□ 徐小虎 □ 嚴(yán)思杰 □ 周亞軍 □ 岳 金

華中科技大學(xué)數(shù)字制造裝備與技術(shù)國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室 武漢 430074

當(dāng)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(guān)。目前我國大部分城市普遍存在水資源供應(yīng)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(yán)重缺水，而大部分城市自身供應(yīng)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(yán)重的浪費(fèi)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(fù)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(hù)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(dá)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(diǎn)的同時，對其結(jié)構(gòu)進(jìn)行了改進(jìn)，所設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)內(nèi)容

為克服節(jié)水裝置成本高、耗能大等缺點(diǎn)，設(shè)計(jì)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(jié)構(gòu)原理，增加了機(jī)械腳踏裝置，控制進(jìn)出水量。

1.1 總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

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(jī)構(gòu)、出水踏板、增壓彈簧構(gòu)件。通過對出水踏板的按壓操作，實(shí)現(xiàn)簡單可控的進(jìn)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(jìn)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(jìn)行清理。管道與出水腔連接，出水腔內(nèi)部設(shè)有連桿機(jī)構(gòu)，通過對連桿機(jī)構(gòu)的功能設(shè)置，在需要用水時，就踩踏腳踏裝置，通過連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動，出水腔左端的進(jìn)水管道被關(guān)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(shí)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(jī)構(gòu)設(shè)計(jì)

所設(shè)計(jì)的節(jié)水裝置屬于純機(jī)械結(jié)構(gòu)，進(jìn)水管道與出水管道的通與閉都是通過曲柄連桿機(jī)構(gòu)的運(yùn)動來帶動連桿使其處于相應(yīng)的位置來實(shí)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(diǎn)位置（如圖2所示），此時止水連桿機(jī)構(gòu)的止水閥在右上方位置，進(jìn)水管道打開，出水腔開始儲水；通水連桿機(jī)構(gòu)的通水閥剛好運(yùn)動到堵住出水管道的位置，此時，出水管道關(guān)閉，使出水腔儲存的水不會流掉。當(dāng)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(jī)構(gòu)的通水閥運(yùn)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(jī)構(gòu)的止水閥剛好運(yùn)動到堵住進(jìn)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(jī)構(gòu)的MATLAB仿真

節(jié)水裝置對水流進(jìn)、出的控制主要是通過連桿機(jī)構(gòu)的兩個極限運(yùn)動位置來實(shí)現(xiàn)的，止水連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動極限位置情況如圖4所示，通水連桿機(jī)構(gòu)運(yùn)動極限位置情況如圖5所示。通過進(jìn)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?dāng)D壓出去，達(dá)到?jīng)_刷雜物的效果。

止水連桿機(jī)構(gòu)在默認(rèn)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(jī)構(gòu)的傳動角γ=0，機(jī)構(gòu)處于死點(diǎn)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(jī)構(gòu)也處于死點(diǎn)位置，其機(jī)構(gòu)的傳動角γ=0，這樣通水閥關(guān)閉，使儲存的水不被流出。止水與通水連桿機(jī)構(gòu)都與壓力板相連接，這樣通過運(yùn)動的慣性就會克服機(jī)構(gòu)死點(diǎn)位置。

此連桿機(jī)構(gòu)的連桿L1的運(yùn)動相當(dāng)于曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的滑塊運(yùn)動，因此將此連桿機(jī)構(gòu)等效為曲柄滑塊機(jī)構(gòu)，其中L3為曲柄，L1為滑塊，與普通的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)不同的是此機(jī)構(gòu)是通過滑塊L1的運(yùn)動來帶動曲柄L3的運(yùn)動。曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(zhuǎn)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(zhuǎn)化成幅值乘以角度的形式，即：

▲圖2 彈簧原始狀態(tài)連桿機(jī)構(gòu)示意圖

▲圖3 彈簧壓縮狀態(tài)連桿機(jī)構(gòu)示意圖

圖4 止水連桿機(jī)構(gòu)位置變化示意圖

▲圖5 通水連桿機(jī)構(gòu)位置變化示意圖

分別取上式的虛部和實(shí)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(dǎo)，得：

▲圖6 曲柄滑塊機(jī)構(gòu)的運(yùn)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(shí)例分析及其MATLAB仿真

對圖6所示的曲柄滑塊機(jī)構(gòu)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(biāo)上，得到：

化簡得：

對式（11）求導(dǎo)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(shè)： 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(jié)果，對曲柄滑塊結(jié)構(gòu)進(jìn)行適當(dāng)優(yōu)化，得到最佳的并且符合實(shí)際的曲柄和連桿的長度。

3 實(shí)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(guān)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(jī)構(gòu)運(yùn)動，帶動止水閥使之關(guān)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(yīng)的用水裝置連接，實(shí)現(xiàn)水的重復(fù)利用。

4 結(jié)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(shè)計(jì)了一款機(jī)械結(jié)構(gòu)的節(jié)水系統(tǒng)；這種裝置無能耗、結(jié)構(gòu)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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