一节水装置样机研制的复杂性研究

陶表达

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

一节水装置样机研制的复杂性研究

陶表达

(湖北第二师范学院 物理与机电工程学院，武汉 430205)

研制机械创新产品时首先需要构思理想状态下的总体工作原理；而在样机制造的过程中，受各种生产条件、制造成本等因素的制约，需要重新设计。一节水装置样机研制过程也经历了这种反复。通过重新设计适应液压标准元件，既显著降低样机的研制成本，又实现样机的功能演示目标。研制的结果表明：充分认识各液压元件的基本工作原理，而非盲从教科书表面上的条条框框，对于机械创新产品的样机制造至关重要。

液压系统；节水装置；设计方案；样机制造

1 问题的提出

机械创新产品主要是指基于全新原理、全新构思而研制的新产品，而非对类似产品进行仿造或对相应产品进行局部改造，通常以一次性项目或者小批量开发为特征[1]。

在机械创新产品构思中，设计者常需应用专业知识(机构运动示意图、液压职能符号图等)阐述设计意图，如果能完整构思出新产品在理想状态下的总体工作原理，且不违背基本物理定律，则创新设计工作通常完成相当大的比例。

机械创新产品不能仅停留在理论上，理论上再好，一旦付诸实现就会面临很多问题，制造样机的过程并非一帆风顺，受生产成本、加工条件、所掌握的技术和资源等诸多因素限制，不断调整，这种调整显示出巨大复杂性，机械所具有的独特复杂性暴露无遗，不可避免地需要多次反复修改和不断完善，常走弯路是创新产品研制中不可避免的事情。

本文所研究的节水装置全名是“主动预储能式节水便器冲洗装置”，其原理已在文章[2]中进行详细论述，曾参加2008年湖北省大学生机械创新设计大赛，获得省级一等奖。

比赛要求参赛作品不能仅停留在理论上，必须做出实物样机。本文试图还原该样机研制过程中所经历的反复，再现创新作品从理论到样机过程中所遇到问题，总结创新作品样机研制经验，为创新作品的样机研制提供一个参考。

2 节水装置最初设计的工作原理

节水装置的最初设计方案如图1所示，上抬杠杆1带动增压单杆活塞缸2向上移动，该缸下腔的水压变小，水通过单向阀8补充，此时人做的功储存在单杆活塞缸2的弹簧中。

图1 节水装置最初设计方案示意图

当缸2活塞低于A点时，松开杠杆1，此时缸2下腔水压增大，但二位二通压差控制阀7未能开启，不能冲水，此特殊设计有利于控制出水初始压力。

当缸2活塞高于A点时，松开杠杆1，此时缸2下腔水压增大，该压力水经单向阀6作用于阀7阀芯的右侧，当其大于左侧的自来水水压力与弹簧力的合力时，阀7开启，在缸2活塞上侧的自来水压和弹簧的合力作用下冲洗污物，实现增压冲洗的目的。

阀7开启后，缸2的活塞随着冲水过程下移，当活塞低于图示的A点时，阀7便在阀芯左侧弹簧力作用下，使阀芯右侧的水通过节流阀4及图示A点流回自来水系统，阀7的阀芯便慢慢关闭。

当图1所示状态只有节流阀5起作用时，阀7开启至关闭的时间变长，实现大便冲洗水量大的要求；当手动换向阀3换向时，节流阀4、5共同起作用时，阀7开启至关闭的时间变短，实现小便冲洗水量小的要求。

当阀7的阀芯进入图1所示状态时，装置便关闭，停止冲水。上述功能实现便器冲洗装置的全部功能，即冲洗大便水量大、冲洗小便水量小、且半自动关闭。

通过调整节流阀4、5的开口度，可调整节流时间，控制冲便的排水时间。

3 最初设计节水装置在样机制造过程中所面临的问题

在学习《液压传动》课程中，教材[4-5]上常讲液压元件已标准化、系列化和通用化，使得设计、制造和使用都比较方便，缩短设计、制造周期，降低成本的优点；同时液压元件也具有制造精度要求高、造价贵等缺点。

实际样机制造过程中发现，标准化、系列化、通用化适合于某些行业，且相关液压元件体积大、重量重，远远超过本作品的要求，手册[6-7]上根本找不到适合本作品的元件。

图1中增压单杆活塞缸2属于非标准件，它将弹簧设置于缸体内，以节省外部空间；基于特殊目的，将管口A设置于缸体上靠近中间部位，但是这一特殊设置使得活塞上的密封圈在往复运动过程中容易被管口A切掉，使得单杆活塞缸的密封失效。

