一種自調節流速減緩器的設計與測試

陳學森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技術大學 機器人智能控制及功能化結構設計實驗室，上海 201620)

?

一種自調節流速減緩器的設計與測試

陳學森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技術大學 機器人智能控制及功能化結構設計實驗室，上海 201620)

設計了一種自調節流速減緩器，以負反饋調節原理實現了對水流量和流速穩定的自我調節。首先，提出一種“Y”型減速機構，并對該結構的流量穩定原理進行分析;然后對自調節流速減緩器的主要結構部件進行設計;最后以進水口的水壓為自變量，對有、無自調節流速減緩器的出水口水流量進行測試。測試結果表明,當進水口水壓改變時，自調節流速減緩器能有效地將出水口的水流量穩定在一定的范圍內，很好地解決一些低樓層居民用水水壓過大及水資源浪費的問題。由于該減緩器采用了負反饋調節原理，因此無需外加其他附件和能源。

減速機構； 水流量； 穩定； 負反饋； 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，水資源是發展國民經濟不可缺少的重要自然資源。雖然水占了地球的70%，但對于龐大的人口基數來說，可供人類使用的淡水卻少之又少，在世界許多地方，對水的需求已經超過水資源所能負荷的程度，同時有許多地區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，而對于低樓層用戶而言，這是不需要的，多數時候也因此造成水資源的浪費。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，同時會濺得一身的水。據不完全統計，我國每天因為水流速過大而造成浪費的水資源就達14.4萬t。

目前，市面上也有類似降低流速的產品，但它們的工作原理大多是利用螺旋槳進行流速的調節，該方法在水流速越大時，螺旋槳的轉速將會越大，這種調節方式只能相對地降低水流速，不能從根本上將水流速控制在某一穩定范圍內。

本自調節流速減緩器實用性主要在于：①為了在不需要高水壓的地方降低水壓，節約水資源，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，它具有結構簡單，維修方便，造價便宜的特點；③本自調節流速減緩器最大的不同點在于利用水流使堵塊轉動，轉動的堵塊又對進口周期性封堵，能使水流量和堵塊轉速穩定在某個范圍不需要外加附件，從而達到降低和穩定水流量的作用。因為這是把水的動能轉化成了堵塊的轉動動能，所以如果用在低樓層用戶，既能減緩低樓層用水時的水流速，又不影響高樓層用戶的供水。

1 自調節流速減緩器設計

1.1 流量穩定原理

自調節流速減緩器的結構如圖1所示,扇形連接架三葉片之間互成120°。

圖1 自調節流速減緩器工作原理圖

水從進口處流入，在水流動作用下，3個堵塊轉動，每轉過120°就將進口堵住一次，使得水流速和流量降低。當水壓增大時，相應的堵塊轉動角速度隨之增大，堵塊把進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，而是穩定在某個范圍內。這樣，利用負反饋調節實現了對水流量和流速的自我調節[3-5]，其穩定原理如圖2所示。

圖2 穩定原理

1.2 主要零部件

本自調節流速減緩器共有10種零件，標準件4種，分別為M3螺釘、M6螺栓、M6墊圈和滾動軸承6 200;自主設計零件有6種，分別為殼體、端蓋、扇形連接架、堵塊、滾動軸承墊片和端蓋墊片。圖3為自調節流速減緩器軸測圖。

圖3 自調節流速減緩器軸測圖

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構提供封閉的空腔，減速機構能在里面自由轉動而不漏水。殼體上有與堵塊相吻合的圓弧形凹槽，堵塊轉到此位置與其吻合時便能起到封堵進口的作用。殼體總長與家用水表相同，安裝時采用家用水表的安裝標準即可[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”型減速機構)

扇形連接架造型如圖6所示，3個葉片互成120°。扇形連接架的作用是連接堵塊以及帶動堵塊轉動。圖7為堵塊，其上有與扇形連接架配合的階梯凹槽，一個扇形連接架需要配置3個堵塊，裝配好后的“Y”型減速機構如圖8所示。該減速機構為自調節流速減緩器的核心機構，扇形連接架的扇葉型設計有利于該減速機構在水流作用下自行轉動；末端配置的3個堵塊則與殼體上的圓弧形凹槽相吻合，起到封堵進口的作用。在此設計中，堵塊的設計是一個難點，為了能讓整個減速機構持續運轉，堵塊封堵殼體進口的時間理論上只能是一個瞬時。就是說，如果此時刻進口被完全封住，下一時刻就必須打開，所以要求堵塊長度不能過長，減速機構將停轉；過短，進口無法完全封堵，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”型減速機構三維造型

2 自調節流速減緩器測試

2.1 測試原理

圖9為自調節流速減緩器測試原理圖，水流用家用4分管導通。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“有自調節流速減緩器”和“無自調節流速減緩器”兩種情況下讀取此時的水流量數據。

圖9 自調節流速減緩器測試原理圖

對于不同的水壓都測出與其對應的一個“有自調節流速減緩器”情況下的水流量值(L/min)和一個“無自調節流速減緩器”情況下的水流量值(L/min)。通過2個水流量值的對比來驗證自調節流速減緩器功能。

