一种自调节流速减缓器的设计与测试

陈学森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技术大学 机器人智能控制及功能化结构设计实验室，上海 201620)



一种自调节流速减缓器的设计与测试

陈学森， 宋 芳， 盛超杰， 李朋笑， 凌俊峰

(上海工程技术大学 机器人智能控制及功能化结构设计实验室，上海 201620)

设计了一种自调节流速减缓器，以负反馈调节原理实现了对水流量和流速稳定的自我调节。首先，提出一种“Y”型减速机构，并对该结构的流量稳定原理进行分析;然后对自调节流速减缓器的主要结构部件进行设计;最后以进水口的水压为自变量，对有、无自调节流速减缓器的出水口水流量进行测试。测试结果表明,当进水口水压改变时，自调节流速减缓器能有效地将出水口的水流量稳定在一定的范围内，很好地解决一些低楼层居民用水水压过大及水资源浪费的问题。由于该减缓器采用了负反馈调节原理，因此无需外加其他附件和能源。

减速机构； 水流量； 稳定； 负反馈； 水压

0 引 言

水是人类及一切生物赖以生存的必不可少的重要物质，水资源是发展国民经济不可缺少的重要自然资源。虽然水占了地球的70%，但对于庞大的人口基数来说，可供人类使用的淡水却少之又少，在世界许多地方，对水的需求已经超过水资源所能负荷的程度，同时有许多地区也濒临水资源利用之不平衡[1-2]。

但是，有很多地方为了给高楼层供水，往往都加上很高的水压，而对于低楼层用户而言，这是不需要的，多数时候也因此造成水资源的浪费。例如：住在底层楼的用户往往一打开水龙头，水就喷射似地往下流，同时会溅得一身的水。据不完全统计，我国每天因为水流速过大而造成浪费的水资源就达14.4万t。

目前，市面上也有类似降低流速的产品，但它们的工作原理大多是利用螺旋桨进行流速的调节，该方法在水流速越大时，螺旋桨的转速将会越大，这种调节方式只能相对地降低水流速，不能从根本上将水流速控制在某一稳定范围内。

本自调节流速减缓器实用性主要在于：①为了在不需要高水压的地方降低水压，节约水资源，并能使自来水用户舒适地使用自来水，而不至因水压过高而水流飞溅所引起的不快；②可以很方便地安装在平常人家的房子里，它具有结构简单，维修方便，造价便宜的特点；③本自调节流速减缓器最大的不同点在于利用水流使堵块转动，转动的堵块又对进口周期性封堵，能使水流量和堵块转速稳定在某个范围不需要外加附件，从而达到降低和稳定水流量的作用。因为这是把水的动能转化成了堵块的转动动能，所以如果用在低楼层用户，既能减缓低楼层用水时的水流速，又不影响高楼层用户的供水。

1 自调节流速减缓器设计

1.1 流量稳定原理

自调节流速减缓器的结构如图1所示,扇形连接架三叶片之间互成120°。

图1 自调节流速减缓器工作原理图

水从进口处流入，在水流动作用下，3个堵块转动，每转过120°就将进口堵住一次，使得水流速和流量降低。当水压增大时，相应的堵块转动角速度随之增大，堵块把进口堵住的频率也随之增大，水流量和流速就不再随水压增大而增大，而是稳定在某个范围内。这样，利用负反馈调节实现了对水流量和流速的自我调节[3-5]，其稳定原理如图2所示。

图2 稳定原理

1.2 主要零部件

本自调节流速减缓器共有10种零件，标准件4种，分别为M3螺钉、M6螺栓、M6垫圈和滚动轴承6 200;自主设计零件有6种，分别为壳体、端盖、扇形连接架、堵块、滚动轴承垫片和端盖垫片。图3为自调节流速减缓器轴测图。

图3 自调节流速减缓器轴测图

1.2.1 壳体和端盖

图4为壳体三维造型图，图5为端盖三维造型图。壳体和端盖装配后为里面的减速机构提供封闭的空腔，减速机构能在里面自由转动而不漏水。壳体上有与堵块相吻合的圆弧形凹槽，堵块转到此位置与其吻合时便能起到封堵进口的作用。壳体总长与家用水表相同，安装时采用家用水表的安装标准即可[6]。

图4 壳体三维造型图图5 端盖三维造型图

1.2.2 扇形连接架和堵块(“Y”型减速机构)

