！ Ｑ： ！ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 技术创新 桶装水助换器结构与动用① 郭展栩 陈钊麟 （广东省广州市执信中学 广东广州 ５１００８０） 摘要：研制了一种桶装水助挟器，采用铰链一杠杆夹紧机构（四连杆自动锁合系统）、涡轮蜗杆减速组，马连正反转电路系统．后备电源 电路等多种技术。留装置符合科学性，创新性，实用性．经济性、安全性等原则。结论桶装水助换器适应广大桶装水使用者的需要，具有的推 广和应用前景。 关键词：桶装水助换器 铰链一杠杆夹紧机构 涡轮蜗杆减速组 马达控制 中图分类号：ＴＳ９７ 文献标识码：Ａ 文章编号：１ ６７４—０９８Ｘ（２０１ ２）０ｌ（ａ）一００２３—０２ 引言 普遍存在，如何帮助体衰力弱群体顺利完 桶装水助换器为中学生自主创新发明 随着物质文明的高度发展，人们对健 成桶装水的更换已经成为当代社会一个现 研制的一款专门用来搬运及升降桶状重物 康的意识和对生活的要求不断提高，桶装 实的问题。为此研制出一种适合体衰力弱 的新型科技产品，用于协助更换桶装水。其 水、饮水机也应运地普及到普通老百姓的 群体、专门用来协助换水的自动化设备一 功能主要是通过铰链一杠杆夹紧机构（四连 日常生活。调查发现，无论是在家庭、学校， 桶装水助换器。它具有体型轻巧、使用方 杆自动锁合系统）、涡轮蜗杆减速电机组、 还是在公司、酒店，都能见到桶装水和饮水 便、操作简单、安全可靠、经济实用等优点。 马达正反转电路等系统来实现的。图ｌ为桶 机的身影。桶装水以其水质纯净甘醇、安全 坚信它将成为人们日常生活的辅助工具并 装水助换器结构示意图，图２为实物图。 卫生和使用方便，尤其在环境污染严重、生 为将来市场开拓了广阔的前景。 活饮用水水质欠佳的情形下，它已成为人 桶装水助换器具有如下功能、特点和 ２机械结构设计关键技术 们生活饮用水的重要来源。桶装水与人们 意义。 桶装水助换器的机械系统包括平衡稳 的日常生活具有密切联系。 （１）适用对象和使用范围广泛，适用于 定系统、铰链一杠杆夹紧机构、翻转机构。 由于标准桶装水比较重达２Ｏｋｇ，即使 老人、小孩、妇女、残疾人等主要弱势群体 ２．１平衡与稳定系统 小型装的重量也要ｌＯｋｇ，且饮水机的插口 和其他人群；该装置功能与叉车相似，在学 利用杠杆平衡原理、三角形的稳定性 位置较高，每次更换需要花力气和技巧。当 校、家庭、公司、酒店、医院，甚至工厂、车间 原理、四轮固定器、正方形底座以及底座前 需要更换桶装水的时候，由于体力制约，小 等地方，除了用于桶装水助换外，还可以应 侧的铁棒等组成了支架平衡系统，使助换 孩、女士、老人和体弱者等一般很难完成更 用到搬运或提升类似桶装水的桶状重物。 器不会因失去平衡而左右摇摆。 换过程。经调查发现，市面上未曾有桶装水 （２）造型简洁，设计轻巧，使用方便，操 以主支架为支点，涡轮蜗杆减速电机 助换器类产品销售。联想到作者在广州市 作简单，占用空间小。 组的前端（拉索）所在直线为水桶所受重力的 老人院当义工时目睹老人年迈体衰多病缺 （３）安全可靠，经济实用，维护简易，生 作用线所在直线（受到逆时针的力矩），后备 乏劳动力的无助情景，遂萌怜悯之心。当前 产成本低。 电源电路系统的后端所在直线为平衡力作用 社会人口结构趋向老年化，四个老人一对 线所在直线（受到顺时针的力矩），根据杠杆 夫妇一个小孩的“四二一家庭结构”模式的 １结构与原理 平衡原理，系统所受合外力、合力矩均为零， 图２桶装水助换器实物图 ｌ 图１ 桶装水助换器结构示意图 图３ 马达控制示意图 ①作者简介：郭晨栩（１９９２），男，原广东省广州市执信中学学生。 