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1、自动断水闸阀设计者：徐驰，严兆，曹倩，李明哲指导老师：张晓元，王富庆（武汉大学 水利水电学院 湖北 武汉 430072 ）作品内容简介我们通过一系列实验，独立研制出一款新型闸阀自动断水闸阀。这款闸阀利用纯机 械原理实现了自动断水并控制出流总量的功能。本闸阀的最大优点在于能调节出流总量。闸阀的基本工作原理是利用水流冲击涡轮时， 流速及流量与涡轮的转速之间存在的固定关系，因此，在闸阀中我们设计了一种传动减速装 置，此传动减速装置与控制出水总量的自动断水装置相连，当出水总量达到设定值时，它将 关闭闸阀。此设计能够满足人们在日常生产生活中对自动断水、定量出水的需求，有助于人 们高效利用水资源。本闸阀使
2、用方便，原理简单，安全可靠，精度高，符合可持续发展的时代主题。而且本 闸阀的改进空间较大，今后可在此基础上对其进行完善，形成系列，以满足不同使用情况下 的实际需求。关键字：水流冲击，节能，节水，传动减速，出水量控制1 研究背景当今世界人口不断增长，环境日益恶化，水资源短缺情况日益严重。如何更高效地利用 水资源，已成为国内外一个重要的研究课题。尤其像我国这样人口众多、水资源分布极不均 衡且人均占有量很低的国家，高效用水犹为必要。提高水资源利用效率具有十分重要的现实 意义。闸阀是十分普遍的用水工具，好的闸阀能够方便我们的生产生活。现在闸阀的品种纷繁 复杂，功能日益增多，其中自动断水是比较实用的功能
3、。然而经过我们调查发现大多数具有 此种功能的闸阀都需要外接电源，不符合节能环保的思路。借这次水利创新设计竞赛，我们 想要在这一方面做一些改进，设计出一款机械闸阀，能够自动断水同时可以自由控制出流总 量。使它服务于人民大众的生产生活。在工业生产中，时常有需要定量控制液体添加和排放的地方，例如发酵工程中需要定时 定量地更换培养液。而这款闸阀正好可以控制各种流体的出流总量，提高流体的利用效率， 想必不失为一种价格低廉的新方案。在我国农业生产中，水资源浪费现象仍十分严重，尤其是在灌溉方面。在资源愈发紧缺 的今天，我们有必要改进目前较为落后的农业生产方式，真正实现可持续发展。我门设计此 款闸阀可以帮助实
4、现农业生产自动化，为农业灌溉中水资源的调配提供便利。在日常生活中，它可以解决由于人为疏忽造成的水资源浪费现象。目前市场上有一些具有类似功能的闸阀，但是或多或少都存在一些缺陷。像上面提到的， 这些闸阀大多需要外接电源，不节能环保。而且，农业方面需要的闸阀大多得在野外工作， 电网很难覆盖到，假使勉强建设供电网络，网络的建设、管理和维护都将要很大的开支。虽然目前市场上已经存在一些不需外接电源的自力式阀门，但是由于它们的一些缺点， 使得具有此种功能的闸阀依旧难以推广。比如“自动控制阀”，它的动力装置的原理与本闸阀 相似，均是利用水流的冲击力，冲击阀门内的叶轮旋转，当连续流量达到设计数量时，闸阀关闭。随
5、着闸阀的关闭，闸阀开度逐渐减小，水流流量不断减小。这样，出流量精度就 难以保证。利用液压原理的“水力自控阀”较好地解决了这方面的问题，能够自动控制闸阀的开闭 精确调节压力、流量、水位。但是其内部结构过于复杂，技术要求过高。例如其内部气囊的 气密性要求较高，其双室结构膜片经过多次启闭后易损坏。成本很高，不利于推广。综上所述，现有的自力式闸阀都有一定的缺点。因此，我们致力于研制出一款原理简单 功能完善、安全可靠、易于维护、造价低廉的闸阀，让它更好地服务于人民的生产生活。2 设计原理2.1 设计思路 水在流动的过程中携带有能量，水流冲击涡轮时，流速及流量与涡轮的转速之间存在固 定的关系。因此，我们决
