毕业设计(论文)-10m3机械式定量阀的研究与三维造型设计.doc
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1、10m3机械式定量阀的研究与三维造型设计第一章 概述水是构成地球生命系统的基础要素,也是任何个体、任何国家、任何社会持续生存发展的重要资源。现有水资源短缺、水质污染的问题已日益引起世界各国的关注。建设节水型社会是实现水资源可持续利用与经济社会可持续发展的根本性措施。我国制定出的中国21世纪议程中明确把可持续发展作为国家发展战略写进了国民经济和社会九五发展计划和2010年发展规划之中。其中,作为党中央、国务院的重大战略决策,节水工作已经列入了各级政府工作议事日程,节约用水的观念正在一步步深入人心。节约用水,已经成为可持续发展的必然选择。1.1水资源概况水是地球上分布最广泛的物质。水是生命之源,是
2、一切动物、植物赖以生存、繁衍和发展的必需物质基础,万物都需要它。最初水为人类提供了一种食物的来源以及旅行的交通航线,生产和农业灌溉最早的人类文明出现于那些在周围环境起着重要作用的地方,这是对人类独创性的一个挑战。埃及人根据尼罗河河水每年的汛情制定出一年365天的日历。古代最有名的立法者巴比伦人,发明了管理用水的法律。中国人从水上获得灵感,修建了千里大运河,这是一个复杂的体系,直到今天仍然在使用,而且依旧使工程师们惊叹不已。今天,水一如往昔地控制着人类。水的存在决定着人们选择安家建城的位置;水的猛烈的可变性可以杀死人类或是人类的牲畜或是庄稼;水的航线把人们联系起来;水的巨大价值或许会加剧已经危险
3、的政治冲突。过去人们普遍认为水是“取之不尽,用之不竭”的,其实,地球上的水是在一定条件下循环再生的。18世纪的经济学家有着“水对生命至关重要,却一文不值;钻石对生命无关紧要,却价值连城。”的结论。然而,200多年后的今天,人类对水的需求量越来越大,加上环境污染、生态平衡破坏,人们开始感到可用水资源的匮乏;另一方面,人们在长期的社会实践中逐渐的把水的问题,连同水环境保护、生态保护等问题同人类的生息与社会发展联系在一起加以考察研究,并开始将水这一生命和人类社会赖以生存的最基本的自然因素、自然环境的重要因子当作资源看待。1992年联合国环境和发展大会上通过的二十一世纪议程指出:“淡水是一种有限资源,
4、它不仅为维持地球上一切生命所必需,而且对社会经济部门都具有生死攸关的重要意义”。1.2我国水资源利用现状水资源不足是我国的基本国情。我国受所处地理位置、气候、降水、地形、地貌等自然条件以及人口、耕地与矿产资源分布的影响,水资源的主要特点表现为:1、 水资源总量较丰富,但人均、地均水资源占有量少。我国水资源总量约为28100亿m3 ,河川径流量居世界第6位,但人均水资源量仅为2200m3,约为世界人均水资源量的1/ 4,世界排名第121位,被列为世界上13个贫水国家之一,其中华北地区人均水资源量小于400m3,已属于严重缺水地区。2、 水资源时空分布极不均匀。 南方与北方水资源分布相差悬殊,南方
5、人均水资源量达到3600 m3以上,而北方人均水资源量只有720 m3,占国土面积50以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20左右。南方多水地区利用程度较低,北方少水地区,水资源开发利用程度比较高,导致河流断流和湖泊洼淀萎缩。西北干旱区大量挤占生态环境用水,荒漠化趋势蔓延。3、水资源年际变化大,年内分配不均。目前,我国水资源短缺问题十分突出,已经成为我国经济和社会可持续发展的重要制约因素,而且随着人口的增加和城市化水平及民众生活质量的提高,解决水资源短缺的问题已显得愈加紧迫。90年代末,全国680座建制市中,有400座城市不同程度地缺水,严重缺水的城市达108座。据初步统计,全国
6、城市年缺水量达180亿t,今后城市用水对水量和水质还将有更高的要求。我国每年因供水不足造成工业产值的损失高达上千亿元。农业用水因城市和工业的发展而被大量占用,使本来就不敷农用的水源更紧张。现有0.47亿m2有效灌溉面积中,约有0.07亿m2因水源不足而无法灌溉,估计仅此一项就少生产粮食150亿200亿kg。今后要保证农业的稳定发展,农业用水的缺口还将越来越大。如仍按目前1 m3水生产0.85kg粮食的水平测算,到21世纪中叶,因粮食增产而需新增加的农业用水就将超过1000亿m3。同时维系生态环境系统基本功能的水量被挤占,使生态系统失去平衡,城乡大量废污水排放,又使环境受到污染。对于中国这样一个
