一節(jié)水裝置樣機研制的復(fù)雜性研究

陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，武漢 430205)

一節(jié)水裝置樣機研制的復(fù)雜性研究

陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機電工程學(xué)院，武漢 430205)

研制機械創(chuàng)新產(chǎn)品時首先需要構(gòu)思理想狀態(tài)下的總體工作原理；而在樣機制造的過程中，受各種生產(chǎn)條件、制造成本等因素的制約，需要重新設(shè)計。一節(jié)水裝置樣機研制過程也經(jīng)歷了這種反復(fù)。通過重新設(shè)計適應(yīng)液壓標(biāo)準(zhǔn)元件，既顯著降低樣機的研制成本，又實現(xiàn)樣機的功能演示目標(biāo)。研制的結(jié)果表明：充分認(rèn)識各液壓元件的基本工作原理，而非盲從教科書表面上的條條框框，對于機械創(chuàng)新產(chǎn)品的樣機制造至關(guān)重要。

液壓系統(tǒng)；節(jié)水裝置；設(shè)計方案；樣機制造

1 問題的提出

機械創(chuàng)新產(chǎn)品主要是指基于全新原理、全新構(gòu)思而研制的新產(chǎn)品，而非對類似產(chǎn)品進行仿造或?qū)ο鄳?yīng)產(chǎn)品進行局部改造，通常以一次性項目或者小批量開發(fā)為特征[1]。

在機械創(chuàng)新產(chǎn)品構(gòu)思中，設(shè)計者常需應(yīng)用專業(yè)知識(機構(gòu)運動示意圖、液壓職能符號圖等)闡述設(shè)計意圖，如果能完整構(gòu)思出新產(chǎn)品在理想狀態(tài)下的總體工作原理，且不違背基本物理定律，則創(chuàng)新設(shè)計工作通常完成相當(dāng)大的比例。

機械創(chuàng)新產(chǎn)品不能僅停留在理論上，理論上再好，一旦付諸實現(xiàn)就會面臨很多問題，制造樣機的過程并非一帆風(fēng)順，受生產(chǎn)成本、加工條件、所掌握的技術(shù)和資源等諸多因素限制，不斷調(diào)整，這種調(diào)整顯示出巨大復(fù)雜性，機械所具有的獨特復(fù)雜性暴露無遺，不可避免地需要多次反復(fù)修改和不斷完善，常走彎路是創(chuàng)新產(chǎn)品研制中不可避免的事情。

本文所研究的節(jié)水裝置全名是“主動預(yù)儲能式節(jié)水便器沖洗裝置”，其原理已在文章[2]中進行詳細(xì)論述，曾參加2008年湖北省大學(xué)生機械創(chuàng)新設(shè)計大賽，獲得省級一等獎。

比賽要求參賽作品不能僅停留在理論上，必須做出實物樣機。本文試圖還原該樣機研制過程中所經(jīng)歷的反復(fù)，再現(xiàn)創(chuàng)新作品從理論到樣機過程中所遇到問題，總結(jié)創(chuàng)新作品樣機研制經(jīng)驗，為創(chuàng)新作品的樣機研制提供一個參考。

2 節(jié)水裝置最初設(shè)計的工作原理

節(jié)水裝置的最初設(shè)計方案如圖1所示，上抬杠桿1帶動增壓單桿活塞缸2向上移動，該缸下腔的水壓變小，水通過單向閥8補充，此時人做的功儲存在單桿活塞缸2的彈簧中。

圖1 節(jié)水裝置最初設(shè)計方案示意圖

當(dāng)缸2活塞低于A點時，松開杠桿1，此時缸2下腔水壓增大，但二位二通壓差控制閥7未能開啟，不能沖水，此特殊設(shè)計有利于控制出水初始壓力。

當(dāng)缸2活塞高于A點時，松開杠桿1，此時缸2下腔水壓增大，該壓力水經(jīng)單向閥6作用于閥7閥芯的右側(cè)，當(dāng)其大于左側(cè)的自來水水壓力與彈簧力的合力時，閥7開啟，在缸2活塞上側(cè)的自來水壓和彈簧的合力作用下沖洗污物，實現(xiàn)增壓沖洗的目的。

閥7開啟后，缸2的活塞隨著沖水過程下移，當(dāng)活塞低于圖示的A點時，閥7便在閥芯左側(cè)彈簧力作用下，使閥芯右側(cè)的水通過節(jié)流閥4及圖示A點流回自來水系統(tǒng)，閥7的閥芯便慢慢關(guān)閉。

