劉曉龍, 龐文武, 姚洽東, 沈大偉, 曹旭, 柴承文

(北京印刷學(xué)院機(jī)電工程系,北京 102600)

隨著包括社交網(wǎng)站在內(nèi)的手機(jī)的多種用途的引入,人們對(duì)手機(jī)越來(lái)越上癮。 大多數(shù)人攜帶該設(shè)備到可能存在病原微生物的地方,使該設(shè)備成為一種污染物[1]。 對(duì)于大多數(shù)人來(lái)說(shuō),沒(méi)有手機(jī)的生活是不可能完成的任務(wù)。 例如在與衛(wèi)生保健服務(wù)有關(guān)的各種活動(dòng)中,衛(wèi)生保健人員曾多次觸摸他們的手機(jī)。 因此手機(jī)也被發(fā)現(xiàn)受到各種微生物的污染[2]。

電子產(chǎn)品屏幕的清潔度在一定程度上影響著電子設(shè)備的使用體驗(yàn),更重要的是,屏幕的健康對(duì)用戶(hù)的健康也有很大的危害。 根據(jù)研究[3],手機(jī)每平方厘米含有120,000 個(gè)細(xì)菌,而整個(gè)手機(jī)含有數(shù)百萬(wàn)個(gè)細(xì)菌。 因此,清洗電子產(chǎn)品的屏幕是大家需要了解和注意的事情。 而用戶(hù)會(huì)發(fā)現(xiàn)的是,電視、電腦經(jīng)過(guò)一段時(shí)間的使用后,顯示屏?xí)e累污漬,不僅影響屏幕的顯示效果,還會(huì)影響外觀的美觀度[4]。

作為最新的時(shí)尚趨勢(shì),全屏已經(jīng)成為高端手機(jī)的基本配置。 一個(gè)產(chǎn)業(yè)的崛起必然會(huì)帶動(dòng)其他產(chǎn)業(yè)的經(jīng)濟(jì)發(fā)展,就像手機(jī)產(chǎn)業(yè)帶動(dòng)了圍繞手機(jī)的一系列產(chǎn)業(yè),如電子制造業(yè)和軟件工程產(chǎn)業(yè)。 而屏幕清潔業(yè)也在飛速發(fā)展[5]。

武漢東湖學(xué)院余華[6]提出了一種手機(jī)屏幕清潔裝置,通過(guò)吸盤(pán)以及滑塞筒抽氣裝置,將手機(jī)固定,避免清理手機(jī)時(shí)手機(jī)晃動(dòng)導(dǎo)致清理不干凈,通過(guò)電推桿使得擦拭板與手機(jī)屏幕貼合推動(dòng)完成清潔。 該產(chǎn)品實(shí)現(xiàn)了屏幕的固定清潔,避免了皮膚與清潔劑的接觸。 發(fā)明人許津元[7]提出了一種便攜式手機(jī)屏幕清潔器,通過(guò)凹槽、連接板、伸縮彈簧的組合,將連接板拉入凹槽內(nèi),減小裝置的占用空間,使裝置便于攜帶。 雖然市場(chǎng)上的屏幕清潔器五花八門(mén),但是能夠適用于生活中,能夠提高屏幕的清潔度,同時(shí)經(jīng)濟(jì)適用,便于攜帶的屏幕清潔器并無(wú)先例。 因此設(shè)計(jì)手握式屏幕清潔器,可以實(shí)現(xiàn)適用于生活中對(duì)屏幕清潔的需求,具有很高的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。

1 手動(dòng)屏幕清潔器裝置功能需求分析

本裝置是基于閥門(mén)和修正帶的思維方式而提出的便攜式屏幕清潔器,裝置包括設(shè)計(jì)在上部的消毒瓶裝置和中部的閥門(mén)裝置以及位于下部的清潔布裝置,消毒瓶?jī)?chǔ)存清潔液,閥門(mén)裝置進(jìn)行清潔液的控制,下部分包括清潔布和球體、輪軸、以及滾輪。 即裝置可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)供液,清潔液流量控制,清潔液涂敷,臟污刮除等功能。