7、幅员辽阔、人口众多的国家来说,水资源问题矛盾重重,已成为我国经济、社会进一步发展的主要障碍。要解决水资源短缺问题,只有依靠充分节约用水和合理配置水资源,使供水的低增长与国民经济的高速发展相适应、匹配,以有限水资源的可持续利用来保障社会经济的可持续发展。 建设节水型社会,是21世纪一场伟大而深刻的革命,是最紧迫的时代课题。联合国发出警告:人类在经历了石油危机后,下一个危机就是水。保护和合理利用水资源,是全世界面临的一项十分艰巨和紧迫的任务。节约用水是生态水利的长久之策,也是解决我国缺水贫水的当务之急。合理用水、节约用水和污水资源化,是开辟新水资源和缓解供需矛盾的捷径,非但不会影响生活、生产用水水
8、平,还会减少污染,改善环境,促进生产工艺进步,提高产品产值,提高人民生活质量。1.3 用水器具和设备的主要节水方法推广应用节水器具与设备是实现节约用水的重要途径,可以说节约工业用水和城市生活用水,在很大程度上要借助于节水器具和设备。用水器具和设备的主要节水方法不外乎:1、限定水量,如限量水表;2、限定(水箱、水池)水位或水位适时传感器、显示,如水位自动控制装置、水位报警器;3、防漏,如低位水箱的各类防漏阀;4、限制水流量或减压,如各类防漏阀;5、限时,如各类延时自闭阀;6、定时控制,如定时冲洗装置;7、改进操作或是提高操作控制的灵敏性,前者如冷热水混合器,后者如自动水龙头、电磁式沐浴节水器装置
9、;8、提高用水效率;9、适时调节供水压力或流量,如微机变频调速给水装置;上述这些方法几乎都是以避免水量浪费为特征的。1.4流量控制阀的概况流量控制阀是通过改变截流口通流面积的大小或通流通道的长短来改变局部阻力的大小,从而实现对流量的控制。常用的流量控制阀有节流阀、调速阀和分流集流阀等。节流阀是通过改变截流口过流面积,从而调节进入到液压系统中的流量的。调速阀是由定差减压阀与节流阀串连而成的组合阀。节流阀用来调节通过的流量,定差减压阀则自动补偿负载变化的影响,使节流阀前后的压差位定值,消除了负载变化对流量的影响。分流集流阀是分流阀、集流阀和分流集流阀的总称。分流阀是使液压系统中由同一油源向两个执行
10、元件供应相同的流量,或按一定比例供应流量,以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系。集流阀使从两个执行元件收集等量或按比例的回油量,以实现其相互之间的速度同步或定比关系。分流集流阀则具有分流阀和集流阀的功能。 本次所设计的10m3机械式定量阀就是一种典型的流量阀。1.5论文选题的内容、目的及意义农业,是水资源的用水大户,也是水资源的浪费大户。解决水资源短缺问题的出路是发展节水农业,在全国范围内推广节水灌溉,改变千百年来人们浇地的传统习惯,把浇地变为浇作物,按作物的最佳需水要求进行灌溉,用较少的水去获得较高的产出效益。提高农业用水效率不但是解决我国水资源紧缺的有效途径,而且是农业生产自身发展的
11、重要保障。节水灌溉是我国农业灌溉的发展方向,我国目前正开发和大面积推广使用各种节水灌溉技术,农业节水灌溉被认为是农业再上新高的关键。但在我国许多灌区缺乏完善的计量体系,致使灌区不能按量供水,制约了水资源高效利用。为配合对灌区计量设施体系的完善,减少农业用水的浪费,国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心研究设计出了10m3机械式定量阀,为我国农业灌溉对水流进行定量控制、避免水资源浪费提供了便捷装置。在本次毕业设计中,将凭借国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心所设计的10m3机械式定量阀的AutoCAD二维工程图,应用由美国参数公司PTC开发的Pro/Engineer 三维制图软件,完成对10m3机械式定量
12、阀的三维造型设计。第二章 定量阀的总体设计及工作原理2.1定量阀的总体结构设计本次设计中的10m3机械式定量阀是一种典型的流量阀。它是通过改变水流通道的通流时间来控制水的流量的。该机构的动力来源于水流的压力,利用水流的压差,使水流流过水流通道,依靠水流对叶轮的冲击力带动齿轮减速机构、凸轮机构运动,通过刻度盘对需水量进行调整,完成对通流时间的控制,从而完成对流量的定量控制。 2.2定量阀的工作原理定量阀的工作原理示意图如图21所示,水流从进水口A流进,在水流的冲击力作用下叶轮转动,并带动叶轮轴转动,然后通过齿轮减速机构的传动来控制凸轮对密封轴的开闭控制。在整个壳体的外部有一根橡胶管(图中样条曲线