當(dāng)圖1所示狀態(tài)只有節(jié)流閥5起作用時，閥7開啟至關(guān)閉的時間變長，實現(xiàn)大便沖洗水量大的要求；當(dāng)手動換向閥3換向時，節(jié)流閥4、5共同起作用時，閥7開啟至關(guān)閉的時間變短，實現(xiàn)小便沖洗水量小的要求。

當(dāng)閥7的閥芯進入圖1所示狀態(tài)時，裝置便關(guān)閉，停止沖水。上述功能實現(xiàn)便器沖洗裝置的全部功能，即沖洗大便水量大、沖洗小便水量小、且半自動關(guān)閉。

通過調(diào)整節(jié)流閥4、5的開口度，可調(diào)整節(jié)流時間，控制沖便的排水時間。

3 最初設(shè)計節(jié)水裝置在樣機制造過程中所面臨的問題

在學(xué)習(xí)《液壓傳動》課程中，教材[4-5]上常講液壓元件已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，使得設(shè)計、制造和使用都比較方便，縮短設(shè)計、制造周期，降低成本的優(yōu)點；同時液壓元件也具有制造精度要求高、造價貴等缺點。

實際樣機制造過程中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化適合于某些行業(yè)，且相關(guān)液壓元件體積大、重量重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過本作品的要求，手冊[6-7]上根本找不到適合本作品的元件。

圖1中增壓單桿活塞缸2屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，它將彈簧設(shè)置于缸體內(nèi)，以節(jié)省外部空間；基于特殊目的，將管口A設(shè)置于缸體上靠近中間部位，但是這一特殊設(shè)置使得活塞上的密封圈在往復(fù)運動過程中容易被管口A切掉，使得單桿活塞缸的密封失效。

像液壓缸這樣的密封設(shè)備對制造的要求較高，無法自行加工，必須從市場上購買。在市場上考證后發(fā)現(xiàn)沒有現(xiàn)成的液壓缸賣，只能根據(jù)給定的尺寸來訂做。訂做時，只需要給出缸的內(nèi)徑、行程、工作壓力等關(guān)鍵參數(shù)，其它尺寸都是標(biāo)準(zhǔn)值。訂做非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸時價格較貴(約三千元)，時間也比較長(至少半個月)，重量較大(至少40KG)，且不一定能做成功。

二位二通壓差控制閥7也屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，單件訂做時，一般廠家不單獨生產(chǎn)。閥芯要想左右運動，必須設(shè)置三角槽潤滑，可能會造成密封不嚴(yán)，產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。訂做的時間較長，成本太高，且不一定達(dá)到最終要求。

節(jié)流閥4、5在市場上價格也較貴，都比較笨重，沒有適合本作品要求的輕便節(jié)流閥。

盡管能夠通過原理圖論證功能，但是機械創(chuàng)新設(shè)計大賽要求不能僅停留在理論上，必須做出實物樣機，而實際制造成本又過高，粗略估算單個作品至少得1萬元，超過承受能力，且風(fēng)險較大，不一定能成功。

市場上只有標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸賣，價格較便宜，且其管口也是標(biāo)準(zhǔn)值，比水管的口徑要小得多，其瞬時沖水量顯然不具備可比性，因此不能進行比較研究。

綜合上述市場考察及技術(shù)分析，可得如下結(jié)論：

(1)最初設(shè)計的方案雖然原理上可行，但實際制造和使用時，某些特殊設(shè)計(如缸油口A點)不可行，需要改進設(shè)計；

(2)因各種原因，方案中所需的液壓元件，在市場上沒有完全合適的標(biāo)準(zhǔn)件，完全按原方案來實現(xiàn)的話，制造的成本高，投入大，風(fēng)險高，不劃算。

(3)參賽的目標(biāo)僅是模擬增壓沖洗大便小便的動作，即只需進行壓下杠桿的初始操作，剩下的沖洗和關(guān)閉自動進行，顯示大便沖洗的延時時間長，小便沖洗的延時時間短，主控閥門能夠自動開啟和關(guān)閉，驗證方案的可行性；

(4)如果按原始設(shè)計及最終實際樣品的要求嚴(yán)格進行研制的話，不僅投入成本過大、風(fēng)險過高、而且不一定成功。

因此，需對最初設(shè)計方案進行改進，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件(如氣壓缸、各種閥等)來模擬樣機功能，降低制造成本及風(fēng)險，以適應(yīng)演示的目的要求。

4 改進設(shè)計后樣機的工作原理及改進考量

4.1 改進設(shè)計后樣機的工作原理及實物圖

改進后樣機的原理圖如圖2所示，對應(yīng)實物如圖3所示，為了清楚對比原理圖和實物圖，圖3中標(biāo)注了與圖2中對應(yīng)液壓元件的編號，沒有再標(biāo)注液壓元件的名稱，為了避免標(biāo)注后圖線交錯，圖3的編號局部打亂了。

