自动循环临水婴儿澡盆设计说明书.doc

自动循环淋水婴儿澡盆设计者指导老师（南京工程学院 机械工程学院，南京 211167）摘要：在给初生婴儿使用婴儿澡盆洗澡过程中，当婴儿平躺在水面时，裸露在温水面以上的部位容易受凉，澡盆中的水温也会不断降低。本设计通过运用脚踏式机构、流体传动与控制系统、 温度控制系统等设计出一种自动循环淋水婴儿澡盆，从放好温水的婴儿澡盆中脚踏取水，实现自动淋水，在不增加澡盆水位的前提下，能够对婴儿露在水面外的身体取得较好的保温效果，再通过水温控制系统，能控制淋水水温在36-39之间，保证婴儿具有适宜的洗澡水温。关键词：婴儿澡盆；循环淋水；脚踏机构；水温控制； 1 背景技术当今市场上婴儿澡盆虽然品种繁多，但是功能单一，大多作为一个储水设备来使用，而能够实现自动循环淋水的家用婴儿洗浴设备还不曾出现过。每天给婴儿洗澡，能清洁和保护其皮肤，促进血液循环，增加身体抵抗力。而婴儿洗澡不能跟成人一样站立使用淋浴或者使用家庭常用的浴缸。一般，初生婴儿洗澡必须用婴儿专用的澡盆。婴儿洗澡时，先在婴儿澡盆中放置一定深度的合适温度的水，然后把婴儿放入水中。对于初生7、8个月以前的婴儿，因为不能坐立，在澡盆里还需安放专用的支撑婴儿能够平躺在水中的支撑板或者网兜。在实际给婴儿洗澡过程中，当婴儿平躺在水中时，由于澡盆中能够放置的最高水位和婴儿的脸部、头部必须在水面以上等因素的影响，婴儿的身体正面有很大一部分是露在水面外。当天气比较凉时，婴儿露在温水面以上的部位就容易受凉。由于使用了澡盆，则不能使用外接淋浴来直接给身体淋水保温，这样会提高水位，甚至水可能会漫过婴儿的脸部和头部；此外，婴儿的体温调节中枢不完善，洗澡水温过高或过低均会对婴儿造成不利影响，一般要求水温度控制在3639。如果使用外接的淋浴器淋水则容易对水温造成影响。以上两者都会给婴儿带来安全隐患。若单纯用澡巾给婴儿水面以上部位擦洗保温，天气较凉时，效果不理想。若用普通盛水器皿从澡盆中舀水不停地淋水，则需要增加人手，比较繁琐。2 国内外研究概况目前国内外在澡盆上研究主要着眼于澡盆的材料，婴儿舒适度，造型等角度，但在循环淋水方面暂无相关研究。3 设计目标与实现方案描述3.1 目标一：实现循环淋水 方案：如图1所示，利用单向阀和三通等市场上容易采购且价格低廉的元件制作近似于液压泵的机构，使用时在婴儿澡盆13中放入适量的温水，脚踩脚踩踏板1，活塞3向上移动，活塞缸2的活塞上侧缸体容积不断减小，压水单向阀7右侧压力不断增大直至打开压水单向阀7，活塞缸2和压水管道8中的气体被压入临时储水气室9。然后抬起脚时，由于可回弹杆架机构4中的弹簧的弹力作用，活塞回程，活塞缸2的活塞上侧缸体容积增大，气压减小，压水单向阀7关闭，吸水单向阀6打开，婴儿澡盆13中的水被大气通过吸水管道5压入活塞缸2中。继续脚踩脚踩踏板1，吸水单向阀6关闭，压水单向阀7打开，活塞缸2中的水被压入临时储水气室9中。如此往复十几次，临时储水气室9中水量不断增加。由于此时临时储水气室9是密闭的，气室中的空气体积则不断压缩，压力则不断增大。这样，在临时储水气室9中就会储有一定体积的水和高压的空气。当开启淋浴喷头阀门开关11，临时储水气室9中的水在高压空气的作用下经过过滤后从淋浴喷头12喷出（喷头12内自带过滤装置），实现对婴儿的淋浴，直至临时储水气室9中水被完全排出1。图1 循环淋水模块原理示意图1-脚踩踏板； 2-活塞缸； 3-活塞； 4-可回弹杆架机构； 5-吸水管道； 6-吸水单向阀； 7-压水单向阀；8-压水管道； 9-临时储水气室； 10-出水管道； 11-开关； 12-淋浴喷头； 13-婴儿澡盆3.2目标二：实现洗澡过程中水温的基本恒定方案：如图2， 通过热敏电阻传感器探头测试水温的变化，由单片机电路控制常闭继电器的通断，进而控制主电路中加热元件的通断，实现水温的基本恒定。另外加热元件的选用方面，考虑到传统电热丝的安全性和寿命低等因素，故不选用电热丝；利用高频交变电流在铁质材料上产生涡流使其发热进而加热含铁材料制成的水箱，但出于电磁波辐射的危害及对小孩健康的考虑故也不采用；最终选用了半导体材料制成的PTC加热管作为加热元件。