一種自調(diào)節(jié)流速減緩器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

陳學(xué)森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)器人智能控制及功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

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一種自調(diào)節(jié)流速減緩器的設(shè)計(jì)與測(cè)試

陳學(xué)森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技術(shù)大學(xué) 機(jī)器人智能控制及功能化結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)實(shí)驗(yàn)室，上海 201620)

設(shè)計(jì)了一種自調(diào)節(jié)流速減緩器，以負(fù)反饋調(diào)節(jié)原理實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流量和流速穩(wěn)定的自我調(diào)節(jié)。首先，提出一種“Y”型減速機(jī)構(gòu)，并對(duì)該結(jié)構(gòu)的流量穩(wěn)定原理進(jìn)行分析;然后對(duì)自調(diào)節(jié)流速減緩器的主要結(jié)構(gòu)部件進(jìn)行設(shè)計(jì);最后以進(jìn)水口的水壓為自變量，對(duì)有、無自調(diào)節(jié)流速減緩器的出水口水流量進(jìn)行測(cè)試。測(cè)試結(jié)果表明,當(dāng)進(jìn)水口水壓改變時(shí)，自調(diào)節(jié)流速減緩器能有效地將出水口的水流量穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)，很好地解決一些低樓層居民用水水壓過大及水資源浪費(fèi)的問題。由于該減緩器采用了負(fù)反饋調(diào)節(jié)原理，因此無需外加其他附件和能源。

減速機(jī)構(gòu)； 水流量； 穩(wěn)定； 負(fù)反饋； 水壓

0 引 言

水是人類及一切生物賴以生存的必不可少的重要物質(zhì)，水資源是發(fā)展國民經(jīng)濟(jì)不可缺少的重要自然資源。雖然水占了地球的70%，但對(duì)于龐大的人口基數(shù)來說，可供人類使用的淡水卻少之又少，在世界許多地方，對(duì)水的需求已經(jīng)超過水資源所能負(fù)荷的程度，同時(shí)有許多地區(qū)也瀕臨水資源利用之不平衡[1-2]。

但是，有很多地方為了給高樓層供水，往往都加上很高的水壓，而對(duì)于低樓層用戶而言，這是不需要的，多數(shù)時(shí)候也因此造成水資源的浪費(fèi)。例如：住在底層樓的用戶往往一打開水龍頭，水就噴射似地往下流，同時(shí)會(huì)濺得一身的水。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，我國每天因?yàn)樗魉龠^大而造成浪費(fèi)的水資源就達(dá)14.4萬t。

目前，市面上也有類似降低流速的產(chǎn)品，但它們的工作原理大多是利用螺旋槳進(jìn)行流速的調(diào)節(jié)，該方法在水流速越大時(shí)，螺旋槳的轉(zhuǎn)速將會(huì)越大，這種調(diào)節(jié)方式只能相對(duì)地降低水流速，不能從根本上將水流速控制在某一穩(wěn)定范圍內(nèi)。

本自調(diào)節(jié)流速減緩器實(shí)用性主要在于：①為了在不需要高水壓的地方降低水壓，節(jié)約水資源，并能使自來水用戶舒適地使用自來水，而不至因水壓過高而水流飛濺所引起的不快；②可以很方便地安裝在平常人家的房子里，它具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，維修方便，造價(jià)便宜的特點(diǎn)；③本自調(diào)節(jié)流速減緩器最大的不同點(diǎn)在于利用水流使堵塊轉(zhuǎn)動(dòng)，轉(zhuǎn)動(dòng)的堵塊又對(duì)進(jìn)口周期性封堵，能使水流量和堵塊轉(zhuǎn)速穩(wěn)定在某個(gè)范圍不需要外加附件，從而達(dá)到降低和穩(wěn)定水流量的作用。因?yàn)檫@是把水的動(dòng)能轉(zhuǎn)化成了堵塊的轉(zhuǎn)動(dòng)動(dòng)能，所以如果用在低樓層用戶，既能減緩低樓層用水時(shí)的水流速，又不影響高樓層用戶的供水。

1 自調(diào)節(jié)流速減緩器設(shè)計(jì)

1.1 流量穩(wěn)定原理

自調(diào)節(jié)流速減緩器的結(jié)構(gòu)如圖1所示,扇形連接架三葉片之間互成120°。

圖1 自調(diào)節(jié)流速減緩器工作原理圖

水從進(jìn)口處流入，在水流動(dòng)作用下，3個(gè)堵塊轉(zhuǎn)動(dòng)，每轉(zhuǎn)過120°就將進(jìn)口堵住一次，使得水流速和流量降低。當(dāng)水壓增大時(shí)，相應(yīng)的堵塊轉(zhuǎn)動(dòng)角速度隨之增大，堵塊把進(jìn)口堵住的頻率也隨之增大，水流量和流速就不再隨水壓增大而增大，而是穩(wěn)定在某個(gè)范圍內(nèi)。這樣，利用負(fù)反饋調(diào)節(jié)實(shí)現(xiàn)了對(duì)水流量和流速的自我調(diào)節(jié)[3-5]，其穩(wěn)定原理如圖2所示。

