机械创新设计方案

作品简介，该产品的主要结构包括:滑轨，软管，软管收纳槽，刚性水管，喷头，换向阀，土地湿度传感器，电机，喷头，可活动式水管接口，轴承，滑轮等。本产品特殊的结构设计为适应各种花坛花圃，可以有效利用滑轨的优势代替现有的多个固定喷头浇花，结构简单，成本低廉，安装方便，对水资源及材料和土地的使用有着显著的减少。

一、研究背景:

当今全球所面临的一个大问题就是资源问题，而水资源更是其中最重要的资源之一。基于此，我们便对现有的花坛浇灌进行了改进。如今的花坛浇灌是由多个喷头来实现花坛浇花，实现起来并不复杂，但是多个喷头是同时工作，所以当某一个喷头出现问题时，喷头喷出的水不能达到预期效果时，水就会白白浪费。为了有限的解决多个喷头，我们研究设计了这套利用轨道浇灌的浇灌系统。该系统的主要功能是利用喷头喷出的水作为动力来实现喷头在轨道上来回运动，这样既解决了能量消耗问题，同时又达到了浇灌的目的。该产品材料简单，制作方法别具一格，制作成本相对较低，目前市场上还没有此类产品，相关领域已经涉足对此类产品的研究，但是还存在一些问题待进一步研究解决，例如水管通水后的刚性，轨道长期放置室外被杂物堵塞等，因此该产品具有很强的实用价值和广阔的市场前景。

二，设计方案

2.01 土壤湿度传感器

土壤湿度传感器又名：土壤水分传感器、土壤墒情传感器、土壤含水量传感器。主要用来测量土壤相对含水量，做土壤墒情监测及农业灌溉和林业防护。土壤湿度传感器采用FDR频域反射原理。FDR(Frequency Domain Reflectometry)频域反射仪是一种用于测量土壤水分的仪器，它利用电磁脉冲原理、根据电磁波在介质中传播频率来测量土壤的表观介电常数，从而得到土壤相对含水量，FDR具有简便安全、快速准确、定点连续、自动化、宽量程、少标定等优点。是一种值得推荐的土壤水分测定仪器。

2.02 智能进水阀门

通过土壤湿度传感器获取需要浇水土壤的湿度后和设定值比较，当湿度低于花生长需要的湿度时，给电机一个信号通过电机的正转打开进水阀门的开关。当土壤湿度上升到花需要的湿度时，给电机一个信号通过电机的反转关闭进水阀门的开关。

2.03 三通道换向阀

当装置运动到轨道的一端时，触动换向阀改变喷头进水水流的方向使喷头改变喷出水的方向从而使装置向轨道的另一个方向移动。

2.04 导轨系统

导轨系统由四个T型导轨组成。用于固定整个的喷头装置以及减少装置运动的摩擦阻力。

2.05 U型管道收纳槽

收纳槽在导轨的一面，收纳槽开口处型槽的底部刚好可以容纳进水管的大小，为了使进水管始终限制在槽里面。

2.06 扇形浇水喷头

装置在轨道上向轨道两边喷出水浇花的同时（由于牛顿第三定律可知力的作用是相互的）装置会受到一个向前的推力推动装置在轨道上运动。

2.07 活动平台装置

该装置由四个小轮子,两根连接轴等组成。用于固定喷头等装置以及在轨道上滑动。

2.08 可旋转式进水管接头

用于连接管道收纳槽进水管与喷头装置三通道进水阀门

2.09 喷头固定装置

由一根刚性管道组成，一端固定喷头装置一端安装三通道阀门并且和活动平台固定。

三，理论计算

一般家用自来水，压力为0.15MP~0.35Mp之间。国家规定住宅的供水压力不得超过0.35MPa，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0.14MPa，这个压力只能保证供水到3—4层楼；而四楼以上的供水属二次供水的范畴。一般城市目前管网平均压力达到0.30MPa以上。

