感應(yīng)式皂液器方案設(shè)計(jì)

1 引言

從新冠疫情爆發(fā)開(kāi)始，人們對(duì)個(gè)人衛(wèi)生越來(lái)越注重，也更關(guān)注公共場(chǎng)所甚至家庭成員之間的交叉感染渠道。因此，感應(yīng)龍頭和感應(yīng)皂液器等非接觸式產(chǎn)品的需求也有了爆發(fā)式的增長(zhǎng)。尤其是感應(yīng)皂液器，相比以往的按壓式，無(wú)需接觸的使用方式獲得了極大的認(rèn)可。目前市場(chǎng)上的感應(yīng)式皂液器從出液形式上主要分成液體型和泡沫型。液體型的皂液泵結(jié)構(gòu)相對(duì)簡(jiǎn)單，泡沫型皂液器由于需要?dú)獗玫募尤?，并?duì)液體濃度有一定要求，因此結(jié)構(gòu)相對(duì)復(fù)雜。但是由于泡沫型皂液無(wú)論從潔凈效果，使用手感還是從視覺(jué)效果上來(lái)說(shuō)都優(yōu)于液體型皂液器，因此更受青睞，使用范圍更廣。

2 方案設(shè)計(jì)

泡沫式皂液器起泡的核心是皂液泵，技術(shù)方案設(shè)計(jì)的核心在于確定皂液泵及泵體方案。

2.1 皂液泵類(lèi)型選擇

感應(yīng)式皂液器一般用于公共場(chǎng)所，使用壽命長(zhǎng)達(dá)5年以上，使用次數(shù)按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求大于20萬(wàn)次。感應(yīng)式皂液器的核心是皂液泵，皂液泵目前市場(chǎng)上常見(jiàn)的有以下幾類(lèi)，分別為活塞泵，隔膜泵，蠕動(dòng)泵，齒輪泵。

活塞泵通過(guò)活塞往復(fù)運(yùn)動(dòng)將皂液從容器內(nèi)吸入腔體并排出到出液口，由于活塞的行程由連桿和曲軸決定，因此每次出液量都比較穩(wěn)定。但是由于成本原因，一般活塞都由塑料材料制作，因此耐磨有限，從五萬(wàn)次以后出液量會(huì)出現(xiàn)較大偏差，整體的壽命也很難達(dá)到十萬(wàn)次以上。難以滿足產(chǎn)品需求。

隔膜泵通過(guò)電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)，帶動(dòng)膜片起伏，從而產(chǎn)生正負(fù)壓差來(lái)吸入和排出皂液和空氣。通過(guò)泵的腔體數(shù)量和體積來(lái)控制出液量和空氣配比，出液量的多少由帶動(dòng)膜片的電機(jī)轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)間決定。膜片的壽命決定了隔膜泵的壽命，基本也較難達(dá)到十萬(wàn)次。

蠕動(dòng)泵通過(guò)凸輪對(duì)管道的擠壓，形成正負(fù)壓來(lái)吸入和排出皂液。凸輪轉(zhuǎn)動(dòng)次數(shù)決定了出液量的多少。管道由于凸輪擠壓引起的磨損和本身的材料決定了泵的壽命。一般可以達(dá)到數(shù)十萬(wàn)次。

齒輪泵通過(guò)和箱體緊密配合的齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)形成真空來(lái)吸入和排出皂液。齒輪轉(zhuǎn)動(dòng)多少?zèng)Q定了出液量的多少。齒輪和齒輪箱體的磨損程度決定了泵的壽命。一般可達(dá)到數(shù)十萬(wàn)次。

對(duì)比需求，蠕動(dòng)泵和齒輪泵更符合需求。經(jīng)過(guò)分析比較，選型齒輪泵作為最終方案。

2.2 泵體方案設(shè)計(jì)

泵體設(shè)計(jì)分為兩個(gè)部分，一個(gè)是皂液腔，一個(gè)是電機(jī)驅(qū)動(dòng)傳動(dòng)箱。皂液腔包含腔體大小和嚙合齒輪的設(shè)計(jì)，由以下因素決定：

1) 單次出液量皂液量。按照用戶使用習(xí)慣和市場(chǎng)上大部分產(chǎn)品的設(shè)置，一般單次出液量為1-2毫升。

2) 單次出液時(shí)間。每次使用的時(shí)候，出液時(shí)間應(yīng)該控制在0.5秒左右。

根據(jù)上述條件和齒輪泵排量公式： z 為齒數(shù)，m 為齒輪模數(shù)，B為齒寬，采用如下設(shè)計(jì)：齒數(shù)為8，模數(shù)為1，齒寬為5，得到V=80πmm³。