13、所示)联接着进口A处和压力平衡口C处。图21 定量阀示意图1、密封轴 2、刻度盘 3、凸轮 4、密封片 5、叶轮 6、过滤网当阀处于关闭状态时,密封轴1打开,水从进口A处流进阀体,橡胶管导通,C处、D处均充满由进口A处流进的水。根据连通器原理,连通器内水的压力处处相等,则密封片上方D处的压力与进水口A处的压力相等。密封片上方有锥形大弹簧的弹力作用,因此,密封片上方的D处的总压力大于下方进水的压力,密封片与壳体之间的缝隙(水流通道)被封闭,水流无法通过。 当阀处于开启状态时,密封轴1关闭,水从进口A处流进阀体,橡胶管中没有水流动,密封片上方的D处的总压力小于下方进水的压力,密封片与壳体之间的水流
14、通道被打开,水流通过过滤网6、叶轮5,流经水流通道,由出口B流出。2.3 定量阀的应用特点及使用范围该定量阀主要采用聚乙烯塑料制成,体积小,重量轻,便于安装,而且系统的动力来源于液流本身,不需要有其他的动力为其提供能源,相对于其他的控制要节能的多。刻度盘可以对流过液体做精确的定量控制,可以广泛的应用于流体的定量控制系统,或用于对液流进行计量收费的系统。但是该流量控制阀不能用于腐蚀性较强的液流控制系统。定量阀应用广泛,主要可以应用于:1、应用于农业灌溉方面。可以对灌溉的水源进行定量控制,提高水的利用率; 2、应用于水费自动征收系统。根据所缴纳的水费,对供应的水进行定量控制,实现自动化管理;3、应
15、用于大面积灌溉,但人力资源不充足的情况。例如需要灌溉的面积比较大,且分布零散时,采用该定量控制阀,只需要按所需流量设定好刻度值打开阀门,在系统流过设定的流量后将自动关闭,不需要人工关闭,节省了人力和时间,可以一人负责多面积的灌溉;4、应用于矿泉水或者无腐蚀饮料的罐装。既可以进行准确的定量,又可以节省人力资源和电力能源,降低企业的生产成本;5、应用于电力设备不方便或者不需要电力设备的供水系统。例如在山坡上进行灌溉时,由于地处偏僻,用电力设备进行控制比较不便,可以采用该定量阀进行控制。24 定量阀的使用说明在定量阀被生产出来后,应该将其内部在生产时留下的废料及杂物清理干净,然后用与之配套的封装盖将
16、进水口和出水口封闭。当需要使用时,拆除封装盖,选用合适的内螺纹管件将进水口、出水口与管路联接起来,并进行密封。旋转刻度盘至所需水量的刻度处,即打开系统。当系统流过设定水量,刻度盘复位,系统关闭。2.5 齿轮传动系统该定量阀系统采用齿轮机构来传递动力,如图22所示,齿轮5、6、7、8、9均为双联齿轮,齿轮10在叶轮、叶轮轴的带动下转动,从而带动与其啮合的双联齿轮8作反方向转动,双联齿轮8上部的小齿轮带动双联齿轮9转动,通过双联齿轮7、6、5,动力传至双联齿轮5上部的小齿轮,与其啮合的齿轮3也转动,同时凸轮轴与其一起转动,凸轮与凸轮轴通过销联接固连在一起,因此,凸轮也一起转动,当凸轮转动使密封轴进
17、入凸轮凹槽中时,系统停止运动。31 图22 齿轮传动系统2.6系统中轴的作用如图22所示,系统中有三根轴,凸轮轴和凸轮、刻度盘之间都是通过销联接的,当刻度盘转动一定的角度时,凸轮在凸轮轴的带动下一起转动同样的角度,系统被打开;当凸轮转动使密封轴进入凸轮凹槽中时,系统停止运动。叶轮轴12和叶轮之间采用过盈配合,因此,当叶轮转动的时候,叶轮轴会一起转动,从而带动系统的正常运转。但是,侧轴4和凸轮轴、叶轮轴的作用都不同,侧轴是固定不动的,它在系统中起的是定位的作用。2.7 刻度盘的工作原理及定位当刻度盘顺时针转动(由上向下看)一个角度时,凸轮、凸轮轴上的齿轮与其一同转过相同的角度,齿轮传动系统也随之
18、转动,此时系统被打开,齿轮系统在叶轮的带动下将动力传动至凸轮轴,此时,凸轮、刻度盘将作逆时针转动,直至凸轮转动使密封轴进入凸轮凹槽中时,系统关闭。刻度盘的刻度定位可以通过计算进行标注,但计算过程较麻烦不利于实践,在生产使用时可以通过试验的方法对其进行定位标注。当系统关闭时,刻度盘指示为0,当刻度盘转至最大流量时,试验测出所通过的流量,并标注其刻度值;然后将0至最大刻度间进行等分,标注出刻度。应进行多次反复试验,对刻度进行精确标注。图23 刻度盘组件效果图第三章 定量阀的主要零部件造型设计3.1定量阀的凸轮机构及其转换在本次10m3机械式定量阀的设计方案中,凸轮采用了水平圆盘式凸轮,其结构如图3
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