PTC半导体材料具有阻值随温度升高而升高的特性，其制成的加热器当发生干烧时阻值变大，功率急剧减小，保护了产品，此外PTC加热器还具有安全性高，寿命长等特点。图2 温控系统的流程图4 详细设计与制作描述4.1水箱的设计与校核管路的最小管径为4.5mm所以管中的最小流量面积为*/4，即A=3.14*4.5*4.5=1.59*。则水管中的流量为Q=VA（其中V为水在管道中的平均流速，A为管道的面积）。对管碰头进行测量得其流速为2m/s水压为0.03MPa（淋浴喷头的一般压力为0.0250.04MPa）。则 Q=VA =2*1.59* =0.031L/S（一般淋浴喷头的最大压力不超过0.15 MPa）从流量的角度计算水箱中所需水的体积。因本品的一次水流总时为5min左右从而可以算出水的体积， = Q*t =0.031*300=9.3L从压力的角度来计算水箱中所需水的体积 。因水从管道中流出，因管道的粗超度及阀口开度变化，需克服管道中的沿程压力损失及局部压力损失 。 沿程压力损失 = 查图3 莫迪图及尼古拉兹实验图得 =0.01 沿程管路约等于2.5m 则 =2.26N管路直径无太大的变化则局部损失可以忽略不计，所以压力损失为0.07MPa。 本产品水箱的各边长都为25cm即为15.625L，则空气压缩后为 -6.325L一个大气压为1.013*Pa，则压缩后空气的压力为101300*15.625/6.325=2.5* Pa。此压力大于管道压力损失与喷头所需压力之和。流量与压力均满足要求，所以此箱体的选择可以达到预期的要求。图3 莫迪图及尼古拉兹实验图解决的关键技术问题：水箱焊接的密封性以及焊缝承受压力问题。经过计算和多次试验，发现由1mm钢板制成的水箱，普通焊缝无法承受所需要的压力，而且焊缝不够美观。我们团队经仔细研究发现主要是水箱壁在高压下会产生微小的变形，使得焊缝不但要承受高压，而且要承受水箱壁变形产生的径向拉力，造成焊缝被撕裂。受限于焊接设备和技术的局限，我们团队采用包边加强的方法，使得焊缝不承受水箱壁变形产生的径向拉力，并采用氩弧焊完成水箱的焊接密封，经实验检测完全达到设计目标要求。234.2脚踏机构设计与校核 4.2.1 连接螺栓强度校核螺栓主要受横向力作用，螺栓在连接结合面处受到剪切，并与被连接件的孔壁相互挤压。忽略预紧力和摩擦力的影响，剪切强度为: 4F/ （ 其中d=3mm 通过查表得到=144MPa ）F324N如图4所示。F 图4 图5当脚踏完全踩下时螺栓受力约为0.2倍的F，则踩踏力为1620N，远远超过人踩踏的力，所以螺栓的剪切强度符合要求。螺栓在受剪切力的同时也受到挤压应力。F/dh （其中由查表得到为360 MPa ， h为螺栓被挤压面的高度，在本产品中其接触高度为1mm）。324/3MPa由于以上的校核验算都取自钢材最薄处和最细螺栓所以其它各螺栓都符合强度要求。4.2.2弹簧的设计与选择当液压缸回弹时即吸水回程，因水与管道之间的摩擦，会产生阻尼作用。水在管道中有沿程损失顺而产生了水流阻尼，如上所示，水在管道中的沿程压力损失为0.07MPa。液压缸的瓶颈处面积约为20，则水产生的阻尼约为1.4N。本产品中所选弹簧d=2mm，拉伸强度为2300MPa。所选弹簧回弹力满足水阻尼符合要求。弹簧刚度的确定如图5所示，当脚在上端踩踏时弹簧拉力F1约为踩臂梁的一半。本产品有两根弹簧，所以F2拉力约等于F1。弹簧选用碳素钢 则查表得=2300MPa =0.4*2300 MPa=920 MPa计算弹簧直径 c=8 K=（4c-1）/(4c-4)+0.615/c =1.18查表得d （F1约为100N）计算的d1.6mm所以本产品选择弹簧符合要求。解决的关键技术问题：脚踩踏板的位置及脚踩发力的舒适度问题。由于整体工作箱的局限和美观要求，力臂不能太长，我们利用铰链制作了可翻折的踏板，需要脚踩时将踏板翻出来，加成力臂，省力且位置方便腿发力，不需要使用时，可以将踏板翻折回去，减少机构占用的空间，且整体美观。