6、定研制出一款闸阀，借助水流的冲击力带动涡轮转动，再由涡轮带 动传动减速装置运动，并将此传动减速装置与控制出水总量的自动断水装置相连，当出水总 量达到设定值时，它将关闭闸阀。该装置运转时完全利用机械原理，无需外部电源，只需要借助管道中水流的能量。2.2 主要部件结构说明及其工作原理闸阀由涡轮，传动减速装置，自动断水装置三部分构成（1） 涡轮：实物如图 1图 1 涡轮结构说明此装置由两部分组成：蜗壳和叶轮。其结构如图 2所示涡轮轴孔对称剖开-导流乔广蜗壳：蜗壳主体由一中空的圆柱体组成，其前后端分别开有一系列的斜口，两组斜口间 成一定角度的错位。叶轮：叶轮位于蜗壳内部，轮片呈矩形。叶轮通过传动轴与传
7、动减速装置的 1 号传动轮 相连。工作原理： 水从闸阀入水口流入，经过导流网后有规律的流动。水流继续流经蜗壳后，流态将会发 生改变，在蜗壳内部会产生环流，从而均匀分布到叶轮周围，并产生足够的动力带动叶轮旋 转。流入的水将从闸阀的出水口流出。（2） 传动减速装置结构说明：图 3 传动减速装置如图 3 所示：传动减速装置由6 个半径不同的齿轮契合而成，分别为1 号传动轮、2 号传 动轮、3 号传动轮、4 号传动轮、5 号传动轮及主轮。1 号传动轮通过传动轴与涡轮中的叶轮相 固结，主轮上连有一个外伸的控制轴，并与自动断水装置相固结。工作原理：闸阀运转后，叶轮产生的旋转将通过传动轴作用于 1号传动轮，
8、通过齿轮间的相互作用， 1 号传动轮将带动 2 号传动轮转动，同理可知，旋转将最终传递给主轮。由于齿轮的半径逐 渐增大，相应的角速度将逐渐减小，因此主轮将以微小的角速度旋转。水流流速一定时，叶 轮转动的角速度 等于 1 号传动轮的角速 度，因此由齿 轮间线速度 与角速度的 相互关系:= -可以计算出传动减速装置主轮的旋转角速度。主轮通过与之固结的控制轴与自动断水装置相连，因此可将叶轮缩减后的旋转角速度传 递给自动断水装置。3) 自动断水装置如图 4 所示图 4 自动断水装置结构说明:如图 5 所示，自动断水装置由弹片、制动轮、制动杠杆组成。图 5 自动断水装置工作原理:闸阀开启后，当水流通过闸
9、阀时，由于水流流速及流量与涡轮的转速之间存在固定的关 系，而制动轮又是由涡轮通过传动减速装置带动的，因此，制动轮的转速与水流流速及流量 之间必然存在固定的关系，其转过的角度则与出水总量直接相关，当我们调整好制动轮的初 始位置后，制动轮的凹槽转过我们设定的角度后将转至控制杠杆的正下方，控制杠杆在弹片 的作用下将制动轮制动，同时，控制杠杆上端弹起，带动装置使闸阀自动关闭。3 创新特色首先，本闸阀利用水流的冲击力作为动力实现闸阀的自动关闭。无需外接能源，因此节 能环保。其次，本装置利用纯机械原理控制出水时间进而控制出流总量。并且，控制出流总量的 操作简单，只需要打开闸阀，拧动刻度盘。4 应用前景本闸
10、阀在生产生活中有广阔的应用前景:1. 工业方面的应用 在工业生产中，时常有需要定量控制液体添加和排放的地方。如在发酵工程中需要定量 地更新发酵细菌的培养液，向发酵罐中添加营养成分。我们研制的闸阀可以满足此种需求， 为其提供价格低廉的新方案。2. 水利基础设施建设农业灌溉中斗渠及其以下渠系出水量控制 我国虽然是一个农业大国，但是，我们在农业灌溉方面水资源利用效率极低，斗渠及其 以下渠系出水量控制装置较为缺乏。我们设计的闸阀可以用于渠系的配水、输水。3. 养殖业领域的相关应用 在我国特别是南方大部分地区，渔业等养殖业比较发达。此款闸阀可以用于定量更换养 殖池中的水，换完水后，自动关闭，十分方便。4. 家庭中的使用 在我国许多地区严重缺水，时常会发生停水和限时供水等情况。这款闸阀可以解决由于 人为疏忽造成水资源的浪费。同时也为国家计量供水量提供方便。参考文献1. 刘万军，自动控制阀，中国专利CN1336502, 2002.02.202. 刘永、刘庆（天津市国威给排水设备制造有限公司），中国科技成果， 20033. 任史勃，阀门执行器自力阀，中国期刊网， 2003.01闸阀整体结构：闸阀整体结构及工作原理见图6 实际已制成闸阀装置照片见图 7。图 6 闸阀整体结构及工作原理图 7 闸阀装置实物图片
