家庭與宿舍節(jié)水裝置的設計

□ 徐小虎 □ 嚴思杰 □ 周亞軍 □ 岳 金

華中科技大學數(shù)字制造裝備與技術國家重點實驗室 武漢 430074

當今社會，水資源短缺已是一個共同話題，它與人類的生存密切相關。目前我國大部分城市普遍存在水資源供應不足現(xiàn)象，經(jīng)過初步調(diào)查,發(fā)現(xiàn)669座城市中有400多座供水不足，110座嚴重缺水，而大部分城市自身供應水資源的潛力不大，缺水狀況仍將持續(xù)下去。同時，城市生活用水還存在嚴重的浪費現(xiàn)象，主要表現(xiàn)為供水系統(tǒng)的滲漏、節(jié)水觀念淡薄、重復用水率低及市政用水效率低等方面，雖然目前政府也采取了一系列的措施，但是效果不是很顯著。人們雖已有節(jié)水的意識，但市場上現(xiàn)有節(jié)水裝置的能耗與價格使人們不愿購買。

目前市場上有多種家庭和宿舍節(jié)水裝置，大體上分為兩類：一是價格型；二是耗能型。價格型和耗能型裝置的效果相同，即節(jié)約用水、保護環(huán)境，但價格型價格昂貴，普遍使用率不高；而耗能型雖然價格不高，但需要消耗大量能量來達到節(jié)水效果，使用率也較低。

筆者在繼承市場上節(jié)水裝置優(yōu)點的同時，對其結構進行了改進，所設計的節(jié)水裝置不僅價格低廉而且使用方便，且無能耗，污染也小，是家庭和宿舍節(jié)水時的理想選擇。

1 節(jié)水系統(tǒng)設計內(nèi)容

為克服節(jié)水裝置成本高、耗能大等缺點，設計了一種適于家庭與宿舍的節(jié)水裝置，該裝置主要利用連桿結構原理，增加了機械腳踏裝置，控制進出水量。

1.1 總體結構設計

節(jié)水裝置總圖如圖1所示，該裝置主要包括儲水、排水、過濾、增壓系統(tǒng)。儲水系統(tǒng)包括兩個不同容量的儲水箱，排水系統(tǒng)包括排水管道和閥門，過濾系統(tǒng)主要包括過濾網(wǎng)和過濾底箱，增壓系統(tǒng)包括連桿機構、出水踏板、增壓彈簧構件。通過對出水踏板的按壓操作，實現(xiàn)簡單可控的進出水。

儲水箱通過裝置上端的固定端子與家庭或宿舍的水池相連，儲水箱上方裝有過濾網(wǎng)，把比較大的污漬過濾掉，使稍微純凈的水進入水箱，儲水箱與管道連接后有一定的高度差，使水流能順暢流動。管道最底層有一個過濾箱，那些沒有被排除的雜質(zhì)就會沉淀在箱底，可定期對其進行清理。管道與出水腔連接，出水腔內(nèi)部設有連桿機構，通過對連桿機構的功能設置，在需要用水時，就踩踏腳踏裝置，通過連桿機構的運動，出水腔左端的進水管道被關閉，右端的排水管道被打開，而排水管道通過與廁所或其它用水裝置連接，從而實現(xiàn)節(jié)約用水的目的。節(jié)水裝置放于水池下，既方便又節(jié)省了空間。

▲圖1 家庭與宿舍節(jié)水系統(tǒng)裝置總圖

1.2 連桿機構設計

所設計的節(jié)水裝置屬于純機械結構，進水管道與出水管道的通與閉都是通過曲柄連桿機構的運動來帶動連桿使其處于相應的位置來實現(xiàn)的。

腳踏裝置在未施加外力的情況下，增壓彈簧處于原點位置（如圖2所示），此時止水連桿機構的止水閥在右上方位置，進水管道打開，出水腔開始儲水；通水連桿機構的通水閥剛好運動到堵住出水管道的位置，此時，出水管道關閉，使出水腔儲存的水不會流掉。當給腳踏裝置施加外力時，增壓彈簧處于壓縮狀態(tài)（如圖3所示），此時通水連桿機構的通水閥運動到左下方位置，出水管道被打開，水從出水管流出；同時止水連桿機構的止水閥剛好運動到堵住進水管道的位置，壓力板把出水腔中已經(jīng)儲存的水壓出去。