扇形连接架造型如图6所示，3个叶片互成120°。扇形连接架的作用是连接堵块以及带动堵块转动。图7为堵块，其上有与扇形连接架配合的阶梯凹槽，一个扇形连接架需要配置3个堵块，装配好后的“Y”型减速机构如图8所示。该减速机构为自调节流速减缓器的核心机构，扇形连接架的扇叶型设计有利于该减速机构在水流作用下自行转动；末端配置的3个堵块则与壳体上的圆弧形凹槽相吻合，起到封堵进口的作用。在此设计中，堵块的设计是一个难点，为了能让整个减速机构持续运转，堵块封堵壳体进口的时间理论上只能是一个瞬时。就是说，如果此时刻进口被完全封住，下一时刻就必须打开，所以要求堵块长度不能过长，减速机构将停转；过短，进口无法完全封堵，起不到降低水流量的作用。

图6 扇形连接架三维造型图7 堵块三维造型

图8 “Y”型减速机构三维造型

2 自调节流速减缓器测试

2.1 测试原理

图9为自调节流速减缓器测试原理图，水流用家用4分管导通。图中“某一水压的水流”先通过“家用水表”，然后在水压不变的情况下分别再在“有自调节流速减缓器”和“无自调节流速减缓器”两种情况下读取此时的水流量数据。

图9 自调节流速减缓器测试原理图

对于不同的水压都测出与其对应的一个“有自调节流速减缓器”情况下的水流量值(L/min)和一个“无自调节流速减缓器”情况下的水流量值(L/min)。通过2个水流量值的对比来验证自调节流速减缓器功能。

“家用水表”为读取数据之用，本次测试的要得到的数据是流量(L/min)。读数方法是让所有设备流过某一水压的水流，待所有实验设备正常工作后，用高清摄像机录取一段大概30 s家用水表运转的视频。完成试验后，用计算机截下视频中家用水表运行得最为均匀、流畅的10 s。然后在这10 s的视频中读出开始时刻水表的刻度值V0和结束时刻水表刻度值V1。所得的数据为水的流量Q[7-13]，为了方便计算，把单位换算为L/min。即：

2.2 测试结果及分析

2.2.1 测试结果

自调节流速减缓器测试结果如表1所示。

2.2.2 结果分析

对比表1中的Q1和Q2，可见自调节流速减缓器能不同程度的降低水流量。由图10可知，无自调节流速减缓器的数据折线一直增大；同时，有自调节流速减缓器的数据折线在流量约为12 L/min处曲折变化，即水流量基本稳定在12 L/min处。

表1 自调节流速减缓器测试结果 L/min

注：Q1为无自调节流速减缓器的水流量;Q2为有自调节流速减缓器的水流量。水压值随编号增加而增加，因技术限制，没能测出具体水压值

图10 自调节流速减缓器测试结果折线图

将测试所得数据做三次拟合，得到自调节流速减缓器测试结果拟合曲线图，如图11[14-15]所示。在图11中，可以比较形象、直观地看出：在无自调节流速减缓器情况下，数据曲线呈单调递增趋势，说明水流量将会随着水压的增加而继续增加；同时有自调节流速减缓器情况下，数据曲线在约12 L/min(纵坐标)处发生显著弯曲，表现出保持平衡，说明水流量将不随着水压的增加而增加，基本保持在12 L/min左右。而12 L/min的流量与一栋10层楼高的建筑中5～6楼用户的水流量相当，这是一个非常适宜的水流量，既能满足日常生活需要，又不会因水飞溅而引起不快和造成浪费。综上所述，本自调节流速减缓器有降低和稳定水流量功能。

图11 自调节流速减缓器测试结果拟合曲线图

3 结 语

本文研制的自调节流速减缓器能够实现对水流量和流速的降低和稳定。用在一些低楼层家庭可以很好的解决因为水压过大而引起的用水不快和因此引起水资源浪费等问题。

目前，该自调节流速减缓器虽然只能运用日常生活，但还是为工业中一些需要降低和稳定液体流量和流速研究提供参考，也为本研究以后应用于工业领域奠定了基础。

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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

上海工程技术大学实践教学建设项目(p201324001)；大学生创新项目(cs1224004)

陈学森(1992-)，男，广东广宁人，本科生，主要研究方向为运动控制技术及加减速控制算法等。

宋 芳(1980-)，女，山东禹城人，讲师，硕士生导师，研究方向：高速高精度控制算法，机器人技术，运动控制技术等。

E-mail:songfang2005@163.com

TP 271

A

1006-7167(2015)10-0062-03