自动断水闸阀设计说明书(1)

自动断水闸阀

设计者：徐驰，严兆，曹倩，李明哲

指导老师：张晓元，王富庆

（武汉大学水利水电学院湖北武汉430072）

作品内容简介

我们通过一系列实验，独立研制出一款新型闸阀——自动断水闸阀。这款闸阀利用纯机械原理实现了自动断水并控制出流总量的功能。

本闸阀的最大优点在于能调节出流总量。闸阀的基本工作原理是利用水流冲击涡轮时，流速及流量与涡轮的转速之间存在的固定关系，因此，在闸阀中我们设计了一种传动减速装置，此传动减速装置与控制出水总量的自动断水装置相连，当出水总量达到设定值时，它将关闭闸阀。此设计能够满足人们在日常生产生活中对自动断水、定量出水的需求，有助于人们高效利用水资源。

本闸阀使用方便，原理简单，安全可靠，精度高，符合可持续发展的时代主题。而且本闸阀的改进空间较大，今后可在此基础上对其进行完善，形成系列，以满足不同使用情况下的实际需求。

关键字：水流冲击，节能，节水，传动减速，出水量控制

1研究背景

当今世界人口不断增长，环境日益恶化，水资源短缺情况日益严重。如何更高效地利用水资源，已成为国内外一个重要的研究课题。尤其像我国这样人口众多、水资源分布极不均衡且人均占有量很低的国家，高效用水犹为必要。提高水资源利用效率具有十分重要的现实意义。

闸阀是十分普遍的用水工具，好的闸阀能够方便我们的生产生活。现在闸阀的品种纷繁复杂，功能日益增多，其中自动断水是比较实用的功能。然而经过我们调查发现大多数具有此种功能的闸阀都需要外接电源，不符合节能环保的思路。借这次水利创新设计竞赛，我们想要在这一方面做一些改进，设计出一款机械闸阀，能够自动断水同时可以自由控制出流总量。使它服务于人民大众的生产生活。

在工业生产中，时常有需要定量控制液体添加和排放的地方，例如发酵工程中需要定时定量地更换培养液。而这款闸阀正好可以控制各种流体的出流总量，提高流体的利用效率，想必不失为一种价格低廉的新方案。

在我国农业生产中，水资源浪费现象仍十分严重，尤其是在灌溉方面。在资源愈发紧缺的今天，我们有必要改进目前较为落后的农业生产方式，真正实现可持续发展。我门设计此款闸阀可以帮助实现农业生产自动化，为农业灌溉中水资源的调配提供便利。

在日常生活中，它可以解决由于人为疏忽造成的水资源浪费现象。

目前市场上有一些具有类似功能的闸阀，但是或多或少都存在一些缺陷。像上面提到的，这些闸阀大多需要外接电源，不节能环保。而且，农业方面需要的闸阀大多得在野外工作，电网很难覆盖到，假使勉强建设供电网络，网络的建设、管理和维护都将要很大的开支。

虽然目前市场上已经存在一些不需外接电源的自力式阀门，但是由于它们的一些缺点，使得具有此种功能的闸阀依旧难以推广。比如“自动控制阀”，它的动力装置的原理与本闸阀相似，均是利用水流的冲击力，冲击阀门内的叶轮旋转，当连续流量达到设计数量时，闸阀

关闭。随着闸阀的关闭，闸阀开度逐渐减小，水流流量不断减小。这样，出流量精度就难以保证。

利用液压原理的“水力自控阀”较好地解决了这方面的问题，能够自动控制闸阀的开闭，精确调节压力、流量、水位。但是其内部结构过于复杂，技术要求过高。例如其内部气囊的气密性要求较高，其双室结构膜片经过多次启闭后易损坏。成本很高，不利于推广。

综上所述，现有的自力式闸阀都有一定的缺点。因此，我们致力于研制出一款原理简单，功能完善、安全可靠、易于维护、造价低廉的闸阀，让它更好地服务于人民的生产生活。

2设计原理

2.1设计思路

水在流动的过程中携带有能量，水流冲击涡轮时，流速及流量与涡轮的转速之间存在固定的关系。因此，我们决定研制出一款闸阀，借助水流的冲击力带动涡轮转动，再由涡轮带动传动减速装置运动，并将此传动减速装置与控制出水总量的自动断水装置相连，当出水总量达到设定值时，它将关闭闸阀。

该装置运转时完全利用机械原理，无需外部电源，只需要借助管道中水流的能量。

2.2 主要部件结构说明及其工作原理

闸阀由涡轮，传动减速装置，自动断水装置三部分构成：

（1）涡轮：实物如图1

图1涡轮

结构说明

此装置由两部分组成：蜗壳和叶轮。其结构如图2所示

图2涡轮

蜗壳：蜗壳主体由一中空的圆柱体组成，其前后端分别开有一系列的斜口，两组斜口间成一定角度的错位。

叶轮：叶轮位于蜗壳内部，轮片呈矩形。叶轮通过传动轴与传动减速装置的1号传动轮相连。

工作原理：

水从闸阀入水口流入，经过导流网后有规律的流动。水流继续流经蜗壳后，流态将会发生改变，在蜗壳内部会产生环流，从而均匀分布到叶轮周围，并产生足够的动力带动叶轮旋转。流入的水将从闸阀的出水口流出。

（2）传动减速装置

结构说明：

图3传动减速装置

如图3所示：传动减速装置由6个半径不同的齿轮契合而成，分别为1号传动轮、2号传动轮、3号传动轮、4号传动轮、5号传动轮及主轮。1号传动轮通过传动轴与涡轮中的叶轮相固结，主轮上连有一个外伸的控制轴，并与自动断水装置相固结。

工作原理：

闸阀运转后，叶轮产生的旋转将通过传动轴作用于1号传动轮，通过齿轮间的相互作用，1号传动轮将带动2号传动轮转动，同理可知，旋转将最终传递给主轮。由于齿轮的半径逐渐增大，相应的角速度将逐渐减小，因此主轮将以微小的角速度旋转。水流流速一定时，叶轮转动的角速度等于1号传动轮的角速度，因此由齿轮间线速度与角速度的相互关系

可以计算出传动减速装置主轮的旋转角速度。

主轮通过与之固结的控制轴与自动断水装置相连，因此可将叶轮缩减后的旋转角速度传递给自动断水装置。

（3）自动断水装置

如图4所示

图4自动断水装置

结构说明:

如图5所示，自动断水装置由弹片、制动轮、制动杠杆组成。