机械创新设计书.doc

机械创新设计名称：节水限流器设计者：冯超凡 曹森晖 陈剑 陈梦成 周泽波指导老师：徐厚昌 2010年12月目录1、 设计背景.12、 基本原理.33、 结构设计的有关计算.54、 作品创新点.75、 成本预算.96、 市场需求.11 节水限流器内部零件图1、 设计背景 在很多日常的自来水使用中，经常出现由于各种原因忘记关闭水龙头，或者由于水管泄露、爆裂，造成水的大量浪费和室内“水灾”。如果发生在家中，会至使地板、电器、家具等浸水潮湿，埙坏，甚至引起邻居纠纷，如果发生在旅馆等公众场合，则会造成大量的经济损失和形象损失。这样的事例多有发生，不胜枚举。 比如，2008年10月，石市铁61宿舍5号楼三单元502房间忘记关闭的水龙头跑水。因无人在家且长时间打不开房门；水很快流到楼下，多位邻居被殃及。经由楼板渗下的水流进大衣柜和滴到床上。衣柜里的衣服、床上的被褥被大片浸湿。造成相当大的经济损失。2005年6月,百安居(当时是欧倍德)的星河翠庭的一户业主家里严重漏水”，一个塑料闷头断裂了,水足足喷涌了一个小时,是邻居上下楼梯才发现的,浸了地上大部分辅料,以及落地柜门套(门没安装)估计下来需损失6000元。新闻晨报:2007年11月06日, 陈女士将阳台水龙头打开后忘记关闭，导致大量自来水渗漏到楼下李小姐家。由于赔偿问题无法达成一致，双方闹上法院。因此，依据静安法院物权法有关条款，判决陈女士赔偿李小姐各项损失人民币4450元。生活日报：2010年11月11日，一家住户给房子装修后，忘记了关闭当时无水的水龙头。结果，一来水，清水哗哗地流，一直渗漏到下一层的住户家，搞得楼下居民一夜没睡好觉。 东方早报：2010年5月8日，(上海世博)金茂大厦34楼洗手间内的一根水管断裂，造成该楼层100多平方米办公区域浸水，使该楼层的办公受到一定影响。水是生命之源。我国是一个水资源紧缺的国家，随着经济社会的发展，水的问题日益突出，成为制约经济社会发展资源的瓶颈。有关方面调查显示，以一中等城市为例，据不完全统计，由于水龙头忘记关闭，将使每年每户废掉4立方米，如果以200万户家庭计算，一年造成800万立方米的水资源浪费。 据此，我们设计这个节水限流器，在持续流水一定时间后，即使在无人守候的情况下，也能自动关闭，并可避免由于水外溢引起水资源浪费和经济损失。此装备不影响日常用水，同时具有节约用水，防止水流大量外溢的作用。近年来市面上也有各种限流技术推向市场，其按结构比较复杂，需要电源等额外动力，成本过高，不宜推广使用。而我们的装置结构简单，用塑料制造，成本低廉，无需电源等额外动力，安全可靠，安装简单，适用范围广泛。 二、基本原理此装置的内部结构从外向里可分为壳体、套筒、齿轮、弹簧结构、塑料球五大件。壳体是生铁铸成的，水从进水口出来之后通过壳体的下部环形空间，这里叫做“下环室”。在这个环形空间的上面有“上环室”和出水口相通。图示：外壳与上下环室 套筒的底部有个带有小孔的过滤网，滤出水中的杂物。套筒侧面有上下两排圆孔，孔的位置恰好与壳体的上下环室对着，显然，下排是进水孔，上排是出水孔。特别值得注意的是，这两排孔都是沿圆的切线方向斜着打的。注意上下两排孔的方向相反。水从下排孔沿切线方向流进去，势必形成旋转的水流，这对于节水限流器的工作是十分重要的。内芯分为上、中、下三层，从玻璃窗看到的是上层，只有小齿轮和弹簧装置。其实最关键的是下层，这里面有个塑料轮，轮边上有许多塑料叶片，叫做“叶轮”。图示；叶轮与齿轮啮合 叶轮所处的位置正好在套管下层孔所形成的旋转流里，当水流从叶轮盒进水孔流人后，一方面驱动叶轮旋转，另一方面水流本身呈螺旋形上升，并从叶轮盒出水孔排出。在水流冲击轮周的叶片时，会产生转矩，使叶轮旋转起来。龙头开得越大，此处水流越急，叶轮就转得越快。 叶轮的轴垂直向上到达中层，轴上面有个小齿轮，用它和第二个齿轮啮合，达到累计转数的目的。第一个齿轮转一圈，第二个齿轮就转五分之一圈。第一个齿轮是主动轮，靠它来带动第二个齿轮。实际上每一级转速变化用两对齿轮完成，以使转动方向一致，其中传动比是均为1:5，串联在一起，总的传动比就是这两个的乘积，即1:25。