注:0.1MPa的压力,可以把水压到10米高的地方。帕斯卡原理:压力P=ρ*g*h

ρ——流体的密度,单位Kg/m3；

g——重力加速度，单位m/S2;

h——液位高度，单位m；

p——压力，单位Pa。

一般家用自来水压力为0.15MP~0.35Mp之间，即相当于1.5Kg~3.5Kg水压力,则管道中水流可向外供力14.7~34.3牛顿。

注：重力公式：G=m*g

G——物体的重力,单位N；

g——重力加速度，单位m/S2;

m——物体质量，单位Kg；

由牛顿运动定律可得，若管道中持续均匀供水，则管道中水流可持续向外供力14.7~34.3牛顿。

牛顿运动定律包括牛顿第一运动定律、牛顿第二运动定律和牛顿第三运动定律三条定律，其中：第一定律：力是改变物体运动状态的原因；第二定律：力使物体获得加速度；第三定律：力是物体间的相互作用。

由牛顿第二定律可得，F-μmg-f-f1=ma，求得加速度a。

F——装置所受的推力,单位N；

μ——摩擦系数，一般值较小（0~1）;

m——物体质量，单位Kg；

g——重力加速度，单位m/S2;

f——装置所受的空气阻力,单位N；

f1——装置所受其他阻力,单位N；

a——物体运动加速度，单位m/S2;

装置整体以加速度a做匀加速直线运动，即运动速度匀速加大，直到推力等于总摩擦力后，保持此刻速度匀速运动。

①装置整体在轨道上一直进行匀加速直线运动。由物体匀加速直线运动规律，x=1/2*a*t2,可得装置在轨道单程完成时间t。

x——物体运动的距离，单位m；

t——装置运动的时间,单位s；

a——物体运动加速度，单位m/S2;

②装置整体在轨道上先进行匀加速直线运动，受力平衡后，做匀速直线运动。由物体匀加速直线运动规律，x1=1/2*a*t12, v=a*t1, x2=vt2, x=x1+x2可得装置在轨道单程完成时间t=t1+t2。

X1——物体加速运动的距离，单位m；

t1——装置加速运动的时间,单位s；

a——物体运动加速度，单位m/S2;

X2——物体匀速运动的距离，单位m；

t2——装置匀速运动的时间,单位s；

v——物体匀速运动的速度，单位m/S;

一般圆形管道内径D在8mm~40mm范围(常见管内径为16mm、20mm、25mm、30mm、40mm，4分、6分、1寸、1.2寸、1.5寸)，则根据圆面积计算公式S=ΠD2/4

S——面积,单位m2；

Π——计算系数，约为3.14;

D——圆管内直径，单位m；

一般圆形管道内面积为50.3mm2~1256.6mm2。

根据水流量计算公式Q=V*Π*D2/4，求得每秒圆管中水流量Q。根据《建筑给水排水设计规范》，住宅厨房洗涤盆龙头设计流量：0.0002立方米/秒。

Q——每秒圆管中水流量,单位m3/S；

V——每秒圆管中水流速，单位m/s;

从而求得装置运动过程中的总用水量=Q*t。

四．工作原理及性能分析

4.1原理：

水流经水管在喷头以散状形式喷出，喷出的水流灌溉花草的同时形成一股推力，成为承载喷头支柱管运动的动力，方向与水流流出方向相反。未开始作业时，与支柱管相连接并提供水流的水管，平躺放置在贮存槽中。当支柱管前进时，会拉起放置在贮存槽里的水管，以保证提供稳定的动力和水流。当支柱管到达另一端时，支柱管内部的转换阀启动，使水流喷出的方向旋转180度，同理，喷出的水流灌溉花草的同时形成一股推力，成为承载喷头支柱管运动的动力，方向与

水流流出方向相反，使水柱管沿轨道原路返回，返回的同时，将与支柱管连接的水管回收放置回贮存槽，到达起始点时为一个周期，以此循环作业

4.2性能分析：

该产品投入使用后，支柱管能在设定好的轨道上来回作业，原本需要摆放多个喷洒装置的状况可以改变为仅使用一个装置来回运动作业，节省了装置材料的使用；支柱管前进的动力无需外界增加装置提供，而是利用自身喷出的水流产生，达到了节省能源消耗的作用。

作品简介，该产品的主要结构包括:滑轨，软管，软管收纳槽，刚性水管，喷

头，换向阀，土地湿度传感器，电机，喷头，可活动式水管接口，轴承，滑轮等。本产品特殊的结构设计为适应各种花坛花圃，可以有效利用滑轨的优势代替现有的多个固定喷头浇花，结构简单，成本低廉，安装方便，对水资源及材料和土地的使用有着显著的减少。