水能循環(huán)健身模型系統(tǒng)設計初步探討

摘要：系統(tǒng)由簡易跑步裝置、簡易健身自行車、曲柄連桿抽水裝置、水能循環(huán)裝置組成。首先通過人踩（手搖）健身自行車的主動輪增大被動輪的轉速，然后通過曲柄連桿帶動抽水管活塞拉桿，從而持續(xù)將下水箱的水抽入上水箱。當上水箱的水達到設計恒定水頭，具有重力勢能的水通過箱底管道從噴嘴處射出，沖擊水斗轉輪使其旋轉，并帶動連軸的跑步裝置運行，實現了自行車和跑步裝置相結合的水能利用健身模式。上水箱溢水和水斗轉輪尾水回到下水箱以便循環(huán)利用。該系統(tǒng)既可以讓人們鍛煉身體、休閑娛樂，又可高效利用水能，達到綠色、節(jié)能環(huán)保的效果。

關鍵詞：水能循環(huán) 健身 節(jié)能環(huán)保

1 研究背景

水能健身在市場上具有巨大的潛在開發(fā)價值，可以充分達到機械健身帶給人的健身效果，并且更加舒適、環(huán)保。在未來一段時間，水能健身將成為各國研究的重要課題之一，而水量耗量大和高標準的水質保證成了制約水能健身裝置發(fā)展的主要因素。像“水上跑步機”、“水下跑步機”、“水上行走器”等沒有考慮水量規(guī)模，一旦場地少水和缺水則整個裝置就陷入癱瘓中。像“家用游泳健身池”、“單人水上健身單車”等則對水質的要求很高，成本投入大，循環(huán)利用水的效果差。本系統(tǒng)配以簡單靈活的機械裝置，可使其適應更多的水質標準，達到鍛煉身體、休閑娛樂、節(jié)水環(huán)保的效果。

2 設計原理

2.1 設計思路

水能利用 水力勢能利用、綠色、節(jié)能減排

循環(huán)理念 節(jié)水環(huán)保、高效利用 水能循環(huán)健身系統(tǒng)

健身設備 鍛煉身體、休閑娛樂

2.2 結構設計

2.2.1 水能循環(huán)健身系統(tǒng)布局設計

本系統(tǒng)是一種高效利用水能的裝置，現實推廣中可布置于辦公大樓活動中心、居民小區(qū)及公園健身廣場等場所，具有靈活方便、簡單實用、綠色環(huán)保等特點。裝置豎直方向尺寸為1700mm，水平方向尺寸為2000mm，裝置整體采用角鋼支撐。整套系統(tǒng)劃分為四大組成結構：簡易健身自行車裝置、曲柄連桿抽水裝置、水能循環(huán)利用裝置、簡易跑步裝置。

2.2.2 簡易健身自行車裝置設計

見圖2-2，當人踩動踏板或者手搖主動輪時，通過鏈條可帶動被動輪和曲柄輪轉動，可讓曲柄具備足夠的轉速從而保證曲柄連桿抽水裝置抽水流量符合要求。

2.2.3 曲柄連桿抽水裝置設計

見圖2-3，該裝置上水管口徑為40mm，長1600mm。架中心離拉桿斜距200mm(下限制點)，支架中心離豎直搖桿斜距250mm（上限制點），拉桿行程為200mm。依靠曲柄盤的轉動將其圓周運動轉化為活塞和拉桿的上下往復運動，從而可以達到從低處抽水至高處的要求。把搖桿設計為非等距是從省力的角度考慮的。裝置設計的目的是為水能循環(huán)利用裝置提供持續(xù)、充足地水量，確保其裝置各部件的運行情況都能達到設計的要求。

2.2.4 水能循環(huán)利用裝置設計

裝置尺寸見圖2-4，隔水板的作用是穩(wěn)定上水箱水頭，多余的水可經排水管注入到下水箱中。下泄管則引導水流來沖擊水斗式轉輪。上部為中水斗式轉輪提供充足地水量和水頭，保證水輪的轉速使其正常運行。

中部設計見圖2-5，其目的是保證簡易跑步裝置的正常運行。噴嘴主要是集中水流來沖擊水斗，當水斗注水達到一定的重量時，在重力的作用下就可持續(xù)帶動轉輪轉動。閥門則調節(jié)水流的下泄速度，從而可調整轉輪的轉速，實現簡易跑步裝置速度可控的效果。轉輪外包殼則是用來防止水的飛濺引起的浪費。