在進(jìn)行清潔工作時(shí),按動(dòng)閥桿來(lái)釋放適當(dāng)清潔液對(duì)清潔布進(jìn)行潤(rùn)濕,當(dāng)清潔布潤(rùn)濕后松開(kāi)閥桿,然后將清潔器放在需要清潔的屏幕上移動(dòng)擦拭,實(shí)現(xiàn)對(duì)屏幕進(jìn)行清潔。 當(dāng)污漬沾染到清潔布上后,清潔液可以對(duì)污漬進(jìn)行分解和清潔,同時(shí)清潔布有一定的厚度,而且輪軸本身外部有一定的柔軟度,可以使清潔的時(shí)候增大清潔面積,移動(dòng)裝置在需要清潔的屏幕上進(jìn)行清潔,本裝置通過(guò)非接觸式釋放清潔液的方式清理手機(jī)屏幕,可使手部皮膚不受清潔液的刺激損傷,且本產(chǎn)品在使用的時(shí)候較方便,同時(shí)手握式屏幕清潔裝置也可提高屏幕清潔的效率。

2 手動(dòng)屏幕清潔裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

手動(dòng)屏幕清潔器,是通過(guò)非接觸式釋放清潔液的方式清理手機(jī)屏幕,推動(dòng)裝置的同時(shí)打開(kāi)閥門(mén)并釋放清潔液至滾輪上的清潔布進(jìn)行清潔工作,位于裝置后端的硅膠刮板將廢液刮干凈。 本裝置包括清潔液瓶機(jī)構(gòu)、手動(dòng)閥門(mén)機(jī)構(gòu)、清潔滾輪機(jī)構(gòu)。

清潔液瓶機(jī)構(gòu)位于裝置的上端,水瓶瓶口的螺紋和普通的直通螺紋不一樣,瓶口旋轉(zhuǎn)到頂?shù)臅r(shí)候有個(gè)自鎖設(shè)計(jì)。 瓶口和瓶蓋內(nèi)圈中一圈凸起咬合,加上這個(gè)區(qū)間螺紋傾斜,可達(dá)到密封作用,防止水漏出。 瓶中專(zhuān)門(mén)的消毒液對(duì)電子屏幕進(jìn)行殺菌消毒的處理,而且清潔液能快速消除液晶屏幕上的污漬和灰塵,并可減小靜電。

手壓彈簧節(jié)流閥門(mén)機(jī)構(gòu)位于裝置的中部,由墊片、閥蓋、閥桿、閥體、閥瓣構(gòu)成。 閥門(mén)的節(jié)流元件閥瓣可改變閥門(mén)的節(jié)流面積達(dá)到調(diào)節(jié)流量和壓力的目的。 當(dāng)進(jìn)行清潔工作時(shí),按壓閥桿,閥瓣在彈簧力的作用下打開(kāi),根據(jù)按壓的壓力不同,閥瓣打開(kāi)的程度不同,既可調(diào)節(jié)流量大小,控制出水口的水量;裝置不工作時(shí),出口壓直接傳遞到膜片下方,與彈簧形成對(duì)抗,使閥瓣關(guān)閉切斷通水。

清潔滾輪機(jī)構(gòu)位于裝置的底端,由滾輪、清潔布、輪軸、擋水板、刮板組成。 當(dāng)裝置工作時(shí),清潔液釋放到裹著清潔布的滾輪上,同時(shí)清潔布采用獨(dú)特的纖維結(jié)構(gòu),使用它更不會(huì)對(duì)屏幕造成損傷,隨著推動(dòng)裝置,刮板刮掉污漬,完成清潔工作。