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ ２３ Ｑ Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 技术创新 使助换器在工作过程中保持平衡和稳定。 为了分担水平短横杆所受的拉力及主 支架在前后方向上的力，在活动的水平主杆 顶端及固定的竖直＿丰支架的 端这些薄弱 部位焊上了４５。不锈钢加强筋，提供一定的 支持力，使助换器既不会因为失去平衡而左 右摇摆，也不会由于重物过重而折断支架。 用四轮固定器，既增强了它的稳定性， 保证其不发生侧翻，又加强了它的灵活性， 在移动时更加方便。 底座采用正方形结构，让水桶的重心 恰好落在正方形底座的中心上，使本装置 可以自锁一一当蜗杆的导程角小于啮 合轮齿间的当量摩擦角时，机构具有自锁 性，可实现反向自锁，即只能由蜗杆带动蜗 轮，而不能由蜗轮带动蜗杆，如在其重机械 中使用的自锁蜗杆机构，其反向自锁性可 起安全保护作用。 ２．５可伸缩台架和轮子及其固定器 竖直的主支架通过伸缩杆可调节高 度，通过螺丝可固定；底座足够宽，可适用 于不同高度、不同款式、不同型号的饮水 机。底座安装四个轮子及固定器，以便于移 动和固定，既增强了它的稳定性，又加强了 饮水机前，以及把桶装水提升并插入饮水 机的进水接口。具体操作步骤如下： 调节助换器竖直主支架的高度，使夹 套略高于饮水机的进水接口； 将助换器轻推到放置桶装水的地方， 压下后轮的固定器，按住“降”键，使夹套下 降至适当的位置，通过调节夹套扣紧桶装 水； 按住“升”键，使铰链杠杆夹紧机构提 着水桶稍微上升一定高度（离开地面即可）； 松开后轮固定器，把助换器轻推到饮 水机前，再压下固定器，并按住“升”键，使 无论在行进过程中还是上升或下降过程中 它的灵活性和适用范围。 都能保持系统的稳定和平衡。 为避免助换器在没有负重时向后翻 ３电气设计关键技术 倒，在底座前侧支杆中填充了两对铁棒，使 桶装水助换器采用蓄电池供电，设计 整个装置在无重物状态下不会向后翻倒。 了马达控制电路，实现桶装水的自动上升 ２．２铰链一杠杆夹紧机构（四连杆自动锁合 和下降。 ． 系统）及翻转系统 ３．１马达正反转电路系统 采用“铰链一杠杆夹紧机构”（四连杆自 马达采用开关互锁式正反转控制电 动锁合系统），“机械夹手”、“快速扣”等作为 路，工作时只能向一个方向转动，带动系统 本款桶装水助换器的夹紧装置和翻转系统。 Ｅ升或下降，电路设计图如图３所示。 “铰链一杠杆夹紧机构”是利用杠杆原 ３．２电源系统 理将杠杆系通过固定铰链和活动铰链组成 本装置采用１２Ｖ镍氢蓄电池装置。 的夹紧机构，也称“肘杆夹紧器”，自锁条件 查阅资料发现，ＮｉＭＨ充电器采用△ 是手柄杠杆与连接板共线。本桶装水助换 ｄｆ方法终止充电，是目前ＮｉＭＨ电池充电的 器正是采用了“铰链一杠杆夹紧机构”（四连 最好办法。ＮｉＭＨ电池充电结束时电压下降 杆自动锁合系统），通过水桶自重和拉索上 比较小，而对低充电速率（低于０．５Ｃ）不 提所产生的力的效果，将四连杆拉长，使夹 现电压下降。 持部位的夹持力更大，增加了摩擦力，从而 新的ＮｉＭＨ电池会在充电周期内过早 起到自动锁合的作用。 地出现错误峰值，这会导致充电器过早结 ２．３翻转系统 束充电。此外，单用一△ 检测结束充电几 翻转系统主要由“机械夹手”、“快速 乎肯定会出现过充，导致在电池失效前限制 扣”等部件构成。其中，“机械夹手”可通过 充放电次数。似乎没有在所有条件下（新或 螺丝调节松紧度，以适用于不同规格的水 旧，热或冷，全部或部分放电）都适用的 桶；“快速扣”则安全方便，扣紧后能有效防 ＮｉＭＨ电池的ｄ ｄ￡充电算法。