把桶裝水提升并插入飲水機(jī)的進(jìn)水接口。具體操作步驟如下:

調(diào)節(jié)助換器豎直主支架的高度,使夾套略高于飲水機(jī)的進(jìn)水接口;

將助換器輕推到放置桶裝水的地方, 壓下后輪的固定器,按住“降”鍵,使夾套下降至適當(dāng)?shù)奈恢?通過調(diào)節(jié)夾套扣緊桶裝水;

按住“升”鍵,使鉸鏈杠桿夾緊機(jī)構(gòu)提7.5升水桶稍微上升一定高度(離開地面即可); 松開后輪固定器,把助換器輕推到飲水機(jī)前,再壓下固定器,并按住“升”鍵,使桶裝水逐步上升到離飲水機(jī)進(jìn)水接口稍高的位置,翻轉(zhuǎn)180°;

按住“降”鍵,使桶裝水逐步下降,較后準(zhǔn)確無誤地插入飲水機(jī)的進(jìn)水接口。

4.2 電源充電及維護(hù)

電源采用24V 鎳氫蓄電池。一次充電可使用50 次;每次充電不要很過2小時,以免損壞蓄電池與變壓器。各零部件容易拆卸, 馬達(dá)、電源等均是市售常用部件, 維護(hù)簡便。

4.3 注意事項(xiàng)

飲水機(jī)的高度要低于桶裝水助換器設(shè)計(jì)的高度; 桶裝水的重量應(yīng)在助換器的承受范圍之內(nèi),不可很重,以免折斷支架,損壞助換器;

地面平坦,盡量少凹凸面,以減少輪子磨損; 每次使用完畢,都要收縮好豎直主支架,放回到適當(dāng)?shù)牡胤健?/p>

5 結(jié)語

本裝置為作者在高中一年級時的作品,通過反復(fù)思考、多次交流、不斷改進(jìn),較終研制出該桶裝水助換器,獲得“廣州市執(zhí)信中學(xué)第二屆科技創(chuàng)新大賽一等獎”、“第25 屆廣州市青少年科技創(chuàng)新大賽一等獎”和“第八屆廣東省少年兒童發(fā)明獎三等獎”;獲中華人民共和國國家知識產(chǎn)權(quán)局頒發(fā)《實(shí)用新型專利證書》(證書號第1716009 號)( 專利號:ZL201020197119.X) 。

裝置具有體型輕巧、使用方便、操作簡單、安全可靠、經(jīng)濟(jì)實(shí)用等優(yōu)點(diǎn)。適用對象和使用范圍廣泛,適用于老人、小孩、婦女、殘疾人等主要弱勢群體和其他人群,裝置功能與叉車相似,在學(xué)校、家庭、公司、酒店、醫(yī)院,甚至工廠、車間等地方,還可以應(yīng)用到搬運(yùn)或提升類似桶裝水的桶狀重物。

在桶裝水助換器的設(shè)計(jì)和制作過程中,學(xué)到了許多課本上學(xué)不到的知識,得到了學(xué)校和社會的認(rèn)可和榮譽(yù)嘉獎。讓作者更加充滿信心,留心生活,發(fā)現(xiàn)細(xì)節(jié),更 關(guān)注老人生活,更多地為幫助老人弱勢群體設(shè)想和提供服務(wù)。