感應(yīng)式皂液器方案設(shè)計

1 引言

從新冠疫情爆發(fā)開始，人們對個人衛(wèi)生越來越注重，也更關(guān)注公共場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。尤其是感應(yīng)皂液器，相比以往的按壓式，無需接觸的使用方式獲得了極大的認(rèn)可。目前市場上的感應(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)相對簡單，泡沫型皂液器由于需要?dú)獗玫募尤?，并對液體濃度有一定要求，因此結(jié)構(gòu)相對復(fù)雜。但是由于泡沫型皂液無論從潔凈效果，使用手感還是從視覺效果上來說都優(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

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

2.1 皂液泵類型選擇

感應(yīng)式皂液器一般用于公共場所，使用壽命長達(dá)5年以上，使用次數(shù)按行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)要求大于20萬次。感應(yīng)式皂液器的核心是皂液泵，皂液泵目前市場上常見的有以下幾類，分別為活塞泵，隔膜泵，蠕動泵，齒輪泵。

活塞泵通過活塞往復(fù)運(yùn)動將皂液從容器內(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，從五萬次以后出液量會出現(xiàn)較大偏差，整體的壽命也很難達(dá)到十萬次以上。難以滿足產(chǎn)品需求。

隔膜泵通過電機(jī)轉(zhuǎn)動，帶動膜片起伏，從而產(chǎn)生正負(fù)壓差來吸入和排出皂液和空氣。通過泵的腔體數(shù)量和體積來控制出液量和空氣配比，出液量的多少由帶動膜片的電機(jī)轉(zhuǎn)動時間決定。膜片的壽命決定了隔膜泵的壽命，基本也較難達(dá)到十萬次。

蠕動泵通過凸輪對管道的擠壓，形成正負(fù)壓來吸入和排出皂液。凸輪轉(zhuǎn)動次數(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)十萬次。

齒輪泵通過和箱體緊密配合的齒輪轉(zhuǎn)動形成真空來吸入和排出皂液。齒輪轉(zhuǎn)動多少決定了出液量的多少。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)十萬次。

對比需求，蠕動泵和齒輪泵更符合需求。經(jīng)過分析比較，選型齒輪泵作為最終方案。

2.2 泵體方案設(shè)計

泵體設(shè)計分為兩個部分，一個是皂液腔，一個是電機(jī)驅(qū)動傳動箱。皂液腔包含腔體大小和嚙合齒輪的設(shè)計，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) 單次出液時間。每次使用的時候，出液時間應(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：齒數(shù)為8，模數(shù)為1，齒寬為5，得到V=80πmm³。

傳動箱的設(shè)計由以下因素決定：

1) 電機(jī)扭矩和轉(zhuǎn)速。電機(jī)轉(zhuǎn)速需要通過傳動箱調(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，傳動箱的直徑不能超過電機(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：電機(jī)使用兩級傳動結(jié)構(gòu)，第一級采用了2:1齒比，第二級采用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，紅外感應(yīng)器捕捉到使用者手部接近動作后，將信號傳輸至主控板，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

在齒輪泵的測試和應(yīng)用過程中，發(fā)現(xiàn)隨著時間推移，使用次數(shù)的增加，出液量也會隨之變化，偏差值可以超過20%以上，例如初始值為20的出液量，經(jīng)過一段時間的使用之后，可能會變成16或17，影響使用體驗。因此，如何保證每次出液量的恒定，成為衡量皂液器質(zhì)量可靠性的一個重要指標(biāo)，也是影響該產(chǎn)品使用體驗的重要因素。

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)定性等三個方面，針對這些因素準(zhǔn)備對應(yīng)的幾組樣品來進(jìn)行測試并嘗試尋找規(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)主要零件為一對嚙合齒輪，泵體，蓋板，軸。從成本角度出發(fā)，除了軸之外，無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，最后通過對比最后選用了聚甲醛（POM）作為齒輪，泵體和蓋板的材料。通過將皂液泵進(jìn)行壽命測試，并在開始前和結(jié)束后拆解并測量關(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。

3.2 皂液濃度

將濃縮皂液進(jìn)行不同比例的稀釋，得到不同濃度的皂液，并進(jìn)行測試，得出下表。由結(jié)果可見，皂液濃度對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)動電機(jī)的電源設(shè)置到不同檔位，模擬實際使用過程中的不穩(wěn)定性，得出下表。由結(jié)果可見，電源電壓對出液量影響很大，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)的工作時間，其中檔位1工作時間214ms，檔位2為296ms，檔位3為376ms，檔位4為458ms。

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

1）各個檔位下，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)工作時間）的擬合關(guān)系。

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

因此，在實際使用中，可以通過矯正電機(jī)工作時間的方式，來實現(xiàn)對出液量的控制，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際測試，測試數(shù)據(jù)見下表：

表2  校正后測試數(shù)據(jù)匯總表

校正后，各個檔位下皂液量與電壓的關(guān)系圖。

由結(jié)果可見，校正模型基本正確。通過對于不同產(chǎn)品的重復(fù)測試，也驗證了此校正模型的通用性，在此不再贅述。

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

此矯正方式基于測量結(jié)果，和產(chǎn)品設(shè)計參數(shù)息息相關(guān)。產(chǎn)品設(shè)計調(diào)整影響需要重新測試對模型進(jìn)行調(diào)整。如果對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，可以考慮簡化校正模型，使用統(tǒng)一的校正公式并將其進(jìn)行位移來得到不同檔位下的校正模型。

4  應(yīng)用展望

目前，越來越多的產(chǎn)品正在從傳統(tǒng)型向智能型轉(zhuǎn)變。越來越多的家用商用電子產(chǎn)品通過物聯(lián)網(wǎng)（IoT）實現(xiàn)了遠(yuǎn)程訪問和控制。皂液器也可以通過遠(yuǎn)程訪問來進(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獲取。這些方法雖然都較為可靠，但是對于產(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，通過穩(wěn)定的控制出液量，可以精確的計算出已經(jīng)使用的皂液量，從而得出剩余皂液量，并直接通過控制系統(tǒng)連接物聯(lián)網(wǎng)進(jìn)行上報，通過應(yīng)用通知到用戶。這種方式可以有效控制產(chǎn)品成本，并簡化產(chǎn)品的結(jié)構(gòu)和電子部分的設(shè)計難度。

5 結(jié)束語

本文從市場需求出發(fā)，完成了皂液泵選擇及泵體方案設(shè)計，主要通過分析，建模，測試的方式將如何穩(wěn)定控制皂液器的出液量的方法進(jìn)行分享。在不同的實際設(shè)計應(yīng)用過程中會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)計要求。

文章來源：  《上海輕工業(yè)》   http://www.12-baidu.cn/w/kj/30978.html