机械式断水自闭阀作品Word下载.docx
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在正常情况下使用时,只需转动手柄使阀芯上阀口和进水管相通,便实现了水的导通。
此时水龙头在工作机理方面和普通水龙头相同,此时水压力大于弹簧的弹力和自身重力。
2、停水情况
当停水时,水压变为零,弹簧的弹力和自身重力大于水的压力,便会使阀芯沿着滑槽方向向下移动到底部。
阀口方向同纸面垂直。
3、来水情况
当水再一次来水的时候,此时水压力大于弹簧的力及自身重力,阀体竖直向上移动。
且滑块不受滑道的约束。
阀口仍然处于垂直于纸面的状态,虽然阀口已经上升到入水口位置,此时水流仍然无法导通。
不会像普通水龙头一样会浪费水资源。
同时可以在阀体上安装一个带有指示的标签。
可以利用水压的有无来指示现在是停水状态还是有水状态。
4、水龙头工作时序表
时序号
工作状态
有无水压
人为动作
阀芯
阀口是否对正
出水
现场环境
位置
原因或状态
状况
原因
1
正常使用
有
初始状态
顶部
水压力大于弹簧弹力,活塞处于顶部
否
不满足条件2
正常使用情况,开启与关闭与普通水龙头相同
2
旋转打开
停留在顶部,跟着手柄旋转,无上下移动
旋转至对正
是
满足所有条件
3
使用中突然停水
无
下移
仅受弹簧弹力,被压到底部,下移时阀口旋向改变
旋转至垂直
不满足条件1、2、3
使用中突然停水,即使不人为关闭龙头,龙头也会自动关闭,再来水时也不出水
4
停水
底部
停留在底部
5
上移
随着旋转上升
不满足条件3
6
人为作用下处于顶部
7
松开手
下移的同时旋转阀口方向改变
8
9
恢复来水
阀芯上移但不旋转
不满足导通条件2
10
来水
水压力大于弹簧弹力,阀芯被推到顶部
11
单纯旋转至对正方向,不上下移动
恢复正常使用状态,此时同普通水龙头一样开启与关闭
12
有水
旋转关闭,返回“时序1”初始状态。
旋转至垂直于对正方向
注:
导通条件1—阀芯位置处于顶部
导通条件2—阀口位置对正,即阀口方向与水流方向一致
导通条件3—有水(压)
四.主要创新点和优点
1.水龙头导通需要同时满足两个条件(即1.阀芯位置处于顶部,2.阀口位置对正,即阀口方向与水流方向一致。
一般的龙头只需要阀口方向与水流方向一致即可);
2.龙头上盖内壁的导引滑槽和导块的共同作用使得阀芯在弹簧弹力的作用下下移的同时还会旋转;
3.压力传导槽将水压传导到阀芯底部推动阀芯向上移动;
4.本作品利用水压自身的能源,通过机械结构实现逻辑判断,不需电源;
5.安装中无方向角度等特殊要求;
6.保持了原有水龙头的造型和使用方法,容易为大众所接受。
五.受力分析
1.求阀芯重力和水压力
(1)按照国家建设部管网供水压力服务规范要求,城市供水服务压力为0.14兆帕斯卡,一般城市目前管网平均压力达到0.30MPa以上,远远高于国家标准。
计算中取水压为0.14Mpa,考虑到管道沿程损失和用水情况引起的波动,计算过程中取水压力为0.1Mpa,这样可以保证水压波动和用水高峰时的欠压下亦能正常使用。
(2)阀芯截面积
S=
×
D2=
(20×
10-3)2m2=3.1416×
10-4m2
则水压作用在阀芯上的力为
F=PS=0.14×
106Pa×
3.1416×
10-4m2=43.98N
(3)计算阀芯的重力G
查表知铜的密度为ρ=8.92×
103kg/m3
阀芯截面积S=π/4×
10-3)2m2=3.14×
阀芯柱高为h=50×
0.001m=0.05m
阀芯体积V=Sh=1.57×
10-5m3
则G=ρVg=8.92×
103kg/m3×
1.57×
10-5m3×
9.8m/s2≈1.37
2.计算滑槽所需最小升角λ
λ=arctan(S/2πr)=arctan(15×
4/(2π×
10))=44°
3.弹簧和密封圈的选择
为保证阀芯能顶得上去,如图:
应有Fp-G-f-Fmax≥0即31.42-1.37≥Fmax+f【1】
阀芯在断水后能在弹簧的作用下下移到最底端,如图,应有:
Fmin+G-f-N’≥0
即N’-1.37≤Fmin-f【2】
综合式子【1】、【2】可得
2f+Fmax-Fmin≤31.42-N’【3】
式【3】中Fmin即为弹簧初压力,△F=Fmax-Fmin为弹簧
此即在弹簧长度压缩量变化时的弹力变化量
△F=k·
△x(取△x=15mm)【4】
图滑道滑快受力分析
设每个密封圈贡献的摩擦力大小为f’,仅考虑环在阀芯上的两个密封圈的影响,则f=2·
f’
查阅手册知,铸铁与橡胶的摩擦因数为0.5(有润滑)和0.8(无润滑),现取摩擦
因数μ=0.75
设密封圈的预紧力为N,则
f=2f’=2μN=2×
0.75N=1.5·
N【5】
如图,为保证有足够的扭矩使阀芯下移时转动,有F1·