圖1 手動(dòng)屏幕清潔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 清潔滾輪幾何特征示意

3 運(yùn)動(dòng)學(xué)分析

3.1 清潔圈數(shù)及所需時(shí)間建模

根據(jù)屏幕尺寸,可得手機(jī)屏幕表面積:

S1= L × d1(1)

其中L為手機(jī)屏幕的長(zhǎng),d1為手機(jī)屏幕的寬。

滾輪外層表面積:

S2=2πr × d2(2)

其中r為滾輪的半徑,d2為滾輪的寬度,n為清潔屏幕所需圈數(shù)。

假設(shè)滾輪轉(zhuǎn)一圈時(shí)間為t,則清潔屏幕共需時(shí)間為nt,由此可以根據(jù)清潔屏幕的面積大小,計(jì)算清潔所用的時(shí)間。

3.2 孔的流速流量建模

以清潔液瓶口為0 勢(shì)能面和第一參考面,以液面為第二參考面,繪制能量方程分析示意圖如圖4。

圖4 清潔液流動(dòng)狀態(tài)分析示意

取圖中的0-0 和1-1 參考面,列伯努利方程:

其中

ξc為孔口出流局部流動(dòng)阻力系數(shù)。由連續(xù)性方程可得

整理為

A1為容器的截面積,代入式(4)得

或

當(dāng)A1?A0,并注意到,則得α0≈1,則得

因此通過(guò)孔口流量為

式中Cd=C0Cv;A為孔口的面積;Δp=p1-p2,為孔口前后的壓強(qiáng)差,綜上可得流量系數(shù)和流速系數(shù)分別為

若容器上部為自由液面,即p1=p0,小孔自由出流,Δp=0,于是有

可知出流流量與下列系數(shù)ξ0、C0、Cv和Cd有密切關(guān)系。 通過(guò)測(cè)量液面高度,即可計(jì)算出液體的流速;通過(guò)測(cè)量不同閥門(mén)開(kāi)度和液面高度,即可計(jì)算出流量大小。

3.3 節(jié)流閥功能計(jì)算

使用Ansys Fluent18.0 對(duì)清潔液的自動(dòng)涂敷流量進(jìn)行了仿真,其中閥門(mén)的總開(kāi)度為6.3mm。

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度分別為1.575mm 的情況下,速度云圖和壓力云圖分別如圖5,圖6 所示:

圖5 開(kāi)度1.575mm(1/4 開(kāi)口)速度云圖

圖6 開(kāi)度1.575mm(1/4 開(kāi)口)壓力云圖

由速度云圖仿真結(jié)果可知:出入口位置處的液體的流動(dòng)速度波動(dòng)幅度較大,中下部位置處的液體流動(dòng)速度較為平緩;由壓力云圖仿真結(jié)果可知:出入口位置處的液體壓力變化幅度較大,中下部位置處的液體壓力變化幅度較為平緩。

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度分別為3.15mm 的情況下,速度云圖和壓力云圖分別如圖7,圖8 所示:

圖7 開(kāi)度3.15mm(1/2 開(kāi)口)速度云圖

圖8 開(kāi)度3.15mm(1/2 開(kāi)口)壓力云圖

由速度云圖仿真結(jié)果可知:在出口位置,速度發(fā)生方向和大小的劇烈變化,出現(xiàn)因湍流而形成的旋渦,在入口和中上部液體流動(dòng)速度無(wú)明顯波動(dòng);由壓力云圖仿真結(jié)果可知:在出口位置,壓力發(fā)生方向和大小的劇烈變化,出現(xiàn)因湍流而形成的旋渦,在入口和中上部液體壓力無(wú)明顯波動(dòng);

當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度分別為4.725mm 的情況下,速度云圖和壓力云圖分別如圖9,圖10 所示:

