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,人們對手機(jī)越來越上癮。 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]。 對于大多數(shù)人來說,沒有手機(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,更重要的是,屏幕的健康對用戶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 個細(xì)菌,而整個手機(jī)含有數(shù)百萬個細(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。 而用戶會發(fā)現(xiàn)的是,電視、電腦經(jīng)過一段時間的使用后,顯示屏?xí)e累污漬,不僅影響屏幕的顯示效果,還會影響外觀的美觀度[4]。

作為最新的時尚趨勢,全屏已經(jīng)成為高端手機(jī)的基本配置。 一個產(chǎn)業(yè)的崛起必然會帶動其他產(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,通過吸盤以及滑塞筒抽氣裝置,將手機(jī)固定,避免清理手機(jī)時手機(jī)晃動導(dǎo)致清理不干凈,通過電推桿使得擦拭板與手機(jī)屏幕貼合推動完成清潔。 該產(chǎn)品實現(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。 雖然市場上的屏幕清潔器五花八門,但是能夠適用于生活中,能夠提高屏幕的清潔度,同時經(jīng)濟(jì)適用,便于攜帶的屏幕清潔器并無先例。 因此設(shè)計手握式屏幕清潔器,可以實現(xiàn)適用于生活中對屏幕清潔的需求,具有很高的社會經(jīng)濟(jì)價值。

1 手動屏幕清潔器裝置功能需求分析

本裝置是基于閥門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)計在上部的消毒瓶裝置和中部的閥門裝置以及位于下部的清潔布裝置,消毒瓶儲存清潔液,閥門裝置進(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。 即裝置可以實現(xiàn)自動供液,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,按動閥桿來釋放適當(dāng)清潔液對清潔布進(jìn)行潤濕,當(dāng)清潔布潤濕后松開閥桿,然后將清潔器放在需要清潔的屏幕上移動擦拭,實現(xiàn)對屏幕進(jìn)行清潔。 當(dāng)污漬沾染到清潔布上后,清潔液可以對污漬進(jìn)行分解和清潔,同時清潔布有一定的厚度,而且輪軸本身外部有一定的柔軟度,可以使清潔的時候增大清潔面積,移動裝置在需要清潔的屏幕上進(jìn)行清潔,本裝置通過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)品在使用的時候較方便,同時手握式屏幕清潔裝置也可提高屏幕清潔的效率。

2 手動屏幕清潔裝置總體結(jié)構(gòu)設(shè)計

手動屏幕清潔器,是通過非接觸式釋放清潔液的方式清理手機(jī)屏幕,推動裝置的同時打開閥門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)、手動閥門機(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候有個自鎖設(shè)計。 瓶口和瓶蓋內(nèi)圈中一圈凸起咬合,加上這個區(qū)間螺紋傾斜,可達(dá)到密封作用,防止水漏出。 瓶中專門的消毒液對電子屏幕進(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。 閥門的節(jié)流元件閥瓣可改變閥門的節(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,按壓閥桿,閥瓣在彈簧力的作用下打開,根據(jù)按壓的壓力不同,閥瓣打開的程度不同,既可調(diào)節(jié)流量大小,控制出水口的水量;裝置不工作時,出口壓直接傳遞到膜片下方,與彈簧形成對抗,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,清潔液釋放到裹著清潔布的滾輪上,同時清潔布采用獨特的纖維結(jié)構(gòu),使用它更不會對屏幕造成損傷,隨著推動裝置,刮板刮掉污漬,完成清潔工作。

圖1 手動屏幕清潔裝置結(jié)構(gòu)示意圖

圖3 清潔滾輪幾何特征示意

3 運動學(xué)分析

3.1 清潔圈數(shù)及所需時間建模

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,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)一圈時間為t,則清潔屏幕共需時間為nt,由此可以根據(jù)清潔屏幕的面積大小,計算清潔所用的時間。

3.2 孔的流速流量建模

以清潔液瓶口為0 勢能面和第一參考面,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。 通過測量液面高度,即可計算出液體的流速;通過測量不同閥門開度和液面高度,即可計算出流量大小。

3.3 節(jié)流閥功能計算

使用Ansys Fluent18.0 對清潔液的自動涂敷流量進(jìn)行了仿真,其中閥門的總開度為6.3mm。

當(dāng)閥門開度分別為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 開度1.575mm(1/4 開口)速度云圖