“家用水表”為讀取數據之用，本次測試的要得到的數據是流量(L/min)。讀數方法是讓所有設備流過某一水壓的水流，待所有實驗設備正常工作后，用高清攝像機錄取一段大概30 s家用水表運轉的視頻。完成試驗后，用計算機截下視頻中家用水表運行得最為均勻、流暢的10 s。然后在這10 s的視頻中讀出開始時刻水表的刻度值V0和結束時刻水表刻度值V1。所得的數據為水的流量Q[7-13]，為了方便計算，把單位換算為L/min。即：

2.2 測試結果及分析

2.2.1 測試結果

自調節流速減緩器測試結果如表1所示。

2.2.2 結果分析

對比表1中的Q1和Q2，可見自調節流速減緩器能不同程度的降低水流量。由圖10可知，無自調節流速減緩器的數據折線一直增大；同時，有自調節流速減緩器的數據折線在流量約為12 L/min處曲折變化，即水流量基本穩定在12 L/min處。

表1 自調節流速減緩器測試結果 L/min

注：Q1為無自調節流速減緩器的水流量;Q2為有自調節流速減緩器的水流量。水壓值隨編號增加而增加，因技術限制，沒能測出具體水壓值

圖10 自調節流速減緩器測試結果折線圖

將測試所得數據做三次擬合，得到自調節流速減緩器測試結果擬合曲線圖，如圖11[14-15]所示。在圖11中，可以比較形象、直觀地看出：在無自調節流速減緩器情況下，數據曲線呈單調遞增趨勢，說明水流量將會隨著水壓的增加而繼續增加；同時有自調節流速減緩器情況下，數據曲線在約12 L/min(縱坐標)處發生顯著彎曲，表現出保持平衡，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，這是一個非常適宜的水流量，既能滿足日常生活需要，又不會因水飛濺而引起不快和造成浪費。綜上所述，本自調節流速減緩器有降低和穩定水流量功能。

圖11 自調節流速減緩器測試結果擬合曲線圖

3 結 語

本文研制的自調節流速減緩器能夠實現對水流量和流速的降低和穩定。用在一些低樓層家庭可以很好的解決因為水壓過大而引起的用水不快和因此引起水資源浪費等問題。

目前，該自調節流速減緩器雖然只能運用日常生活，但還是為工業中一些需要降低和穩定液體流量和流速研究提供參考，也為本研究以后應用于工業領域奠定了基礎。

[1] 程曉冰. 水資源保護概況 [J]. 水資源保護，2001(4)：8-12.

[2] 丁文喜. 中國水資源可持續發展的對策和建議 [J]. 中國農學通報，2011(14)：221-226.

[3] George K Batchelor. 流體動力學引論 [M]. 北京：科學出版社，1997：159-181.

[4] 梁 焰，程屏芬. 流體物理學 [J]. 力學進展，1988(2)：222-236.

[5] 楊冠生. 工程力學建模 [J]. 天津職業學院聯合學報，2013(6)：12-15.

[6] 王 杰，程明遠，李士曉. 淺談機械設計加工中應注意的幾個問題 [J].科技信息，2013(11):512-513.

[7] 吳 嘉. 流速測量方法綜述及儀器的最新進展 [J]. 計測技術，2005(6)：1-4.

[8] 曲行麗，楊廷劍. 流量測量技術綜述 [J]. 信息科技，2011(22)：749+754.

[9] 盤文豪. 基于視頻的明渠流量測量中目標捕獲與跟蹤的研究與實現 [D]. 西安：西安科技大學，2014：16-24.

[10] 李 峰. 基于圖像的流速監測系統設計與研究 [D]. 太原：太原理工大學，2011：7-26.

[11] 李 剛. 基于圖像處理的山溪性河流流速測量研究 [D]. 呼和浩特：內蒙古科技大學，2010：46-51.

[12] 劉建軍，何志江，李白羽,等. 圖像法水面流速測驗方法簡介 [J]. 水文，2003(6)：53-54+61.

[13] 韓予皖. 基于視頻處理的河水流速檢測系統設計 [D]. 太原：太原理工大學，2013：5-24.

[14] 王愛平. 視頻目標跟蹤技術研究 [D]. 長沙：國防科學技術大學，2011：32-40.

[15] 張建偉. Origin 9.0科技繪圖與數據分析超級學習手冊 [M]. 北京：人民郵電出版社，2014：96-149.

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

上海工程技術大學實踐教學建設項目(p201324001)；大學生創新項目(cs1224004)

陳學森(1992-)，男，廣東廣寧人，本科生，主要研究方向為運動控制技術及加減速控制算法等。

宋 芳(1980-)，女，山東禹城人，講師，碩士生導師，研究方向：高速高精度控制算法，機器人技術，運動控制技術等。

E-mail:songfang2005@163.com

TP 271

A

1006-7167(2015)10-0062-03