朱 燃，陳 杰，吳繼濤

（四川理工學(xué)院，四川自貢643000）

在科技飛速發(fā)展的今天，智能化和環(huán)保節(jié)能成為了首要發(fā)展的方向，同時智能衛(wèi)浴的發(fā)展也讓越來越多的家庭選擇馬桶來代替?zhèn)鹘y(tǒng)的衛(wèi)浴工具。而現(xiàn)今的馬桶采用的直沖和虹吸兩種方式進行排污都將消耗大量的生活用水，平均每次用水量在6～8L[1]，而中國作為一個水資源缺乏的國家，這將會是一個急待優(yōu)化的一個問題。傳統(tǒng)馬桶在使用過程中往往會出現(xiàn)堵塞現(xiàn)象，而且使用者往往難以解決這個問題，需要專業(yè)的人士才能解決。同時傳統(tǒng)的馬桶不具有智能感應(yīng)與反饋功能，智能化程度較低。針對以上問題，本文提出了一種新型機械結(jié)構(gòu)馬桶，將極大地降低馬桶的用水量，解決馬桶的堵塞問題，提高馬桶的智能化程度。

1 馬桶的現(xiàn)狀分析

傳統(tǒng)馬桶在使用上存在以下問題：

（1）馬桶每次的沖水量無法控制，取決于儲水箱的儲水量；

（2）虹吸式或直沖式馬桶每次都會消耗6～8L水，用水量大；

（3）目前的節(jié)水馬桶主要有普通節(jié)水馬桶、氣壓節(jié)水馬桶、無水箱節(jié)水馬桶三類，但是節(jié)水效果遠遠還不夠；

（4）馬桶的智能化程度較低，無法自動開關(guān)馬桶蓋、自動控制用水量以及馬桶實時工作情況的信息反饋等。

2 智能機械馬桶的設(shè)計方案

智能機械馬桶（如圖1）采用雙搖桿機構(gòu)[2]作為物體轉(zhuǎn)移機構(gòu)，將污物進行轉(zhuǎn)移排除；碗形容器作為污物的容器與雙搖桿結(jié)構(gòu)鏈接，由雙搖桿帶動容器實現(xiàn)傾覆與復(fù)位動作；在傾覆動作完成后，清洗裝置利用絲桿導(dǎo)軌裝置將毛刷伸出，再由電機驅(qū)動旋轉(zhuǎn)，同時供水系統(tǒng)工作，將水由毛刷內(nèi)部小孔噴出，實現(xiàn)容器的沖洗工作。

圖1 智能機械馬桶結(jié)構(gòu)圖

3 雙搖桿機構(gòu)的運動計算

如圖2所示為雙搖桿機構(gòu)簡圖。具體運算動計算如下：

圖2 雙搖桿機構(gòu)簡圖

設(shè)電機轉(zhuǎn)速為n，絲桿導(dǎo)程為L，雙搖桿傾角為α，碗形容器傾角為β，電機工作時間為t，滑塊距鉸鏈中心距離為S1，雙搖桿長度為S2，兩鉸鏈中心間距為P1，碗形容器支撐點距離為P2.

其中：

根據(jù)設(shè)計數(shù)據(jù)及實驗數(shù)據(jù)可知：

t=2 s，S1=83 mm，S2=200 mm，P1=80 mm，P2=80 mm，L=2 mm.

可求得當(dāng)電機轉(zhuǎn)速時n=35 r/min，α=57°；β=95°.

4 智能機械馬桶的工作原理

4.1 電磁閥與手動排水閥

正常如廁后，根據(jù)馬桶前端的距離感應(yīng)器采集的信號反饋給單片機發(fā)出指令控制馬桶蓋的自動關(guān)閉以及電磁閥的開啟，電磁閥開啟相應(yīng)設(shè)定的時間后自動關(guān)閉，實現(xiàn)沖刷過程。如遇到異常情況電磁閥無法開啟的時候，也可通過馬桶后端外置的手動排水閥進行手動沖洗。

4.2 雙搖桿機構(gòu)

雙搖桿機構(gòu)利用絲桿電機驅(qū)動，絲桿電機在接受到單片機發(fā)出的指令后控制絲桿旋轉(zhuǎn)，驅(qū)動雙搖桿上的滑塊滑動，使雙搖桿和碗形容器完成傾覆工作，實現(xiàn)污物的轉(zhuǎn)移。

4.3 絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)

絲桿導(dǎo)軌機構(gòu)由絲桿導(dǎo)軌、絲桿電機以及旋轉(zhuǎn)電機箱組成。絲桿電機在收到單片機發(fā)出的指令后由驅(qū)動器驅(qū)動絲桿電機按照程序進行正轉(zhuǎn)與反轉(zhuǎn)，驅(qū)動絲桿旋轉(zhuǎn)帶動電機箱在絲桿導(dǎo)軌上相應(yīng)地前進與后退，實現(xiàn)毛刷與碗形容器的前后反復(fù)刷洗。

4.4 旋轉(zhuǎn)電機

旋轉(zhuǎn)電機采用步進電機，將輸出軸與減速齒輪1鏈接，減速齒輪2與毛刷的旋轉(zhuǎn)軸固定，實現(xiàn)將步進電機的動力傳遞給毛刷的旋轉(zhuǎn)軸，同時利用減速齒輪將轉(zhuǎn)速降低到合適的速度。工作時控制器控制步進電機反復(fù)地正反轉(zhuǎn)驅(qū)動毛刷實現(xiàn)毛刷的反復(fù)刷洗，保證碗形容器的刷洗效果。