2 連桿機構的MATLAB仿真

節(jié)水裝置對水流進、出的控制主要是通過連桿機構的兩個極限運動位置來實現(xiàn)的，止水連桿機構運動極限位置情況如圖4所示，通水連桿機構運動極限位置情況如圖5所示。通過進水管道和出水管道的一通一閉，可以保證出水腔能夠儲存足夠多的水量，同樣也能形成足夠大的壓力把水擠壓出去，達到?jīng)_刷雜物的效果。

止水連桿機構在默認狀態(tài)時的位置處于一個極限位置，如圖4（a）所示，此時連桿和連架桿處于通條直線上，機構的傳動角γ=0，機構處于死點位置，這樣就能保證沒有施加外力時，止水閥一直打開，出水腔開始儲水。同時，通水連桿機構也處于死點位置，其機構的傳動角γ=0，這樣通水閥關閉，使儲存的水不被流出。止水與通水連桿機構都與壓力板相連接，這樣通過運動的慣性就會克服機構死點位置。

此連桿機構的連桿L1的運動相當于曲柄滑塊機構的滑塊運動，因此將此連桿機構等效為曲柄滑塊機構，其中L3為曲柄，L1為滑塊，與普通的曲柄滑塊機構不同的是此機構是通過滑塊L1的運動來帶動曲柄L3的運動。曲柄滑塊機構的運動簡圖如圖6所示，在圖6中，L3、L2和b分別為曲柄滑塊的曲柄、連桿和偏差，φ1、φ2分別為曲柄和連桿的轉角，ω1、ω2分別為曲柄和連桿的角速度，S為滑塊的位移。

2.1 位移分析

按圖6中四邊形ABCD的矢量方向AB=CD，將其用歐拉公式轉化成幅值乘以角度的形式，即：

▲圖2 彈簧原始狀態(tài)連桿機構示意圖

▲圖3 彈簧壓縮狀態(tài)連桿機構示意圖

圖4 止水連桿機構位置變化示意圖

▲圖5 通水連桿機構位置變化示意圖

分別取上式的虛部和實部，并在b前面乘N，N取值1或－1，用以表示滑塊在X軸的上方或者下方，得到：

整理式（2）、式（3）得到：

2.2 速度分析

將式（1）兩邊對時間求導，得：

▲圖6 曲柄滑塊機構的運動簡圖

▲圖7 滑塊位移

根據(jù)式（7）和式（8）即可求得滑塊的速度及連桿的角速度。

2.3 實例分析及其MATLAB仿真

對圖6所示的曲柄滑塊機構作具體分析如下。

建立圖示的封閉矢量方程：

將式（9）分解到X與Y軸坐標上，得到：

化簡得：

對式（11）求導得：

將式（12）用矩陣形式表示，令：

則可表示為：AX=B；從而可解出 ω2和。

假設： L3=50mm，L2=90mm，ω1=50 rad/s則 由MATLAB軟件仿真得滑塊位移曲線如圖7所示。

根據(jù)MATLAB仿真結果，對曲柄滑塊結構進行適當優(yōu)化，得到最佳的并且符合實際的曲柄和連桿的長度。

3 實際工作方式

在使用此裝置前，水池中的水會先通過過濾網(wǎng)把形狀較大的雜質(zhì)過濾掉，水會存入儲水箱中。需要用水時先打開閥門，水通過管道流入過濾箱中，形狀較小的雜質(zhì)就會沉淀到過濾箱的底部。此時較干凈的水由于高度差會自動流入出水腔中，而通水閥處于關閉狀態(tài)，水不會流出。使用時就腳踩增壓裝置，通過彈簧作用使連桿機構運動，帶動止水閥使之關閉，通水閥打開，然后水就會通過出水管流出，而出水管和相應的用水裝置連接，實現(xiàn)水的重復利用。

4 結論

針對高校宿舍和家庭目前的用水現(xiàn)狀和目前現(xiàn)有節(jié)水裝置的不足，設計了一款機械結構的節(jié)水系統(tǒng)；這種裝置無能耗、結構簡單，同時簡潔高效。節(jié)水裝置的方案合理,節(jié)水效果明顯,使用安全可靠,操作簡單方便,且價格較低,易于推廣普及。

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