傳動(dòng)箱的設(shè)計(jì)由以下因素決定：

1) 電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速需要通過(guò)傳動(dòng)箱調(diào)整到適用出液速度的設(shè)置。

2) 泵體大小。由于產(chǎn)品體積有限，傳動(dòng)箱的直徑不能超過(guò)電機(jī)直徑，厚度需要盡量做薄。

根據(jù)上述條件，采用了如下設(shè)計(jì)：電機(jī)使用兩級(jí)傳動(dòng)結(jié)構(gòu)，第一級(jí)采用了2:1齒比，第二級(jí)采用3:1齒比。按電機(jī)2000RPM規(guī)格，輸出轉(zhuǎn)速約為330RPM，結(jié)合齒輪泵排量，可以通過(guò)微調(diào)滿足皂液量需求。

皂液器由主控板（帶按鈕）、空氣泵、齒輪泵及皂液龍頭等組成。感應(yīng)式皂液器工作時(shí)，紅外感應(yīng)器捕捉到使用者手部接近動(dòng)作后，將信號(hào)傳輸至主控板，主控板控制皂液泵、空氣泵分別將皂液與空氣泵入氣液混合腔實(shí)現(xiàn)泡沫成型，并經(jīng)出皂口泵出。

3 出液量穩(wěn)定性控制方案研究

在齒輪泵的測(cè)試和應(yīng)用過(guò)程中，發(fā)現(xiàn)隨著時(shí)間推移，使用次數(shù)的增加，出液量也會(huì)隨之變化，偏差值可以超過(guò)20%以上，例如初始值為20的出液量，經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用之后，可能會(huì)變成16或17，影響使用體驗(yàn)。因此，如何保證每次出液量的恒定，成為衡量皂液器質(zhì)量可靠性的一個(gè)重要指標(biāo)，也是影響該產(chǎn)品使用體驗(yàn)的重要因素。

經(jīng)分析，根據(jù)上文齒輪泵皂液器產(chǎn)品結(jié)構(gòu)以及工作原理的初步分析，影響皂液量的因素可能有塑料材質(zhì)皂液泵結(jié)構(gòu)件的磨損、皂液濃度、皂液泵供電電源的穩(wěn)定性等三個(gè)方面，針對(duì)這些因素準(zhǔn)備對(duì)應(yīng)的幾組樣品來(lái)進(jìn)行測(cè)試并嘗試尋找規(guī)律，建立模型，并確定模型參數(shù)，為改進(jìn)設(shè)計(jì)做好準(zhǔn)備。

3.1 結(jié)構(gòu)件材料優(yōu)化

泵體結(jié)構(gòu)主要零件為一對(duì)嚙合齒輪，泵體，蓋板，軸。從成本角度出發(fā)，除了軸之外，無(wú)法選用金屬零件替代。因此需要選擇耐磨性較好的材質(zhì)，還需要考慮材料易加工成型，最后通過(guò)對(duì)比最后選用了聚甲醛（POM）作為齒輪，泵體和蓋板的材料。通過(guò)將皂液泵進(jìn)行壽命測(cè)試，并在開(kāi)始前和結(jié)束后拆解并測(cè)量關(guān)鍵尺寸，得出結(jié)論，采用聚甲醛制作的零件在壽命周期內(nèi)的磨損可以忽略不計(jì)。

3.2 皂液濃度

將濃縮皂液進(jìn)行不同比例的稀釋?zhuān)玫讲煌瑵舛鹊脑硪?，并進(jìn)行測(cè)試，得出下表。由結(jié)果可見(jiàn)，皂液濃度對(duì)出液量影響可以忽略。

表1 不同水液比例下皂液量匯總表

3.3 皂液泵供電電源

將驅(qū)動(dòng)電機(jī)的電源設(shè)置到不同檔位，模擬實(shí)際使用過(guò)程中的不穩(wěn)定性，得出下表。由結(jié)果可見(jiàn)，電源電壓對(duì)出液量影響很大，是主要因素。

表2 不同供電電壓及檔位下皂液量匯總表

上表中，不同檔位的區(qū)別在于電機(jī)的工作時(shí)間，其中檔位1工作時(shí)間214ms，檔位2為296ms，檔位3為376ms，檔位4為458ms。