圖2 節(jié)水裝置改進設(shè)計方案示意圖

圖3 節(jié)水裝置改進設(shè)計后樣機實物圖

改進后的工作原理為：上抬杠桿1增力做功時，通過主缸2的彈簧儲存能量，水通過單向閥3進入主缸2的下側(cè)。松開杠桿后，單向閥3關(guān)閉，主缸2下側(cè)的水通過單向閥4進入控制缸7，驅(qū)動擺桿6順時針轉(zhuǎn)動，驅(qū)動二位二通機動換向閥5換向，使得閥5開啟，自來水在缸2上側(cè)自來水壓及預(yù)儲存的彈簧能共同作用下，增加壓力沖洗，強化沖洗效果，以達(dá)節(jié)水目的[2]。大小便沖洗時間長短的控制原理同最初設(shè)計方案，此處不再說明。

控制缸7在其受壓彈簧的彈性恢復(fù)力作用下，其上側(cè)的水通過節(jié)流閥8流回供水系統(tǒng)，當(dāng)其處于圖2所示狀態(tài)時，閥5關(guān)閉，沖水結(jié)束。

經(jīng)過上述改進后，整個系統(tǒng)可以用較便宜的標(biāo)準(zhǔn)件(氣壓缸、球閥等)來模擬實現(xiàn)樣機功能，成本大大降低。

4.2 圖1中主缸2的模擬改造

主缸2的初始設(shè)計如圖4(a)所示，改進后如圖4(b)所示，它將A點的特殊設(shè)置變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)設(shè)計，即利用缸自身的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計口。實際制作后如圖(c)，它將放在缸2的內(nèi)部的彈簧置于缸體外側(cè)，將標(biāo)準(zhǔn)缸略加改造，實現(xiàn)樣機所需非標(biāo)準(zhǔn)缸的功能，改進后彈簧置于缸體外側(cè)，且仍使用標(biāo)準(zhǔn)缸的標(biāo)準(zhǔn)接口。

圖4 圖1中缸2的改造圖

4.3 圖1中閥7的模擬和改造

初始設(shè)計中壓差控制閥7(如圖5(a)所示)為非標(biāo)準(zhǔn)件，改造成圖5(b)所示結(jié)構(gòu)后，既因均采用標(biāo)準(zhǔn)件，極大地降低研制成本，又能實現(xiàn)自動開啟和自動關(guān)閉。圖2中的缸7采用標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸，閥5仍采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥，只是改造球閥的控制柄來實現(xiàn)開啟和關(guān)閉動作。

圖5 圖1中閥7的改造圖

4.4 圖1中節(jié)流閥4、5的模擬與改造

市場上同樣也沒有低壓節(jié)流閥賣，需通過圖示球閥來模擬，此處需要利用《液壓與氣壓傳動》[4-5]中的公式：

q=kAΔpm

(1)

由上面公式，通過改變閥口的過流面積來實現(xiàn)節(jié)流，其實物圖如圖6所求，仍采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥來模擬節(jié)流閥功能，圖中可明顯看到過流面積可以改變。

圖6 圖1中節(jié)流閥4、5的改造圖

其它說明：圖2中的閥9也采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥來實現(xiàn)；單向閥3、4可直接購買。

經(jīng)過上述改進后，實現(xiàn)了樣機的演示目標(biāo)。但是原本體積可以做得非常小、但成本非常高的原理圖1，變成了體積非常大、但成本非常便宜的原理圖2及實物圖3。樣機的最終實現(xiàn)成本為3000元左右，而初始方案的實現(xiàn)成本經(jīng)市場考證后至少為13000元，可見改造后成本低，風(fēng)險小，能夠?qū)崿F(xiàn)樣機的演示目標(biāo)，值得進行。

5 結(jié)論

理論上驗證創(chuàng)新的可行性相對較容易，而要將理論創(chuàng)新變成實物樣機則困難重重，實現(xiàn)過程受成本、技術(shù)、所擁有的條件等諸多因素限制，其中成本是限制樣機實現(xiàn)的最為關(guān)鍵因素，不考慮成本的樣機試制，往往風(fēng)險大、成本高、收效小。

通過本文的分析可得出以下研制經(jīng)驗：

⑴ 在構(gòu)思機械創(chuàng)新產(chǎn)品的工作原理過程中，常需忽略一些次要因素，考慮理想情況下、不違背基本物理定律的總體工作原理，集中精力解決總體方案的可行性；