圖6 開度1.575mm(1/4 開口)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速度波動幅度較大,中下部位置處的液體流動速度較為平緩;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)閥門開度分別為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 開度3.15mm(1/2 開口)速度云圖

圖8 開度3.15mm(1/2 開口)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速度無明顯波動;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明顯波動;

當(dāng)閥門開度分別為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 開度4.725mm(3/4 開口)速度云圖

圖10 開度4.725mm(3/4 開口)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速度有輕微變化,在中部無明顯波動;出入口位置的液體壓力出現(xiàn)增大的現(xiàn)象,但在中部無明顯波動。

由此可見,隨著開度的增大,液體的流動速度和壓力會更加趨于穩(wěn)定,同時,當(dāng)開度較小時,液體速度和壓力會發(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)計帶來了更精確的方法,同時通過有限元求解對閥門不同開度下的流量進(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)該閥門的流量調(diào)節(jié)性能,滿足使用要求。 通過對節(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,為閥門優(yōu)化設(shè)計給出了改進(jìn)方向,大幅縮短了研發(fā)周期。 仿真分析的結(jié)果與理論計算的出口流量結(jié)果如圖11 所示。

圖11 理論計算與仿真分析的流量結(jié)果對比

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

4 模擬試驗分析

4.1 試驗工作原理

本裝置采用消毒水瓶機(jī)構(gòu),手動閥門機(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),通過人為推動清潔器行進(jìn)來達(dá)到清潔的目的,在裝置的行進(jìn)過程中,清潔器頂端的消毒水瓶中的清潔液通過手動閥門機(jī)構(gòu)傳輸?shù)角鍧嵠鞯锥擞|電子屏幕的滾輪清潔布上,推動裝置,滾輪上的清潔布在屏幕上滑動,清潔屏幕。 當(dāng)停止清潔工作時,通過按壓閥門機(jī)構(gòu),閥瓣在彈簧力的作用下與出口壓形成對抗,使閥瓣關(guān)閉切斷輸入清潔液。

圖12 手動屏幕清潔器模擬工作圖

4.2 實驗數(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,長為L=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,則清潔一圈所需時間為

則清潔共需時間

nt =3.3×10.85=35.805s

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

通過實驗測量液面厚度及對應(yīng)開度和流量,并將實驗數(shù)據(jù)代入Matlab 分析得:隨著閥門開度和液面厚度的增大,流量也會隨之增大,同時也說明,在滾輪移動速度和寬度確定的情況下,流量與液面厚度和閥門開度均具有線性關(guān)系。 根據(jù)液面厚度和開度推測流量大小,利用節(jié)流閥來實現(xiàn)調(diào)節(jié)流量的目的。 清潔液流量與閥口開度、液膜涂敷厚度的關(guān)系如圖13 所示。

圖13 出口流量與閥口開度、屏幕涂敷液膜厚度的關(guān)系圖

5 結(jié)論

工作狀態(tài)時的屏幕清潔器,通過操作可以看出行進(jìn)間通過清潔器底端的清潔滾輪的向前運動可以達(dá)到清潔電子屏的效果,通過往復(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。 但裝置在清潔過后,屏面仍有少量清潔液未干燥,使得在清潔過后要自然風(fēng)干一段時間,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。 同時可以通過控制閥門來控制清潔液的量,這使得使用后屏幕殘余清潔液達(dá)到最少化。 通過推動屏幕清潔器,按壓清潔液閥桿閥門,可以達(dá)到人體零接觸清潔液的清潔效果。 對手部皮膚衛(wèi)生以及屏幕清潔度都有了很大的保障。

基于上述分析,對屏幕清潔裝置有了一個比較客觀全面的認(rèn)識。 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。 手握式屏幕清潔器實現(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方式。 同時通過簡化結(jié)構(gòu)以及材料的選擇來降低制造成本,使價格面向大眾,有更高的經(jīng)濟(jì)適用性。 但是手握式屏幕清潔器的缺點也顯而易見,體積過大還是不便于攜帶,同時清潔纖維布的使用和更換也存在著缺陷。 我們會進(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,我們會研究簡化流程。 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)適用性并且簡化流程,最終實現(xiàn)它的社會經(jīng)濟(jì)價值。