4.5 毛刷及噴水孔

毛刷采用空心軸的結(jié)構(gòu)，并在刷頭一端加工數(shù)個噴水小孔，尾端的空心軸部分與毛刷旋轉(zhuǎn)軸連接，沖洗用水通過旋轉(zhuǎn)軸和毛刷的空心部分進入毛刷內(nèi)部后再通過毛刷上的噴水孔噴出，實現(xiàn)了沖洗與刷洗相結(jié)合[5]。

5 控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)

控制系統(tǒng)（如圖3）的輸入由距離傳感器、絲桿導(dǎo)軌行程開關(guān)信號以及電機反饋信號等組成，單片機通過設(shè)定的程序?qū)Σ杉降男盘栕龀鱿鄳?yīng)的指令，實現(xiàn)馬桶的智能化控制。步進電機控制部分采用TB6600型步進電機驅(qū)動器，該驅(qū)動器能提供32細分，半自動電流鎖定功能，輸入端為共陽單脈沖接口。因此，在控制步進電機時，只需用單片機給驅(qū)動器的PUL接口輸入一定頻率（控制電機速度）和一定數(shù)量（控制電機步數(shù)）的脈沖即可。驅(qū)動器的DIR接口能控制電機正反轉(zhuǎn)。這樣一來，當(dāng)觸發(fā)清洗功能時，單片機便能按預(yù)定程序，控制步進電機，進而控制執(zhí)行機構(gòu)完成指定的功能。狀態(tài)顯示燈根據(jù)馬桶當(dāng)前工作狀態(tài)確定顯示顏色，讓使用者能夠根據(jù)顯示燈的顏色判斷馬桶當(dāng)前是否工作或者出現(xiàn)異常情況與故障等。

圖3 控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

6 智能機械馬桶整體分析

6.1 用水量

本研究的計算公式[6]定義如下：

V1=Q × t1，V2=Q × t2，V=(V1× N+V2)/(N+1)

其中，V1為單次小便沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)值）；Q為馬桶流速；t2為單次小便沖水時間；V2為單次污物沖水量（普通馬桶和節(jié)水馬桶直接讀取相關(guān)值）；t2為平均單次污物沖水時間；V為平均單次用水量；N為人體平均每日排尿次數(shù)。

經(jīng)實驗統(tǒng)計及資料調(diào)查，Q=0.3 L/s，t1=0.7 s，t2=13 s，N=5 可求得：

普通馬桶：V1=6 L，V2=8 L，V=6.4 L

節(jié)水馬桶：V1=4 L，V2=8 L，V=4.3 L

智能機械馬桶：V1=2 L，V2=4 L，V=2.3 L

6.2 耗電量

智能機械馬桶采用了智能化控制，電機的驅(qū)動、單片機的工作和顯示燈都需要電力驅(qū)動。對于耗電量的計算公式[7]定義如下：

P1=U2× I2× t2，P4=U4× I4× t4，P=P1+P2+P3×3+P4×2+P5

其中，P1為絲桿導(dǎo)軌裝置功率；P2為單片機工作功率；P3為單個顯示燈額定功率；P4為步進電機額定功率；P5為電磁閥額定功率；P為總功率；t2為絲桿導(dǎo)軌每小時工作時間；t4為步進電機每小時工作時間。

經(jīng)實驗統(tǒng)計及資料調(diào)查，由P1=6 W，P2=0.18 W，P3=2.6 W，P4=4 W，P5=6 W計算求得：

P=16.5 W

表1 馬桶各參數(shù)分析

6.3 智能化程度

智能機械馬桶采用了單片機控制系統(tǒng)，通過傳感器的信號采集使馬桶更加智能化，自動開啟關(guān)閉馬桶蓋、自動控制沖水過程以及自動清洗容器等都使馬桶變得更加自動化。

7 結(jié)束語

智能機械馬桶通過機械機構(gòu)與單片機控制相結(jié)合，將傳統(tǒng)的沖洗方式替換成更加節(jié)水的刷洗方式，使馬桶變得節(jié)水與智能化。

智能機械馬桶相對于傳統(tǒng)馬桶所具有的優(yōu)勢如下：

1）將平均每次用水量[8]降低到2.3 L，極大地減少了用水量。

2）利用單片機實現(xiàn)結(jié)構(gòu)控制與信息反饋，將馬桶的運行情況實時地反映給使用者，使馬桶變得智能化。

3）采用了雙搖桿機械結(jié)構(gòu)，讓馬桶避免了傳統(tǒng)馬桶所出現(xiàn)的堵塞問題。

4）智能機械馬桶采用機械機構(gòu)來實現(xiàn)功能，便于馬桶的后期維護與維修。

[1]黃彥哲.節(jié)能節(jié)水馬桶研究[J].科技創(chuàng)新與應(yīng)用，2014（03）:36.

[2]孫開元.常見機構(gòu)設(shè)計及應(yīng)用圖例[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2013.

[3]趙戰(zhàn)鋒.基于UGNX的馬桶節(jié)水機構(gòu)設(shè)計研究[J].機械設(shè)計與制造工程，2013（1）:83-85.

[4]李彩.對陶瓷衛(wèi)浴產(chǎn)品節(jié)水方式的思考[J].藝術(shù)科技，2014，27（2）:259.

[5]李軍.渦旋噴射節(jié)水馬桶的系統(tǒng)設(shè)計與分析[J].機械設(shè)計與制造，2015（06）:134-137.

[6]馬亮.馬桶沖洗過程的流體力學(xué)模型[J].水動力學(xué)研究與進展，201419（6）:783-787.

[7]曾令全.電機學(xué)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2010.

[8]蘇彥勛.流量檢測技術(shù)[M].北京：中國質(zhì)檢出版社，2012.