⑵ 在研制過程中，最初的設(shè)計方案并非一成不變，不可避免出現(xiàn)各種各樣的問題，不能因暫時碰到的局部問題而盲目否定全盤設(shè)計，只要不違背基本的物理定理、物理規(guī)律就能通過改進設(shè)計，解決實現(xiàn)過程中所碰到的各類問題。

⑶ 在解決問題的過程中，要充分應(yīng)用書本[4][5]上的基本原理、基本概念、基本公式，認(rèn)識到問題的本質(zhì)，不能局限于書上的條條框框。如本文圖1中節(jié)流閥4、5，以及手動換向閥3等的改造都應(yīng)用到書本上的基礎(chǔ)知識，而和書本[4][5]上所介紹的具體液壓元件的“形”有很大差別。

⑷ 成本是樣機研制過程中不得不考慮的關(guān)鍵因素，為降低成本，必須改進設(shè)計，盡量采用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件，除非不可避免，決不能使用非標(biāo)準(zhǔn)件。如本文圖1中的缸2，二位二通壓差控制閥7的改造，就是充分利用標(biāo)準(zhǔn)件來實現(xiàn)所需的功能。

⑸ 要辯證看待書本上的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，它只適用于某些行業(yè)、某些領(lǐng)域，決不是任何行業(yè)、任何領(lǐng)域、任何方向都有標(biāo)準(zhǔn)元件的。液壓缸應(yīng)該來說是標(biāo)準(zhǔn)件，但樣機研制過程中卻在市場上買不到，需要提供關(guān)鍵參數(shù)給液壓缸的制造廠商，由它們來訂做。

對于這種具體參數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，而市場上又沒有現(xiàn)成商品的標(biāo)準(zhǔn)件，姑且稱之為“部分標(biāo)準(zhǔn)件”，切不可盲目自行設(shè)計，設(shè)計的結(jié)果常常是許多方面不夠標(biāo)準(zhǔn)、不夠?qū)I(yè)，最終白費功夫，本作品研制過程中經(jīng)歷過此階段。

⑹ 改進設(shè)計方案時，要結(jié)合待實現(xiàn)的功能目標(biāo)，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件來實現(xiàn)，這樣改進設(shè)計方案時就有了明確的方向。如本文中主要功能目標(biāo)就是增壓沖水，能實現(xiàn)自動開啟、自動關(guān)閉的功能，而樣機的體積大小、占用的空間大小就不是追求的目標(biāo)。認(rèn)識到功能目標(biāo)后，樣機制造過程就能用市場上現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件來改進初始設(shè)計方案，實現(xiàn)功能目標(biāo)了。

樣機制造好后，能非常明顯地實現(xiàn)演示目標(biāo)：自動開啟，自動關(guān)閉，沖洗大便的時間長，沖洗小便的時間短。

[1]張春林，曲繼芳，等. 機械創(chuàng)新設(shè)計[M]. 北京：機械工業(yè)出版社，2006.

[2]陶表達(dá)．現(xiàn)有便器沖水裝置節(jié)水性的理論分析[J]. 中國新技術(shù)新產(chǎn)品，2008，138(10)．

[3]陶表達(dá)．機械創(chuàng)新模式探索[J]．湖北第二師范學(xué)院學(xué)報，2009，26(2)．

[4]許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動[M]．北京：機械工業(yè)出版社，2007，5．

[5]茍維杰．液壓與氣壓傳動[M]．長沙：國防科技大學(xué)出版社，2010．

[6]全國閥門標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會.閥門產(chǎn)品樣本(上、下)[M].北京：機械工業(yè)出版社，2006，5.

[7]宋虎堂.閥門選用手冊[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，1.

Manufacturing Complexity of the Prototype of a Style of Water-Saving Device

TAO Biao-da

(School of Physics & Mechanical Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The general working principle should be conceived before the research and design of mechanical innovation products under an ideal state; since the problems of manufacturing difficulties, high cost, huge risk and other limits in the process of the prototype manufacturing, redesign is usually unavoidable, and the prototype development process of a water saving device also experienced this. Through the redesign based on the hydraulic standard components, the development cost of the prototype is greatly reduced, and the function target which the prototype demonstrates is realized. The results show that it is very important for the innovative prototype manufacturing to fully understand the basic principle of the hydraulic components, rather than indiscriminately follow the restrictions and fetters of the textbook which provides a paradigm for designer on how to think deeply and develop the prototype.

hydraulic system; water-saving equipment; design scheme; prototype manufacturing

2016-12-10

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項目(B2013020)

陶表達(dá)(1972-)，男，副教授，研究方向為CIMS、智能控制、機械創(chuàng)新產(chǎn)品研制的復(fù)雜性。

TH162

A

1674-344X(2017)2-0025-05