因此，如果需要保持相對(duì)穩(wěn)定的皂液量，必須在不同電壓下進(jìn)行電機(jī)驅(qū)動(dòng)的補(bǔ)償。

1）各個(gè)檔位下，皂液量與電壓之間的擬合關(guān)系，采用最小二乘曲線擬合法得到擬合圖。

由回歸方程的擬合度R2的值均大于0.9，可以確認(rèn)這些模型的擬合能力較好，可以反應(yīng)時(shí)間的關(guān)系情況。

2）根據(jù)表格2數(shù)據(jù)，建立皂液量與不同檔位（電機(jī)工作時(shí)間）的擬合關(guān)系。

得出結(jié)論，在同一個(gè)電源電壓值下，出液量和電機(jī)工作時(shí)間成正比，這反映出出液速度的穩(wěn)定性。

因此，在實(shí)際使用中，可以通過(guò)矯正電機(jī)工作時(shí)間的方式，來(lái)實(shí)現(xiàn)對(duì)出液量的控制，其中不同檔位的校核方法如下。

最后，將得出的校正模型用于實(shí)際測(cè)試，測(cè)試數(shù)據(jù)見(jiàn)下表：

表2  校正后測(cè)試數(shù)據(jù)匯總表

校正后，各個(gè)檔位下皂液量與電壓的關(guān)系圖。

由結(jié)果可見(jiàn)，校正模型基本正確。通過(guò)對(duì)于不同產(chǎn)品的重復(fù)測(cè)試，也驗(yàn)證了此校正模型的通用性，在此不再贅述。

由上述測(cè)試分析驗(yàn)證可知：皂液泵在正常使用過(guò)程中的磨損和不同皂液濃度對(duì)出液量的影響基本為零；電機(jī)電壓的變化對(duì)出液量的影響較大。因此，如果需要保證出液量的穩(wěn)定，需要對(duì)出液控制方式進(jìn)行校正。

此矯正方式基于測(cè)量結(jié)果，和產(chǎn)品設(shè)計(jì)參數(shù)息息相關(guān)。產(chǎn)品設(shè)計(jì)調(diào)整影響需要重新測(cè)試對(duì)模型進(jìn)行調(diào)整。如果對(duì)精確度的要求不是非常高，或者由于控制系統(tǒng)預(yù)算有限選用的芯片能力有限，可以考慮簡(jiǎn)化校正模型，使用統(tǒng)一的校正公式并將其進(jìn)行位移來(lái)得到不同檔位下的校正模型。

4  應(yīng)用展望

目前，越來(lái)越多的產(chǎn)品正在從傳統(tǒng)型向智能型轉(zhuǎn)變。越來(lái)越多的家用商用電子產(chǎn)品通過(guò)物聯(lián)網(wǎng)（IoT）實(shí)現(xiàn)了遠(yuǎn)程訪問(wèn)和控制。皂液器也可以通過(guò)遠(yuǎn)程訪問(wèn)來(lái)進(jìn)行獲取狀態(tài)和工作控制。其中，遠(yuǎn)程獲取剩余皂液量，提醒用戶及時(shí)補(bǔ)充是重要功能之一。目前皂液量的獲取方案絕大多數(shù)還是通過(guò)在皂液瓶中安裝浮子，或者在皂液瓶外壁安裝液位傳感器來(lái)獲取。這些方法雖然都較為可靠，但是對(duì)于產(chǎn)品整體的成本影響也不小，尤其是需要了解每隔一定用量的情況下，需要好幾個(gè)液位傳感器，并需要控制模塊增加相應(yīng)數(shù)量的輸入輸出口。

因此，通過(guò)穩(wěn)定的控制出液量，可以精確的計(jì)算出已經(jīng)使用的皂液量，從而得出剩余皂液量，并直接通過(guò)控制系統(tǒng)連接物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上報(bào)，通過(guò)應(yīng)用通知到用戶。這種方式可以有效控制產(chǎn)品成本，并簡(jiǎn)化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和電子部分的設(shè)計(jì)難度。

5 結(jié)束語(yǔ)

本文從市場(chǎng)需求出發(fā)，完成了皂液泵選擇及泵體方案設(shè)計(jì)，主要通過(guò)分析，建模，測(cè)試的方式將如何穩(wěn)定控制皂液器的出液量的方法進(jìn)行分享。在不同的實(shí)際設(shè)計(jì)應(yīng)用過(guò)程中會(huì)遇到不同的要求和條件。可以在此方法基礎(chǔ)上進(jìn)行完善和補(bǔ)充，從而達(dá)到最終產(chǎn)品設(shè)計(jì)要求。

文章來(lái)源：  《上海輕工業(yè)》   http://m.xwlcp.cn/w/kj/30978.html