同理，通过安装8个齿轮，就可以达到所需的很小转速。 我们在最后一个齿轮上放置一触点。 图示：触点与便卡的位置 二者之间用单向离合器同轴连接，触发轮上设置有触点，当一家庭持续用水一定时间后，齿轮转动带动触发轮，触点顶开固定弹簧的便卡，细杆在弹簧弹力的作用下，向下移动，此时塑料球会下沉，然后球会在水流压力的作用下，堵住出水口，达到断水的目的！当水流持续流水时间达不到所要要求时，最后一齿轮会因凸轮原理而复位。这类水表凭借其简单价廉，能在潮湿环境里长期使用而无需维修，而且不用电源，停电也不影响工作的优点依然会长期服务。图示：塑料球在水管中三、结构设计的有关计算 一、设定时间t内水龙头的流水量（以t=40min计）水龙头的平均流速V=5 dm/s=0.5 m/s.水管的平均横截面积A=（D/2）2,其中D=0.2dm.所以，1min时间的流量:q=VA=3.14*(0.2/2)2*5*60=9.42L在设定时间t=40min总流量：Q=qt=9.42*40=376.8L也就是说，一个水龙头持续40min时间以平均流速流水，将流出376.8L水，而一般水龙头下的盛水池为2-5L,在无人看管的情况下，多余流出的水量会造成很大的流水面积。 二、当水以一定流速流过水表时，水表的叶轮转动，其转速n和水流的速度v成正比。 n=cv n-叶轮转速； v-水流速度； c-比例系数比例系数c=（2030），取c=80/3.如以转速和流量关系表示： n=cq/A q-流过水表的水流量； A-流通面积。所以可得：n=80/3*0.5*60=800 r/min. 经查资料知，对于大多数装置（比如水表）来说，在常用流量时，叶轮的转速，一般在750900rmin。所以所求叶轮转速符合要求。 另外叶轮需要具有较好的动平衡性能，以减少运动副之间的磨损，提高限流器的使用寿命。 三、叶轮转动带动齿轮啮合运动，有关齿轮计算： 1、由于第一个齿轮与叶轮啮合，角速度相同，所以转度相等，即第一个齿轮的转速n1=800 r/min.图示：齿轮的啮合状态 为达到此装置所需要求，可用8对齿轮啮合，且啮合齿轮间的传动比i=5.0. 所以n8=n1/57=0.01 r/min. 在t=40min时间内，最后一个齿轮（第8个）转过的圈数： R=40*n8=0.4 r. 2、可设齿轮的模数m=0.6. 齿轮分度圆上的齿距p=m. 分度圆直径d=mz z-齿轮的齿数。 大齿轮的齿数z1=30，小齿轮齿数z2=6。 齿顶高系数ha*=1.0, 径向间隙系数c*=0.25。 d1=mz1=0.6*30=18mm； d2=mz2=0.6*6=3.6mm； 齿轮的齿顶高ha=mha*=0.6*0.1=0.6mm； 齿轮的齿根高hf=m（ha*+c*）=1.25*0.6=0.75mm。 3、齿轮数据填于下表中名称大齿轮小齿轮齿数（个）306齿轮的分度圆直径（mm）183.6齿顶高（mm）0.60.6齿根高（mm）0.750.754、 作品创新点图示：装置结构设计1、设计创意点1) 引入叶轮作为原动件，解决驱动问题；2) 采用齿轮组传动，达到很大传动比，以此作为计量依据；3) 引入单向离合器，触发轮复位时，不带动前面齿轮运动；4) 采用便卡作为触发装置，结构简单可靠，触发简单； 2、作品创意点1) 此装置全部采用机械设备，而且不用电源，能在潮湿环境里长期使用而无需维修，停电也不影响工作的优点依然会长期服务； 2) 节水限流器内部材料有齿轮、弹簧、塑料球等，材料易得，结构简单，制作方便；3) 在水龙头打开后没人守候的情况下，一定时间能自动关闭，可避免由于水满缸后外溢引起不必要的麻烦；4) 在长时间持续用水的情况下，自动断水，起警示作用，提醒人们用水量过多；5) 在水管爆裂、漏水且没被发现时能自动断水，节约能源，减少损失；6) 此装置造型精巧，体积小，价格便宜，结构简单，便于安装，实用性强。5、 成本预算 装置设计时利用金属和塑料制造，成本低廉，无需电源等额外动力，零件结构简单制作工艺容易，这