像液压缸这样的密封设备对制造的要求较高，无法自行加工，必须从市场上购买。在市场上考证后发现没有现成的液压缸卖，只能根据给定的尺寸来订做。订做时，只需要给出缸的内径、行程、工作压力等关键参数，其它尺寸都是标准值。订做非标准液压缸时价格较贵(约三千元)，时间也比较长(至少半个月)，重量较大(至少40KG)，且不一定能做成功。

二位二通压差控制阀7也属于非标准件，单件订做时，一般厂家不单独生产。阀芯要想左右运动，必须设置三角槽润滑，可能会造成密封不严，产生漏水现象。订做的时间较长，成本太高，且不一定达到最终要求。

节流阀4、5在市场上价格也较贵，都比较笨重，没有适合本作品要求的轻便节流阀。

尽管能够通过原理图论证功能，但是机械创新设计大赛要求不能仅停留在理论上，必须做出实物样机，而实际制造成本又过高，粗略估算单个作品至少得1万元，超过承受能力，且风险较大，不一定能成功。

市场上只有标准气压缸卖，价格较便宜，且其管口也是标准值，比水管的口径要小得多，其瞬时冲水量显然不具备可比性，因此不能进行比较研究。

综合上述市场考察及技术分析，可得如下结论：

(1)最初设计的方案虽然原理上可行，但实际制造和使用时，某些特殊设计(如缸油口A点)不可行，需要改进设计；

(2)因各种原因，方案中所需的液压元件，在市场上没有完全合适的标准件，完全按原方案来实现的话，制造的成本高，投入大，风险高，不划算。

(3)参赛的目标仅是模拟增压冲洗大便小便的动作，即只需进行压下杠杆的初始操作，剩下的冲洗和关闭自动进行，显示大便冲洗的延时时间长，小便冲洗的延时时间短，主控阀门能够自动开启和关闭，验证方案的可行性；

(4)如果按原始设计及最终实际样品的要求严格进行研制的话，不仅投入成本过大、风险过高、而且不一定成功。

因此，需对最初设计方案进行改进，尽量使用标准件(如气压缸、各种阀等)来模拟样机功能，降低制造成本及风险，以适应演示的目的要求。

4 改进设计后样机的工作原理及改进考量

4.1 改进设计后样机的工作原理及实物图

改进后样机的原理图如图2所示，对应实物如图3所示，为了清楚对比原理图和实物图，图3中标注了与图2中对应液压元件的编号，没有再标注液压元件的名称，为了避免标注后图线交错，图3的编号局部打乱了。

图2 节水装置改进设计方案示意图

图3 节水装置改进设计后样机实物图

改进后的工作原理为：上抬杠杆1增力做功时，通过主缸2的弹簧储存能量，水通过单向阀3进入主缸2的下侧。松开杠杆后，单向阀3关闭，主缸2下侧的水通过单向阀4进入控制缸7，驱动摆杆6顺时针转动，驱动二位二通机动换向阀5换向，使得阀5开启，自来水在缸2上侧自来水压及预储存的弹簧能共同作用下，增加压力冲洗，强化冲洗效果，以达节水目的[2]。大小便冲洗时间长短的控制原理同最初设计方案，此处不再说明。

控制缸7在其受压弹簧的弹性恢复力作用下，其上侧的水通过节流阀8流回供水系统，当其处于图2所示状态时，阀5关闭，冲水结束。

经过上述改进后，整个系统可以用较便宜的标准件(气压缸、球阀等)来模拟实现样机功能，成本大大降低。

4.2 图1中主缸2的模拟改造

主缸2的初始设计如图4(a)所示，改进后如图4(b)所示，它将A点的特殊设置变为标准设计，即利用缸自身的标准设计口。实际制作后如图(c)，它将放在缸2的内部的弹簧置于缸体外侧，将标准缸略加改造，实现样机所需非标准缸的功能，改进后弹簧置于缸体外侧，且仍使用标准缸的标准接口。

图4 图1中缸2的改造图

4.3 图1中阀7的模拟和改造

初始设计中压差控制阀7(如图5(a)所示)为非标准件，改造成图5(b)所示结构后，既因均采用标准件，极大地降低研制成本，又能实现自动开启和自动关闭。图2中的缸7采用标准气压缸，阀5仍采用标准件球阀，只是改造球阀的控制柄来实现开启和关闭动作。

图5 图1中阀7的改造图

4.4 图1中节流阀4、5的模拟与改造

市场上同样也没有低压节流阀卖，需通过图示球阀来模拟，此处需要利用《液压与气压传动》[4-5]中的公式：

q=kAΔpm

(1)