圖9 開(kāi)度4.725mm(3/4 開(kāi)口)速度云圖

圖10 開(kāi)度4.725mm(3/4 開(kāi)口)壓力云圖

由云圖仿真結(jié)果可知:出入口位置的液體的流動(dòng)速度有輕微變化,在中部無(wú)明顯波動(dòng);出入口位置的液體壓力出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,但在中部無(wú)明顯波動(dòng)。

由此可見(jiàn),隨著開(kāi)度的增大,液體的流動(dòng)速度和壓力會(huì)更加趨于穩(wěn)定,同時(shí),當(dāng)開(kāi)度較小時(shí),液體速度和壓力會(huì)發(fā)生方向和大小的劇烈變化,出現(xiàn)因湍流而形成的旋渦,造成出口的液體流速不穩(wěn)的情況。

隨著有限元軟件的發(fā)展,為節(jié)流閥閥瓣節(jié)流面設(shè)計(jì)帶來(lái)了更精確的方法,同時(shí)通過(guò)有限元求解對(duì)閥門(mén)不同開(kāi)度下的流量進(jìn)行整合分析得到節(jié)流閥流量特性曲線,從而可以直觀地反應(yīng)該閥門(mén)的流量調(diào)節(jié)性能,滿(mǎn)足使用要求。 通過(guò)對(duì)節(jié)流閥流量特性曲線的有限元分析,確定了流量特性曲線的一般分析方法,為閥門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)給出了改進(jìn)方向,大幅縮短了研發(fā)周期。 仿真分析的結(jié)果與理論計(jì)算的出口流量結(jié)果如圖11 所示。

圖11 理論計(jì)算與仿真分析的流量結(jié)果對(duì)比

由上圖可知:隨著閥門(mén)開(kāi)度的增大,閥門(mén)出口的流量也會(huì)線性增長(zhǎng),因此可以得出閥門(mén)開(kāi)度與流量的線性關(guān)系,同時(shí)可由圖11 推測(cè),當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度位于2.52mm 及5.67mm 附近,會(huì)產(chǎn)生一定波動(dòng),有可能與上文提到的旋渦有關(guān);也可推斷出,當(dāng)開(kāi)度較小或較大時(shí),仿真流量與理論流量會(huì)有一定偏差。 當(dāng)閥門(mén)開(kāi)度處于1/2 開(kāi)度和4/5 開(kāi)度之間,開(kāi)度與流量的線性關(guān)系會(huì)更加明顯,實(shí)際流量與預(yù)測(cè)流量的偏差會(huì)越來(lái)越小,而預(yù)測(cè)也更加準(zhǔn)確。

4 模擬試驗(yàn)分析

4.1 試驗(yàn)工作原理

本裝置采用消毒水瓶機(jī)構(gòu),手動(dòng)閥門(mén)機(jī)構(gòu),清潔滾輪機(jī)構(gòu)達(dá)到安全衛(wèi)生高效清潔電子屏的效果,將該屏幕清潔器水平放置在電子顯示屏上(如圖12 所示),通過(guò)人為推動(dòng)清潔器行進(jìn)來(lái)達(dá)到清潔的目的,在裝置的行進(jìn)過(guò)程中,清潔器頂端的消毒水瓶中的清潔液通過(guò)手動(dòng)閥門(mén)機(jī)構(gòu)傳輸?shù)角鍧嵠鞯锥擞|電子屏幕的滾輪清潔布上,推動(dòng)裝置,滾輪上的清潔布在屏幕上滑動(dòng),清潔屏幕。 當(dāng)停止清潔工作時(shí),通過(guò)按壓閥門(mén)機(jī)構(gòu),閥瓣在彈簧力的作用下與出口壓形成對(duì)抗,使閥瓣關(guān)閉切斷輸入清潔液。

圖12 手動(dòng)屏幕清潔器模擬工作圖

4.2 實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)處理

已知滾輪半徑r=52.8/2=26.4mm,滾輪寬度d2=20mm,以寬為d1=150mm,長(zhǎng)為L(zhǎng)=240mm 的平板電腦為例,則有式(3)可得屏幕清潔器清潔該屏幕所需的圈數(shù)為