因此，除非 止机械夹手松开。 ＮｉＣｄ充电器使用了ｄＴ／ｄｔ方法终止充电，否 ２．４涡轮蜗杆减速电机组 则不能用ＮｉＣｄ充电器为ＮｉＭＨ电池充电。而 桶装水助换器电机组采用涡轮蜗杆减 且，因为ＮｉＭＨ电池不能很好的吸收过充，所 速电机组传动，因其具有自锁功能而能使 以，涓流充电电流比ＮｉＣｄ电池小（约０．０５Ｃ）。 其在不带电的情况下不会受到桶装水重力 ＮｉＭＨ电池的慢充比较困难。因为以０．１Ｃ～ 的作用向下滑落，从而提高了它的安全性 ０．３Ｃ的速率充电时，电压和温度的变化不能 能。蜗轮蜗杆减速电机组传动通常用于两 准确指示电池已充满。因此，慢速充电器必 轴交叉成９０。，但彼此既不平行又不相交的 须依靠定时器来决定何时结束充电。以此， 情况下；在蜗轮传动中，蜗杆是主动件，而 为保证ＮｉＭＨ电池充满，应以接近１Ｃ的速率 蜗轮是被动件。 （或电池制造商指定速率）快速充电，同时监 蜗轮蜗杆减速电机组传动有如下特点： 控电压（Ａ Ｖ＝０）和温度（ｄＴ／ｄｆ）来确定何时 传动比高，交错轴斜齿轮机构紧凑，两 结束充电。电源装置电路图如图４所示。 轮啮合齿面间为线接触，其承载能力大大 高于交错轴斜齿轮机构； ４使用方法及注意事项 蜗杆传动为多齿啮合传动，传动平稳、 ４．１换水过程 噪音很小； 在水平地面上，换水的过程主要分为 蜗杆轴向力较大，传动功率范围大； 两大部分一一将桶装水从放置的地方移到 Ｘ 图４ 电源装置电路图 ２４ 科技创新导报Ｓｃｉｅｎｃｅ ａｎｄ Ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ Ｉｎｎｏｖａｔｉｏｎ Ｈｅｒａｌｄ 桶装水逐步上升到离饮水机进水接口稍高 的位置，翻转１ ８０。； 按住“降”键，使桶装水逐步下降，最后 准确无误地插入饮水机的进水接口。 ４．２电源充电及维护 电源采用２４Ｖ镍氢蓄电池。一次充电可 使用５０次；每次充电不要超过２小时，以免 损坏蓄电池与变压器。各零部件容易拆卸， 马达、电源等均是市售常用部件，维护简 便。 ４．３注意事项 饮水机的高度要低于桶装水助换器设 计的高度； 桶装水的重量应在助换器的承受范围 之内，不可超重，以免折断支架，损坏助换 器； 地而平坦，尽量少凹凸面，以减少轮子 磨损； 每次使用完毕，都要收缩好竖直主支 架，放回到适当的地方。 ５结语 本装置为作者在高中一年级时的作 品，通过反复思考、多次交流、不断改进，最 终研制出该桶装水助换器，获得“广州市执 信中学第二届科技创新大赛一等奖”、“第 ２５届广州市青少年科技创新大赛一等奖” 和“第八届， 东省少年儿童发明奖三等 奖”；获中华人民共和国国家知识产权局颁 发 实用新型专利证书》（汪书号第ｌ ７１６００９ 号）（专利号：ＺＬ２０１０２０１９７１１９．ｘ）。 装置具有体型轻巧、使用方便、操作简 单、安全可靠、经济实用等优点。适用对象 和使用范围广‘泛，适用干老人、小孩、妇女、 残疾人等主要弱势群体和其他人群，装置 功能与叉车相似，在学校、家庭、公司、酒 店、医院，甚至工厂、车间等地方，还可以应 用到搬运或提升类似桶装水的桶状重物。 在桶装水助换器的设计和制作过程 中，学到了许多课本上学不到的知识，得到 了学校和社会的认可和荣誉嘉奖。让作者 更加充满信心，留心生活，发现细节，更多 关注老人生活，更多地为帮助老人弱势群 体设想和提供服务。 参考文献 【１】胡泽华．实验创新对培养学生创新思维 的能力的重要性［Ｊ】．物理教学探讨， ２００８，（４）：２７～２８． ［２】杨国先，王伟平．对悬挂输送机链轮标 准的商榷［Ｊ】．机械工程师，２００６（１ ０）． ［３】郭亮．电动车用蓄电池充电技术的进展 ［Ｊ】．电池，２００２（４）．