由上面公式，通过改变阀口的过流面积来实现节流，其实物图如图6所求，仍采用标准件球阀来模拟节流阀功能，图中可明显看到过流面积可以改变。

图6 图1中节流阀4、5的改造图

其它说明：图2中的阀9也采用标准件球阀来实现；单向阀3、4可直接购买。

经过上述改进后，实现了样机的演示目标。但是原本体积可以做得非常小、但成本非常高的原理图1，变成了体积非常大、但成本非常便宜的原理图2及实物图3。样机的最终实现成本为3000元左右，而初始方案的实现成本经市场考证后至少为13000元，可见改造后成本低，风险小，能够实现样机的演示目标，值得进行。

5 结论

理论上验证创新的可行性相对较容易，而要将理论创新变成实物样机则困难重重，实现过程受成本、技术、所拥有的条件等诸多因素限制，其中成本是限制样机实现的最为关键因素，不考虑成本的样机试制，往往风险大、成本高、收效小。

通过本文的分析可得出以下研制经验：

⑴ 在构思机械创新产品的工作原理过程中，常需忽略一些次要因素，考虑理想情况下、不违背基本物理定律的总体工作原理，集中精力解决总体方案的可行性；

⑵ 在研制过程中，最初的设计方案并非一成不变，不可避免出现各种各样的问题，不能因暂时碰到的局部问题而盲目否定全盘设计，只要不违背基本的物理定理、物理规律就能通过改进设计，解决实现过程中所碰到的各类问题。

⑶ 在解决问题的过程中，要充分应用书本[4][5]上的基本原理、基本概念、基本公式，认识到问题的本质，不能局限于书上的条条框框。如本文图1中节流阀4、5，以及手动换向阀3等的改造都应用到书本上的基础知识，而和书本[4][5]上所介绍的具体液压元件的“形”有很大差别。

⑷ 成本是样机研制过程中不得不考虑的关键因素，为降低成本，必须改进设计，尽量采用现成的标准件，除非不可避免，决不能使用非标准件。如本文图1中的缸2，二位二通压差控制阀7的改造，就是充分利用标准件来实现所需的功能。

⑸ 要辩证看待书本上的标准化、系列化、通用化，它只适用于某些行业、某些领域，决不是任何行业、任何领域、任何方向都有标准元件的。液压缸应该来说是标准件，但样机研制过程中却在市场上买不到，需要提供关键参数给液压缸的制造厂商，由它们来订做。

对于这种具体参数已经标准化，而市场上又没有现成商品的标准件，姑且称之为“部分标准件”，切不可盲目自行设计，设计的结果常常是许多方面不够标准、不够专业，最终白费功夫，本作品研制过程中经历过此阶段。

⑹ 改进设计方案时，要结合待实现的功能目标，尽量采用标准件来实现，这样改进设计方案时就有了明确的方向。如本文中主要功能目标就是增压冲水，能实现自动开启、自动关闭的功能，而样机的体积大小、占用的空间大小就不是追求的目标。认识到功能目标后，样机制造过程就能用市场上现成的标准件来改进初始设计方案，实现功能目标了。

样机制造好后，能非常明显地实现演示目标：自动开启，自动关闭，冲洗大便的时间长，冲洗小便的时间短。

[1]张春林，曲继芳，等. 机械创新设计[M]. 北京：机械工业出版社，2006.

[2]陶表达．现有便器冲水装置节水性的理论分析[J]. 中国新技术新产品，2008，138(10)．

[3]陶表达．机械创新模式探索[J]．湖北第二师范学院学报，2009，26(2)．

[4]许福玲，陈尧明．液压与气压传动[M]．北京：机械工业出版社，2007，5．

[5]苟维杰．液压与气压传动[M]．长沙：国防科技大学出版社，2010．

[6]全国阀门标准化技术委员会.阀门产品样本(上、下)[M].北京：机械工业出版社，2006，5.

[7]宋虎堂.阀门选用手册[M].北京：化学工业出版社，2007，1.

Manufacturing Complexity of the Prototype of a Style of Water-Saving Device

TAO Biao-da

(School of Physics & Mechanical Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The general working principle should be conceived before the research and design of mechanical innovation products under an ideal state; since the problems of manufacturing difficulties, high cost, huge risk and other limits in the process of the prototype manufacturing, redesign is usually unavoidable, and the prototype development process of a water saving device also experienced this. Through the redesign based on the hydraulic standard components, the development cost of the prototype is greatly reduced, and the function target which the prototype demonstrates is realized. The results show that it is very important for the innovative prototype manufacturing to fully understand the basic principle of the hydraulic components, rather than indiscriminately follow the restrictions and fetters of the textbook which provides a paradigm for designer on how to think deeply and develop the prototype.

hydraulic system; water-saving equipment; design scheme; prototype manufacturing

2016-12-10

湖北省教育厅科学技术研究项目(B2013020)

陶表达(1972-)，男，副教授，研究方向为CIMS、智能控制、机械创新产品研制的复杂性。

TH162

A

1674-344X(2017)2-0025-05