設(shè)清潔器清潔速度為v=50mm/s,則清潔一圈所需時(shí)間為

則清潔共需時(shí)間

nt =3.3×10.85=35.805s

根據(jù)v×d2×Δ=qv,其中Δ為液面厚度、v為滾輪移動(dòng)速度、d2為滾輪寬度、qv為流量,同時(shí)由上文仿真結(jié)果可知,流量與閥門(mén)開(kāi)度呈線性相關(guān)。

通過(guò)實(shí)驗(yàn)測(cè)量液面厚度及對(duì)應(yīng)開(kāi)度和流量,并將實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)代入Matlab 分析得:隨著閥門(mén)開(kāi)度和液面厚度的增大,流量也會(huì)隨之增大,同時(shí)也說(shuō)明,在滾輪移動(dòng)速度和寬度確定的情況下,流量與液面厚度和閥門(mén)開(kāi)度均具有線性關(guān)系。 根據(jù)液面厚度和開(kāi)度推測(cè)流量大小,利用節(jié)流閥來(lái)實(shí)現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。 清潔液流量與閥口開(kāi)度、液膜涂敷厚度的關(guān)系如圖13 所示。

圖13 出口流量與閥口開(kāi)度、屏幕涂敷液膜厚度的關(guān)系圖

5 結(jié)論

工作狀態(tài)時(shí)的屏幕清潔器,通過(guò)操作可以看出行進(jìn)間通過(guò)清潔器底端的清潔滾輪的向前運(yùn)動(dòng)可以達(dá)到清潔電子屏的效果,通過(guò)往復(fù)多次的擦拭可以去除屏幕上的大部分污垢,清潔效果良好。 但裝置在清潔過(guò)后,屏面仍有少量清潔液未干燥,使得在清潔過(guò)后要自然風(fēng)干一段時(shí)間,待屏幕干燥后方可使用。 這在一定程度上影響了使用者的清潔效率。 同時(shí)可以通過(guò)控制閥門(mén)來(lái)控制清潔液的量,這使得使用后屏幕殘余清潔液達(dá)到最少化。 通過(guò)推動(dòng)屏幕清潔器,按壓清潔液閥桿閥門(mén),可以達(dá)到人體零接觸清潔液的清潔效果。 對(duì)手部皮膚衛(wèi)生以及屏幕清潔度都有了很大的保障。

基于上述分析,對(duì)屏幕清潔裝置有了一個(gè)比較客觀全面的認(rèn)識(shí)。 手握式屏幕清潔器,首先面向的就是所有電子產(chǎn)品的用戶(hù)。 手握式屏幕清潔器實(shí)現(xiàn)了清潔劑涂敷與清潔操作一體化,隨用隨取的清潔劑存儲(chǔ)方式。 同時(shí)通過(guò)簡(jiǎn)化結(jié)構(gòu)以及材料的選擇來(lái)降低制造成本,使價(jià)格面向大眾,有更高的經(jīng)濟(jì)適用性。 但是手握式屏幕清潔器的缺點(diǎn)也顯而易見(jiàn),體積過(guò)大還是不便于攜帶,同時(shí)清潔纖維布的使用和更換也存在著缺陷。 我們會(huì)進(jìn)一步研究,減小手握式屏幕清潔器的體積,使其方便攜帶,并且進(jìn)一步降低成本,讓更多人可以使用。 清潔纖維布的使用和更換在清洗和拆卸的流程,我們會(huì)研究簡(jiǎn)化流程。 我們小組將繼續(xù)研究改進(jìn),提高手握式屏幕清潔器的經(jīng)濟(jì)適用性并且簡(jiǎn)化流程,最終實(shí)現(xiàn)它的社會(huì)經(jīng)濟(jì)價(jià)值。