D=M(M为密封圈摩擦力对阀芯的反向扭矩,取为0.06(N·
m))
即20·
F1=0.06×
1000(N·
mm),则F1=3(N)。
因滑道的角度为45,则N’/2=F1=3(N),即N’=6(N)【6】
将【4】、【5】、【6】代入【3】,有
3·
N(N)+15·
k(N/mm)≤31.42-6=25.42(N)
估取预紧力N=3(N),k=1(N/mm),则上式为
9+15﹤25.42
满足阀芯上下运动条件。
代入【1】,则有
31.42-1.37≤Fmax+f
即Fmax≤25.05(N)【7】
代入【2】,有N’-1.37≤Fmin-f
即Fmin≥9.63(N)【8】
〖1〗圆柱螺旋弹簧计算:
项目
单位
公式及数据
原始条件
最小工作载荷P1
N
最大工作载荷Pn
25
工作行程h
Mm
15±
弹簧外径D2
mm
弹簧类别
N≤103次
端部结构
端部并紧,磨平,支承圈为1圈
弹簧材料
碳素弹簧钢丝
参数计算
初算弹簧刚度P’
N/mm
(25-10)/15=1
工作极限载荷Pj
≥Pn=25
弹簧材料直径d弹簧中径D与有关参数
根据Pj与D查表得:
d
D
Pj
Fj
Pd’
1.0
28.66
5.019
5.71
有效圈数n
圈
5.71/1=5.71,按标准取n=6
总圈数n1
n1=n+2=8
弹簧刚度P’
=Pd’/n=5.71/6=0.952
工作极限载荷下的变形量Fj
=n·
Fj=6×
5.019=30.114
节距t
=Fj/n+d=30.114/6+1=6.019
自由高度H。
t+1.5d=6×
6.019+1.5×
1=37.614,按标准取H。
=38
=D+d=12+1=13
弹簧内径D1
=D-d=12-1=11
螺旋角α
(°
)
=arctan(t/∏D)=arctan6.019/(3.14×
12)=9.07
展开长度L
=∏Dn/cosα=(3.14×
12×
8)/cos9.07°
=305.4
验算
最小载荷时的高度H1
=H。
-P1/P’=38-10/0.952=27.496
最大载荷时的高度Hn
-Pn/P’=38-25/0.952=11.739
极限载荷时的高度Hj
-Pj/P’=38-28.66/0.952=7.895
实际工作行程h
=H1-Hn=27.496-11.353=16.143≈15±
工作区范围
P1/Fj=0.33,Pn/Fj=0.83即0.33~0.83
技术要求
总圈数n1=8,旋向为右旋,展开长度L=305,硬度HRC45~HRC50
由以上数据,将选择弹簧的参数列出如下:
材料
Ⅲ类弹簧,N=1×
103以下,碳素弹簧钢丝Ⅱ组,表面氧化处理,右旋,两端并紧磨平或锻平,支承圈数为1圈
材料直径d
弹簧中径D
弹簧钢度P’
自由高度H°
小载荷弹簧长
大载荷弹簧长
工作行程
圈数
节距
0.952
38
27
16
6.019
0.9
0.997
35
23
15
8.5
4.842
1.4
1.13
60
53
22
2.90
弹簧效果图〖2〗密封圈的规格
选择材料为丁晴橡胶XAI7453HG/T2811-1996
其尺寸如图:
d1=15±
0.17,d2=2.65±
0.09
d4max=20.0d4min=19.54(d4为与密封圈配合的孔的直径)
《机械设计手册润滑与密封》表10-4-6,知b=3.6(为密封圈槽宽度,zmin=1.5,r1=0.4,r2=0.3
粗糙度要求,根据(GB/T3452.3-1998)
沟槽底面和侧面的粗糙度:
Ra=1.6,Rmax=6.3
配合表面的粗糙度:
Ra=0.4,Rmax=1.6
《机械设计手册润滑与密封》表10-337,知XAI7453的硬度为70±
5,拉伸强度最小为11Mpa,扯断拉伸率最小为250﹪,压缩永久变形最大为50﹪(100℃,70h)
t=2.2+00.1,设压缩量为△=10﹪,查表得密封圈的弹性模量为E=1.13Mpa。
六.应用前景
目前市场上有通过复杂的电子电路结合传感器实现随用随开的功能,但该种水龙头成本高、对环境要求高,需外接电源,故一般应用的不是很广泛。
我们的产品使用的是机械式构造,结构相对简单,批量生产,制造成本低,对环境要求不高。
其使用方法和外形构造基本无异于现广泛使用的水龙头。
能更能为人们所接受。
在大范围苗圃浇灌方面,如果在喷灌终端安装该水阀,则关闭所有水阀时只需要关闭总阀,就可以关闭所有水阀,再打开总阀时,便不会打开所有水龙头,如同机房关机时,只需要关闭总电源即关闭所有电脑,使用时再根据需要打开即可。
七.预计产品效果图
八.关于本作品的图片
机械式断水自闭阀实物
团队成员获奖合影比赛现场合影
比
赛
该作品的参赛展板
我
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