圖2 穩(wěn)定原理

1.2 主要零部件

本自調(diào)節(jié)流速減緩器共有10種零件，標(biāo)準(zhǔn)件4種，分別為M3螺釘、M6螺栓、M6墊圈和滾動(dòng)軸承6 200;自主設(shè)計(jì)零件有6種，分別為殼體、端蓋、扇形連接架、堵塊、滾動(dòng)軸承墊片和端蓋墊片。圖3為自調(diào)節(jié)流速減緩器軸測(cè)圖。

圖3 自調(diào)節(jié)流速減緩器軸測(cè)圖

1.2.1 殼體和端蓋

圖4為殼體三維造型圖，圖5為端蓋三維造型圖。殼體和端蓋裝配后為里面的減速機(jī)構(gòu)提供封閉的空腔，減速機(jī)構(gòu)能在里面自由轉(zhuǎn)動(dòng)而不漏水。殼體上有與堵塊相吻合的圓弧形凹槽，堵塊轉(zhuǎn)到此位置與其吻合時(shí)便能起到封堵進(jìn)口的作用。殼體總長與家用水表相同，安裝時(shí)采用家用水表的安裝標(biāo)準(zhǔn)即可[6]。

圖4 殼體三維造型圖圖5 端蓋三維造型圖

1.2.2 扇形連接架和堵塊(“Y”型減速機(jī)構(gòu))

扇形連接架造型如圖6所示，3個(gè)葉片互成120°。扇形連接架的作用是連接堵塊以及帶動(dòng)堵塊轉(zhuǎn)動(dòng)。圖7為堵塊，其上有與扇形連接架配合的階梯凹槽，一個(gè)扇形連接架需要配置3個(gè)堵塊，裝配好后的“Y”型減速機(jī)構(gòu)如圖8所示。該減速機(jī)構(gòu)為自調(diào)節(jié)流速減緩器的核心機(jī)構(gòu)，扇形連接架的扇葉型設(shè)計(jì)有利于該減速機(jī)構(gòu)在水流作用下自行轉(zhuǎn)動(dòng)；末端配置的3個(gè)堵塊則與殼體上的圓弧形凹槽相吻合，起到封堵進(jìn)口的作用。在此設(shè)計(jì)中，堵塊的設(shè)計(jì)是一個(gè)難點(diǎn)，為了能讓整個(gè)減速機(jī)構(gòu)持續(xù)運(yùn)轉(zhuǎn)，堵塊封堵殼體進(jìn)口的時(shí)間理論上只能是一個(gè)瞬時(shí)。就是說，如果此時(shí)刻進(jìn)口被完全封住，下一時(shí)刻就必須打開，所以要求堵塊長度不能過長，減速機(jī)構(gòu)將停轉(zhuǎn)；過短，進(jìn)口無法完全封堵，起不到降低水流量的作用。

圖6 扇形連接架三維造型圖7 堵塊三維造型

圖8 “Y”型減速機(jī)構(gòu)三維造型

2 自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試

2.1 測(cè)試原理

圖9為自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試原理圖，水流用家用4分管導(dǎo)通。圖中“某一水壓的水流”先通過“家用水表”，然后在水壓不變的情況下分別再在“有自調(diào)節(jié)流速減緩器”和“無自調(diào)節(jié)流速減緩器”兩種情況下讀取此時(shí)的水流量數(shù)據(jù)。

圖9 自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試原理圖

對(duì)于不同的水壓都測(cè)出與其對(duì)應(yīng)的一個(gè)“有自調(diào)節(jié)流速減緩器”情況下的水流量值(L/min)和一個(gè)“無自調(diào)節(jié)流速減緩器”情況下的水流量值(L/min)。通過2個(gè)水流量值的對(duì)比來驗(yàn)證自調(diào)節(jié)流速減緩器功能。

“家用水表”為讀取數(shù)據(jù)之用，本次測(cè)試的要得到的數(shù)據(jù)是流量(L/min)。讀數(shù)方法是讓所有設(shè)備流過某一水壓的水流，待所有實(shí)驗(yàn)設(shè)備正常工作后，用高清攝像機(jī)錄取一段大概30 s家用水表運(yùn)轉(zhuǎn)的視頻。完成試驗(yàn)后，用計(jì)算機(jī)截下視頻中家用水表運(yùn)行得最為均勻、流暢的10 s。然后在這10 s的視頻中讀出開始時(shí)刻水表的刻度值V0和結(jié)束時(shí)刻水表刻度值V1。所得的數(shù)據(jù)為水的流量Q[7-13]，為了方便計(jì)算，把單位換算為L/min。即：

