机械式自动关火器设计

余江 耿其东 耿凡昌

摘 要：使用机械原理及控制工程原理设计出一种机械式自动关火器，该装置可以实现智能调节、开启/关闭燃气灶的开关。本装置采用与控制程序结合实现准确的调整或关闭燃气灶开关，给人们的生活带来极大的方便，也为广大家庭降低因忘记关闭燃气灶而引发的安全问题。

关键词：机械式；智能调节；关火器

人们在使用燃气灶或厨房电器烧菜煮饭时经常会碰到忙不过来或是离开厨房忘了关闭锅灶上的火的情况，这一现象存在一定的弊端和安全隐患。煮的时间太长造成食物过火太烂或干烧，对于燃气灶没留意时会让锅里的汤水溢出浇灭了火焰，造成燃气泄漏等危险的发生。我国每年因燃气灶干烧引发的大小型事故不在少数，这些事故常常会引起巨大的财产损失，甚至危及生命安全，是用户最大的痛点所在。日本从2008年起要求必须安装防干烧传感器，韩国在2011年强制要求灶具具备防干烧功能。[12]经调研，现有灶具防干烧功能的实现方法主要有以下几种：

方法一：灶具生产厂家从内部构造方面设置防干烧功能。

2015年，海尔厨房电器发布首款智能防干烧燃气灶，其防干烧系统由防干烧探头、智能控制模块和燃气控制阀等部分组成。[1]

方法二：高校及各类研究机构从燃气灶内部增设了防干烧功能。

主要方法是利用单片机、PLC等控制装置，结合压力传感器、温度检测、热电偶、电磁阀等技术，开发相应的软件程序，对燃气灶进行改造，可实现自动点火、定时关火、火力调节、防干烧、防空烧等多功能。[34]

方法三：对已有燃气灶改造增加防干烧功能。

利用进气管道增加电磁阀，结合定时器使用，截断气源，起到定时关闭燃气的作用。[56]利用定时装置，模拟电池没电，依靠天然气表自己关闭燃气阀，达到定时自动关火的目的。[7]

以上方法中，方法一和方法二，都涉及到燃气灶内部的改造，以及气、电、机械、控制等多方面专业知识，需要专业人士才能够完成；方法三，是从外部进行改造，但又涉及私自改装燃气设备，容易引起漏气，从而导致危险事故的发生。本文设计了一种自动关火器，能实现自动开关和调整燃气灶开关，采用蓝牙连接，通过手机操作来设定开关火时间，可以实现无人看管自动调节火候的大小，到时自动关闭开关的功能。

1 工作原理

该装置不涉及到燃气灶内部的改造，该装置主要由程序盒、电机、减速机构等组成。由程序盒与电机相连来控制电机的工作状态，通过手机等电子设备连接程序盒可以实现燃气灶的定时调整、开、关等功能。当电机的输出转速从主动轴传入后，带动小齿轮转动，而小齿轮带动大齿轮运动，而大齿轮的齿数比小齿轮多，大齿轮的转速比小齿轮的慢，再由大齿轮的轴输出，从而可以实现输出减速的作用，从而实现对燃气灶的精确调整与关闭。

2 关火器基本结构

自动关火器结构简单，具体由以下几个部分组成，如右图所示：

（1）机架外壳（外壳3、支架6、夹紧机构7、锁紧头12）：其夹紧和支架作用。将支架6放到工作台上（即燃气灶前的平台上），移动支架6找到合适的安装位置，通过夹紧机构7固定位置，然后锁紧12完成安装，夹紧机构被构造来可拆卸地连接于灶台。

（2）程序控制及动力机构（程序盒5、马达4）：由程序盒5控制马达的开关及工作时间，程序可以通过蓝牙与手机连接，程序控制，程序控制被配置来根据预设模式操控传动件以控制动作件可选地开启或旋转开关，可以通过红外线、蓝牙、NFE、WIFI等技术实现通信连接，得以控制。

（3）减速机构（轴A、轴B、轴C、齿轮a、齿轮b、齿轮b1、齿轮c）：由马达带动轴A和齿轮a转动，小齿轮a带动大齿轮b转动实现初级减速，在轴B的作用下带动小齿轮b1转动，小齿轮b1转动带动大齿轮c转动实现再次减速，达到需要速度的要求。

（4）离合机构（卡槽11、锁紧头10）：通过卡槽11来实现打火和定时的分离，当点火时，松开锁紧头10使得轴C可以上下自由的移动，这使得打火变得方便快捷不需要拆卸就可以完成。

