家庭与宿舍节水装置的设计

□ 徐小虎 □ 严思杰 □ 周亚军 □ 岳 金

华中科技大学数字制造装备与技术国家重点实验室 武汉 430074

当今社会，水资源短缺已是一个共同话题，它与人类的生存密切相关。目前我国大部分城市普遍存在水资源供应不足现象，经过初步调查,发现669座城市中有400多座供水不足，110座严重缺水，而大部分城市自身供应水资源的潜力不大，缺水状况仍将持续下去。同时，城市生活用水还存在严重的浪费现象，主要表现为供水系统的渗漏、节水观念淡薄、重复用水率低及市政用水效率低等方面，虽然目前政府也采取了一系列的措施，但是效果不是很显著。人们虽已有节水的意识，但市场上现有节水装置的能耗与价格使人们不愿购买。

目前市场上有多种家庭和宿舍节水装置，大体上分为两类：一是价格型；二是耗能型。价格型和耗能型装置的效果相同，即节约用水、保护环境，但价格型价格昂贵，普遍使用率不高；而耗能型虽然价格不高，但需要消耗大量能量来达到节水效果，使用率也较低。

笔者在继承市场上节水装置优点的同时，对其结构进行了改进，所设计的节水装置不仅价格低廉而且使用方便，且无能耗，污染也小，是家庭和宿舍节水时的理想选择。

1 节水系统设计内容

为克服节水装置成本高、耗能大等缺点，设计了一种适于家庭与宿舍的节水装置，该装置主要利用连杆结构原理，增加了机械脚踏装置，控制进出水量。

1.1 总体结构设计

节水装置总图如图1所示，该装置主要包括储水、排水、过滤、增压系统。储水系统包括两个不同容量的储水箱，排水系统包括排水管道和阀门，过滤系统主要包括过滤网和过滤底箱，增压系统包括连杆机构、出水踏板、增压弹簧构件。通过对出水踏板的按压操作，实现简单可控的进出水。

储水箱通过装置上端的固定端子与家庭或宿舍的水池相连，储水箱上方装有过滤网，把比较大的污渍过滤掉，使稍微纯净的水进入水箱，储水箱与管道连接后有一定的高度差，使水流能顺畅流动。管道最底层有一个过滤箱，那些没有被排除的杂质就会沉淀在箱底，可定期对其进行清理。管道与出水腔连接，出水腔内部设有连杆机构，通过对连杆机构的功能设置，在需要用水时，就踩踏脚踏装置，通过连杆机构的运动，出水腔左端的进水管道被关闭，右端的排水管道被打开，而排水管道通过与厕所或其它用水装置连接，从而实现节约用水的目的。节水装置放于水池下，既方便又节省了空间。

▲图1 家庭与宿舍节水系统装置总图

1.2 连杆机构设计

所设计的节水装置属于纯机械结构，进水管道与出水管道的通与闭都是通过曲柄连杆机构的运动来带动连杆使其处于相应的位置来实现的。

脚踏装置在未施加外力的情况下，增压弹簧处于原点位置（如图2所示），此时止水连杆机构的止水阀在右上方位置，进水管道打开，出水腔开始储水；通水连杆机构的通水阀刚好运动到堵住出水管道的位置，此时，出水管道关闭，使出水腔储存的水不会流掉。当给脚踏装置施加外力时，增压弹簧处于压缩状态（如图3所示），此时通水连杆机构的通水阀运动到左下方位置，出水管道被打开，水从出水管流出；同时止水连杆机构的止水阀刚好运动到堵住进水管道的位置，压力板把出水腔中已经储存的水压出去。

2 连杆机构的MATLAB仿真

节水装置对水流进、出的控制主要是通过连杆机构的两个极限运动位置来实现的，止水连杆机构运动极限位置情况如图4所示，通水连杆机构运动极限位置情况如图5所示。通过进水管道和出水管道的一通一闭，可以保证出水腔能够储存足够多的水量，同样也能形成足够大的压力把水挤压出去，达到冲刷杂物的效果。

止水连杆机构在默认状态时的位置处于一个极限位置，如图4（a）所示，此时连杆和连架杆处于通条直线上，机构的传动角γ=0，机构处于死点位置，这样就能保证没有施加外力时，止水阀一直打开，出水腔开始储水。同时，通水连杆机构也处于死点位置，其机构的传动角γ=0，这样通水阀关闭，使储存的水不被流出。止水与通水连杆机构都与压力板相连接，这样通过运动的惯性就会克服机构死点位置。

此连杆机构的连杆L1的运动相当于曲柄滑块机构的滑块运动，因此将此连杆机构等效为曲柄滑块机构，其中L3为曲柄，L1为滑块，与普通的曲柄滑块机构不同的是此机构是通过滑块L1的运动来带动曲柄L3的运动。曲柄滑块机构的运动简图如图6所示，在图6中，L3、L2和b分别为曲柄滑块的曲柄、连杆和偏差，φ1、φ2分别为曲柄和连杆的转角，ω1、ω2分别为曲柄和连杆的角速度，S为滑块的位移。

2.1 位移分析

按图6中四边形ABCD的矢量方向AB=CD，将其用欧拉公式转化成幅值乘以角度的形式，即：

▲图2 弹簧原始状态连杆机构示意图

▲图3 弹簧压缩状态连杆机构示意图

图4 止水连杆机构位置变化示意图

▲图5 通水连杆机构位置变化示意图

分别取上式的虚部和实部，并在b前面乘N，N取值1或－1，用以表示滑块在X轴的上方或者下方，得到：

整理式（2）、式（3）得到：

2.2 速度分析

将式（1）两边对时间求导，得：

▲图6 曲柄滑块机构的运动简图

▲图7 滑块位移

根据式（7）和式（8）即可求得滑块的速度及连杆的角速度。

2.3 实例分析及其MATLAB仿真

对图6所示的曲柄滑块机构作具体分析如下。

建立图示的封闭矢量方程：

将式（9）分解到X与Y轴坐标上，得到：

化简得：

对式（11）求导得：

将式（12）用矩阵形式表示，令：

则可表示为：AX=B；从而可解出 ω2和。

假设： L3=50mm，L2=90mm，ω1=50 rad/s则 由MATLAB软件仿真得滑块位移曲线如图7所示。

根据MATLAB仿真结果，对曲柄滑块结构进行适当优化，得到最佳的并且符合实际的曲柄和连杆的长度。

3 实际工作方式

在使用此装置前，水池中的水会先通过过滤网把形状较大的杂质过滤掉，水会存入储水箱中。需要用水时先打开阀门，水通过管道流入过滤箱中，形状较小的杂质就会沉淀到过滤箱的底部。此时较干净的水由于高度差会自动流入出水腔中，而通水阀处于关闭状态，水不会流出。使用时就脚踩增压装置，通过弹簧作用使连杆机构运动，带动止水阀使之关闭，通水阀打开，然后水就会通过出水管流出，而出水管和相应的用水装置连接，实现水的重复利用。

4 结论

针对高校宿舍和家庭目前的用水现状和目前现有节水装置的不足，设计了一款机械结构的节水系统；这种装置无能耗、结构简单，同时简洁高效。节水装置的方案合理,节水效果明显,使用安全可靠,操作简单方便,且价格较低,易于推广普及。

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