2.2 測(cè)試結(jié)果及分析

2.2.1 測(cè)試結(jié)果

自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試結(jié)果如表1所示。

2.2.2 結(jié)果分析

對(duì)比表1中的Q1和Q2，可見自調(diào)節(jié)流速減緩器能不同程度的降低水流量。由圖10可知，無自調(diào)節(jié)流速減緩器的數(shù)據(jù)折線一直增大；同時(shí)，有自調(diào)節(jié)流速減緩器的數(shù)據(jù)折線在流量約為12 L/min處曲折變化，即水流量基本穩(wěn)定在12 L/min處。

表1 自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試結(jié)果 L/min

注：Q1為無自調(diào)節(jié)流速減緩器的水流量;Q2為有自調(diào)節(jié)流速減緩器的水流量。水壓值隨編號(hào)增加而增加，因技術(shù)限制，沒能測(cè)出具體水壓值

圖10 自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試結(jié)果折線圖

將測(cè)試所得數(shù)據(jù)做三次擬合，得到自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試結(jié)果擬合曲線圖，如圖11[14-15]所示。在圖11中，可以比較形象、直觀地看出：在無自調(diào)節(jié)流速減緩器情況下，數(shù)據(jù)曲線呈單調(diào)遞增趨勢(shì)，說明水流量將會(huì)隨著水壓的增加而繼續(xù)增加；同時(shí)有自調(diào)節(jié)流速減緩器情況下，數(shù)據(jù)曲線在約12 L/min(縱坐標(biāo))處發(fā)生顯著彎曲，表現(xiàn)出保持平衡，說明水流量將不隨著水壓的增加而增加，基本保持在12 L/min左右。而12 L/min的流量與一棟10層樓高的建筑中5～6樓用戶的水流量相當(dāng)，這是一個(gè)非常適宜的水流量，既能滿足日常生活需要，又不會(huì)因水飛濺而引起不快和造成浪費(fèi)。綜上所述，本自調(diào)節(jié)流速減緩器有降低和穩(wěn)定水流量功能。

圖11 自調(diào)節(jié)流速減緩器測(cè)試結(jié)果擬合曲線圖

3 結(jié) 語

本文研制的自調(diào)節(jié)流速減緩器能夠?qū)崿F(xiàn)對(duì)水流量和流速的降低和穩(wěn)定。用在一些低樓層家庭可以很好的解決因?yàn)樗畨哼^大而引起的用水不快和因此引起水資源浪費(fèi)等問題。

目前，該自調(diào)節(jié)流速減緩器雖然只能運(yùn)用日常生活，但還是為工業(yè)中一些需要降低和穩(wěn)定液體流量和流速研究提供參考，也為本研究以后應(yīng)用于工業(yè)領(lǐng)域奠定了基礎(chǔ)。

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The Design and Test of a Flow Decelerating and Self-Adjusting Device

CHENXue-sen,SONGFang,SHENGChao-jie,LIPeng-xiao,LINGJun-feng

(Laboratory of Intelligent Control and Robotics, Shanghai University of Engineering Science, Shanghai 201620, China)

This paper describes a flow decelerating and self-adjusting device to realize the self-adjustment of the water flow and stabilize volume by the principle of negative feedback regulation. Firstly, we put forward a “Y”-type deceleration mechanism, and analyze the water flow stabilization principle of the structure. Next, we go on designing the main structural components of the flow decelerating and self-adjusting device. Finally, we take the intake water pressure as the variable to test the outlet water flow with a flow decelerating and self-adjusting device or not. The test shows that when the intake water pressure is changed, the flow decelerating and self-adjusting device can stabilize the outlet water pressure within a certain range effectively. Hence, the device can solve the water waste and the problem of that the water pressure of some lower residents is too big. Because the device uses the principle of negative feedback regulation, it does not need any other additional accessories and energy.

deceleration mechanism; water flow; stabilize; negative feedback; water pressure

2014-12-29

上海工程技術(shù)大學(xué)實(shí)踐教學(xué)建設(shè)項(xiàng)目(p201324001)；大學(xué)生創(chuàng)新項(xiàng)目(cs1224004)

陳學(xué)森(1992-)，男，廣東廣寧人，本科生，主要研究方向?yàn)檫\(yùn)動(dòng)控制技術(shù)及加減速控制算法等。

宋 芳(1980-)，女，山東禹城人，講師，碩士生導(dǎo)師，研究方向：高速高精度控制算法，機(jī)器人技術(shù)，運(yùn)動(dòng)控制技術(shù)等。

E-mail:songfang2005@163.com

TP 271

A

1006-7167(2015)10-0062-03