基于超声波团聚的机械式节水拖布桶研究

高梓航，王琰隆，樊林玉

（武汉理工大学 机电工程学院，湖北 武汉 430070）

1 项目背景

在生活中，拖布是清洁家庭、保持家庭卫生整洁必不可少的工具。现在市场上存在多种多样的拖布桶，清洗拖布基本上是将拖布在水中进行旋转，然后利用甩干装置将水甩干，从而实现拖布的清洗。

然而，现在的拖布桶普遍有一个缺点，即当脏的拖布进入清洗桶进行清洗后，桶里的水便充满了悬浮物，比如头发、灰尘，如果要彻底地清洗干净拖布则需要再次换水进行二次清洗。现在的拖布桶一次清洗使用水量较多，如果需要一个较好的清洗效果则需要多次进行换水清洗，对于水资源而言浪费严重。基于以上背景，我们项目组考虑设计一种装置，可以在清洗拖布的同时对水进行过滤，从而净化冲洗拖布的水，使其能够用于二次清洗，减少换水的次数，从而达到节约水的目的。

基于以上背景，本项目基于活塞式水泵的抽水原理以及超声波对小颗粒物质的促进聚沉作用、活性炭的吸附作用，结合机械结构，设计了一款新型节水拖布桶。将已经在技术上难以提高效率的问题转移至实际工作环境中，再次提高节水效率，促进水资源的可持续利用，为我国可持续发展战略做出贡献。

2 系统设计

2.1 整体结构设计

新型节水拖布桶整体结构如图1所示。拖布桶分外甩干部分和清洗部分，两个部分相互独立运作。清洗部分又分为活塞式水泵部分、可移动拖布平台、超声波团聚部分。

2.2 活塞式水泵结构设计

本项目拟设计一种可以利用人下压拖布的力进行抽水并净水的装置。活塞式水泵部分放置在拖布桶的一侧，出水口位于可移动拖布平台上方。

活塞式水泵运用活塞式抽水机的原理，利用活塞的移动来排出空气，活塞有两个阀门，下部阀门造成内外气压差而使水在气压作用下上升抽出，当活塞压下时，进水阀门关闭而排气阀门打开；当活塞提上时，排气阀门关闭，进水阀门打开，在外界大气压的作用下，水从进水管通过进水阀门从上方的出水口被压出。这样活塞在圆筒中上下往复运动，不断地把水抽出来。

水泵的管道上附有双层活性炭网对悬浮杂质比如头发等物质进行阻拦，第一层过滤网网孔较大，负责过滤大颗粒物质，防止堵塞；第二层网孔较小，负责吸附过滤小颗粒物质、油污等有机物。水流在经过活塞时会首先经过超声波发生器，这时细小颗粒会一部分团聚成大颗粒，这样活性炭网便可以对大部分颗粒物质进行阻拦。因为装置运行过程中水流一直不断上涌，所以杂质不会下沉而是停留在滤网上。

图1 新型节水拖布桶整体结构

2.3 可移动拖布平台结构设计

可移动拖布平台结构如图2所示。可移动拖布平台设计为可漏水结构，方便水快速通过，当拖布放置在平台上方的时候，通过用力下压拖布使平台旋转的同时向下移动，带动活塞式抽水泵的活塞移动，压缩平台底部的弹簧。停止用力，平台上移，活塞也上移。多次进行，从而在清洗的过程中将水泵入水泵进行清洁并且从上方清洗拖布，全方位清洗的同时达到清洁水的目的。

图2 可移动拖布平台结构

2.4 超声波团聚结构设计

因为水中有许多的细小颗粒，为了增强活性炭滤网的作用，需要设计一个装置使小颗粒物质团聚成大颗粒物质。利用超声波装置的团聚作用，超声波发生器放置在水桶的底部靠近水泵进水口的位置，通过外加电源对超声波发生器进行供电，充分利用超声波对煤泥水絮凝沉降的强化作用。超声的机械剪切及空化效应增加了煤泥颗粒的碰撞，增强了颗粒物化性质的一致性，促进了煤泥水的絮凝沉降。基于以上原理，流动的水中颗粒本身具有一定的动能，碰撞更加激烈，通过超声波促进这一碰撞，从而促进颗粒的沉降。超声波团聚结构如图3所示。

图3 超声波团聚结构

为了实现这一方案，根据论文实验数据进行研究，超声波对液体中颗粒的凝聚作用加强，在功率为45 W的超声波处理下，随着处理时间的增加，凝聚到一起的粒子团的粒径和数目明显增加，但此时空化作用也随着处理时间的增加而加强。

在功率为60 W的超声波作用下，液体中凝聚的颗粒增加，粒子团增多，但是此时超声波的空化作用的强度很大，大块粒子团很快由于空化作用而分散成较小的粒子团。

基于以上数据显示，功率为45 W时，凝聚的粒子团的粒径随时间增加一直增加，所以使用功率为45 W的超声波发生装置。

2.5 联动装置结构设计

为了使拖布在上下移动同时还能抽水，设计一个联动结构，结构位于活塞式抽水装置上方，在活塞杆的位置延伸出来一个固定结构，使用时与拖布进行固定，通过这样实现拖布与活塞杆的联动。

3 可行性分析

本项目基于超声波团聚小分子颗粒的扩展，舍弃原有的工作模式，革新了新的工作模式。其研究目前较少，相关成果的作品也较少。超声波团聚的技术应用较为广泛，本装置也应用了此技术。其他机械结构的设计主要为水泵结构及联动机构的设计，结构简单可行。与现有的拖布桶对比，本装置具有更多优点以及更强的适应性。现有的拖布桶虽结构简单，但无法实现节水的需求，造成水资源的浪费；本装置利用较为简单的原理及机构设计，在保证其结构不复杂的前提下，实现了节水的目的。节水的设计思路竞争力更强，节能减排效益也最佳。因此，本项目具有较大的可行性。

4 总结

本项目实现了结构、功能、应用方面的创新。通过联动式结构设计将活塞式抽水泵与可移动平台相结合，将人压拖把的功一部分转换为水泵抽水需要的能量。在清洗拖布的同时进行抽水。将活性炭网放入抽水泵中实现了在抽水的同时进行吸附过滤。在清洗的同时净水，提高水的利用率。

本项目主要利用水泵的原理、活性炭的吸附作用、超声波的团聚作用对拖布清洗桶中的水进行去污去尘，进而实现小部分水的循环利用，达到节水目的。该作品以极小的电能消耗，较大程度地减少了水资源的浪费，提高了拖布的清洗效率。本项目可主要用于家庭拖布清洗方面，可推广到住宅楼、出租屋、学校寝室、街边店铺、中小型商场等其他地方，具有广泛的应用前景。