4.3整体工作箱支架的设计与制作图6 工作箱支架整体受力图如图6所示，当脚踩最高位时，液压缸受力沿着所踩梁的方向，即F的方向。此时F1的分力约0.707F， F1所在位置约为距离框架顶部13cm处，（注：框架的高度约为50cm，即本图高。框架的宽度约为45cm，即是本图的宽度。）F约为600N G=1000N则F1=420NF1*（50-13）G*45/2所以此箱体不会向右倾倒。向下的力小于500N ，所以也不会向左倾倒。综上所述，本产品的尺寸比例设计合理，可确保使用时不会造成倾倒的危险。4.4 温控系统的设计与制作 4.4.1控制系统的设计如图7，当热敏电阻温度探头测得管道内水的温度，通过阻值的变化反馈到控制器内的单片机中，单片机将其与设定的温度38进行比较，若低于设定温度则常闭继电器线圈得电，触点闭合接通主电路，加热元件PTC加热管开始工作，当探头测到的温度高于设定的温度时，继电器将断开从而停止加热。选择合适功率的加热管可以使得流经加热管的水温度升高在1-3之间，从而保证管道内经加热后的水温度不会超过安全范围。为了防止使用者疏忽大意，水流尽等原因造成的干烧，在PTC加热管外壁间隔耐高温的绝缘胶带后紧贴了KSD9700系列的热保护器1（动作温度值85），当发生干烧时，由于无水经过管道所以热敏电阻探头将不起作用，加热管温度急剧上升，此时热保护器将断开主电路，保护整个系统。此外本产品中为了进一步保证安全，在喷头的最后一段管道外壁绝缘后贴合了另一块热保护器2（动作温度值45），若无此装置，在控制器或继电器发生故障的情况下，当水温没有达到干烧断开温度85时，加热器继续加热，此时从喷头喷洒出的水温度很可能高于婴儿洗澡的温度范围，造成烫伤。当装上热保护器2后，在控制器故障这种万一的情况下，只要水温一旦高于45，主电路立即被切断，且显示器不再显示，警告用户及时采取措施，确保安全。最后为了防止漏电，本产品的工作箱接地且装有漏电保护器。图7 恒温系统模块的原理示意图解决的关键技术问题：通过热敏电阻，继电器，集成了单片机的控制器，热保护器等元件实现温度的控制以及多重保护。理论计算设计完成后，机械结构的设计采用UG 建模，并通过UG CAE进行运动仿真，应力分析等4，优化了设计方案，调整了结构参数，避免了理论计算后直接加工制造有可能产生的干涉，装配尺寸有误等错误，三维模型如图8所示（不包含温控系统）。图8 机械结构部分 UG三维模型5 作品实物照片及产品化三维实体图 作品实物照片 作品产品化三维实体图（分离式） 作品产品化三维实体图（一体式）该作品产品化生产后，大部分部件可以采用塑料件，使用模具生产。产品可以做到快速拆装，更小何轻便，并能与澡盆大小互相配合，对于家庭使用则非常方便。 6 创新特色1.采用脚踏机构实现循环淋水，具有安全，经济，实用等诸多优点易于推向市场；2.采用循环淋浴的方法，在不增加澡盆水位的前提下，能够对婴儿露在水面外的身体取得较好的保温效果；3.配置了安全可靠的温控系统，保证婴儿具有适宜的洗澡水温； 4.澡盆支架可伸缩，让不同身高的父母都有较好的使用舒适度；5.部分器件可快速拆装，方便生产环节以及销售和家庭存放环节；6.与市场上现有的普通澡盆有较好的兼容配套性，只需将配套的接头插入普通澡盆的放水口即可使用本产品，对澡盆的大小以及形状无特定要求；7.节约用水，实现水的循环，符合当下和未来的绿色环保的理念要求。7应用前景1. 经调查目前国内外市场上均没有出现同类产品，且调研数据显示约有82.4%的年轻父母对能实现此功能的产品很有兴趣，该项目具有较好的市场前景和经济效益；2本作品已申请了发明专利一项，新型实用专利一项，制作的为试制实物，接近准产品水平，减少了公司研制周期，加以优化和改进后能快速投放市场；3 可快速升降，拆卸和组装，便于生产销售环节和家庭储藏；4该自动淋水系统技术精简或改造后也可应用于户外野营淋浴装备，家用自助洗车器以及中小面积的绿化洒水器等其它项目。8 作品已获荣誉1本产品已申请一项发明专利，一项新型实用专利（见附件）；2获得南京工程学院第三届机械创新设计大赛一等奖；3以本产品为创业项目载体的创业计划入围即将举行的第七届“挑战杯