（5）点火机构（卡槽11、锁紧头10）：通过手动转动转盘2，在轴的作用下带动卡头9旋转，从而实现手动点火。

3 工作过程

3.1 安装

将自动关火器拿出，使主体机箱摆放到合适位置（既卡头9能与燃气灶开关结合的地方），调节卡头9，使卡头9能完全与燃气灶开关结合（即不发生相对的移动或者是旋转）。将夹紧机构7和锁紧头12装上去，通过移动夹紧机构7来找到最佳合适的位置，然后通过带有螺纹和支撑平面的旋转锁紧头12来固定锁紧，由于装置机体预先组装完成的这里不作详细安装步骤，所以只要把锁紧头12固定完成，整个装置的安装定位就基本完成。

3.2 点火

将控制卡槽的锁紧头10旋转松开，使卡槽11即与之一体转盘2和轴C能够自由的上升下降。由于卡头9与燃气灶开关事先做过紧密结合的处理，轴C与转盘2是通过键连接为一体的，因此使用者只需跟日常打火一样转动转盘2点火，通过轴传力给燃气灶开关，即可实现点火。将火候调整好后调节卡槽11的位置使之带动齿轮c上下移动到能与小齿轮b1结合，达到两齿轮间的拟合，使之能传递轴B上的运动，从而实现关火器的自动调节。

3.3 自动调节或自动关闭

在点好火过后，只需在手机上给程序盒下达命令，由程序盒来控制电机的运行与否，当接到程序盒传来的命令时，电机开始转动，从而带动轴A转动，通过由轴A、B、C和齿轮a、b、c组成的减速机构减速后带动卡头9（即燃气灶开关）转动，从而實现燃气灶火候大小的调整与关闭。

4 关键技术

4.1 传动方式

该装置采用齿轮传动，齿轮传动是指由齿轮副传递运动和动力的装置，它是现代各种设备中应用最广泛的一种机械传动方式。它的传动比较准确，效率高，结构紧凑，工作可靠，寿命长等优点。由于电机转动速度比较快，而调节燃气灶的开关只需要转动很小的幅度，因此运用大小齿轮的互相配合从而实现动力的传递和减速作用，运用齿轮传动，具有安全，稳定的优点，更加优化了自动关火器的性能。

4.2 智能化

采用程序定制、触屏控制器、远程控制、智能语音功能以及传感器等多功能为一体的装置：（1）程序定制，控制器设工作模式（比如：营养汤汁、中药熬煮、米粥、烧菜等）。预设每种模型的流程，自动计算，智能调節各个环节内容。（2）采用触屏控制，显示燃气灶的工作状态、进行时间、火力控制等。（3）安装摄像头，开发远程控制模块，使用手机app即可观察和控制燃气灶。（4）为眼神不好或不识字的老年人配备语音播报功能；具有警报提醒功能。（5）采用传感器，当灶头上没有放置锅具时，不能点火。或者灶头温度超过规定值时，控制器发出信号关闭旋钮开关，实现自动化、智能化的机械设计。

5 结语

该装置采用机械式设计完成，采用齿轮传动装置实现变速，齿轮传动具有传动功率和速度适用范围广等特点，使得整个装置传动效率高，工作可靠，使用寿命长，结构紧凑。又与现代科技结合，使用起来方便快捷，在安装与拆卸时也很方便，不需要专业的人员操作，使用者可轻松掌握安装与拆卸，方便快捷。在生产加工方面也非常的简单，不管是使用材料还是加工工艺都比较简单，相关配件在市场上可轻易购买，经济实惠。该装置的实用性非常的高。机械式防干烧智能关火器，是一款外加在燃气灶开关上的装置，功能齐全，结构巧妙，智能化程度高，适用于各类家用燃气灶。给广大家庭带来方便的同时也消除了厨房里的安全隐患，为千家万户的燃气灶使用者带来了福音。

参考文献：

[1]海尔发布首款智能防干烧燃气灶.新华网，2015.

[2]海尔防干烧燃气灶标准发布[J].电子质量，2017（12）：68.

[3]胡志强，等.基于单片机控制的燃气灶自动开关设计[J].科技广场，2014.4.

[4]刘博，等.基于MSP430的低功耗智能火力燃气灶节能模块[J].微型机与应用，2016.7.

[5]郝伯男.定时关火燃气灶[J].青少年科技博览，2005.12.

[6]周小生.一种防干烧燃气灶[P].CN200910099102.2009.

[7]陈曦.智能燃气控制器[J].农村青少年科学探究，2014.11.

项目支持：盐城工学院大学生创新创业训练计划项目校级项目——机械式防干烧自动关火器设计编号201810：江苏高校品牌专业建设工程资助项目（TAPP）

作者简介：余江（1996），男，贵州遵义人，现就读于江苏省盐城市盐城工学院机械优集学院大二年级，专业为机械设计制造及其自动化。