計算公式【1】：

Q=UcA(2gH)1/2 Uc=1/(1+λL/D+Σξ)1/2 C=R1/6/N λ=8g/c2

式中：Q———下泄管噴嘴處的流量 L————管道沿程長度

Uc———管道流量系數 D————管道直徑

A———-管道噴嘴處的過水斷面面積 Σξ————管道局部損失系數

g————重力加速度 C————謝齊系數

H————上水箱穩(wěn)定水面至噴嘴處的高度 N————粗糙系數

λ————管道沿程阻力系數 R————管道半徑

經過實驗數據分析，水斗式轉輪能夠持續(xù)轉動并且簡易跑步裝置運行情況正常，說明下泄流量是符合要求的。

下部主要功能是為水能循環(huán)裝置上部及中部裝置正常穩(wěn)定的運行提供水源及回收中部及上部裝置的尾水和溢水。

2.2.5 簡易跑步裝置設計

簡易跑步裝置由跑帶、滾筒、底座和支架、可拆卸墊層組成，見圖2-7，其中，可拆卸墊層是用來調整跑帶的傾斜角度的。當跑帶趨于一個合理的角度時，有利于物體保持較好的運動狀態(tài)。

裝置運行中摩擦力是一個很關鍵的因素，所以需要合理選擇材料。計算過程中涉及到的水力學和力學公式及適用條件如下：

N=9.81QHη 【1】 M=9550N/n 【2】 Fe=2F0(efa-1)/(efa+1) 【3】

式中：N————水斗轉輪出力（KW） Fe————跑帶二端最大有效圓周力

η————出力效率 F0————空載情況下的拉力

M————水斗轉輪軸輸出轉矩 f————摩擦系數

n————水斗轉輪轉速 a————滾筒中心距

經過模型試驗和初步調試，基本達到設計要求。

從上述分析可知，該系統(tǒng)采用簡單實用地簡易健身自行車裝置，再結合曲柄連桿抽水裝置，使人在踩動（手搖）自行車踏板的情況下，利用健身方式持續(xù)地把水由下水箱抽向上水箱。通過對水能循環(huán)利用裝置的設計，實現了水能的高效利用并回收了尾水和溢水。再通過簡易跑步裝置的靈活設計，把水的絕大部分能量轉換成了該裝置轉動的動能，從而達到利用水能健身的最終目的。

3．創(chuàng)新特色

（1） 水能利用與健身相結合的方式具有低碳省電、綠色健康的效果，同時符合當今時代節(jié)能減排的主題。

（2） 系統(tǒng)運行中水流始終是循環(huán)流動的。具有節(jié)水、環(huán)保高效的效果。帶給人一種清新輕松的感覺。

（3） 系統(tǒng)可采用雙人或者多人協作健身的模式，既能增進人際交流和培養(yǎng)團結合作的精神，又符合全民健身的運動理念。

4．應用前景

應對現代社會“節(jié)奏快，任務繁重，精神壓力大”的生活工作模式，水能循環(huán)健身系統(tǒng)可在建筑大樓活動中心、居民小區(qū)活動區(qū)域、公園的廣場等場所快捷裝配。水能開發(fā)還可與公園水池、噴泉等設施結合，開發(fā)新功能。另外系統(tǒng)具有增氧功能，可實現景觀養(yǎng)殖等休閑娛樂方式，具有美化環(huán)境的效果。此外，還可開發(fā)諸如下蹲訓練器、平臥舉重床、下拉訓練器之類的水能健身器材新形式。本系統(tǒng)將為人們提供方便、科學合理的健身鍛煉設施（室內室外均可），符合低碳減排型社會建設的要求，具有節(jié)能、環(huán)保的特點。它將是具有良好發(fā)展前景的城市建設產業(yè)之一。

參考文獻

[1] 吳持恭 水力學，高等教育出版社，2007

[2] 劉啟釗 水電站，中國水利水電出版社，1996

[3] 張東生 機械零件及建筑機械，重慶大學出版社，2005

作者簡介：

姓名：黃圣平 性別：男 出生年月： 1989.01 學習單位： 湖南農業(yè)大學 學歷：本科

通訊作者：張文萍 性別：女 職稱：講師 出生年月： 1977.04 工作單位：湖南農業(yè)大學工學院 研究方向：水利水資源