自动汽车清洗机

南 京 理 工 大 学毕业设计说明书(论文)作 者:钟达明学 号：054912214028学院(系):机械工程学院专 业:机械工程及自动化题 目:自动汽车清洗技术指导者：代昌浩(姓 名)(专业技术职务)评阅者：(姓 名)(专业技术职务)2021 年 5 月南京理工大学毕业设计（论文）评语学生姓名：钟达明班级、学号：054912214028题 目：自动汽车清洗技术综合成绩：指导者评语： 指导者(签字)： 年 月 日毕业设计（论文）评语评阅者评语： 评阅者(签字)： 年 月 日答辩委员会（小组）评语：答辩委员会（小组）负责人(签字)： 年 月 日毕业设计说明书（论文）中文摘要面向增压供水流量配比柔性控制的新型流量阀，是二次供水系统中的重要组成部分。新型流量阀布置在水箱和管网之间，供水时分配水箱和管网中的流量比例，以保证对用户的正常供水。本课题主要是针对城市供水流量柔性控制设计了一个新型流量阀。流量阀的设计主要分为传动部分和喷射部分。喷口距、喷嘴径、喉管直径以及喉管长度等等参数的选取，直接影响着流量阀的压力损失、负压的大小以及喷射效果，故本课题集中对这些关键参数进行了优化计算。并且对设计好的流量阀进行负压以及压力损失的计算与分析，保证流量阀在工作时能够实现流量配比柔性控制。关键词 二次供水 射流泵 流量配比 柔性控制 流量阀毕业设计说明书（论文）外文摘要TitleDesign of a new flow value which can be controlled flexibleFor pressurized water systemAbstractThe new flow value, which can be controlled flexible for pressurized water system, is an important part of secondary water supply system.It is arranged between the tank and pipe network. When there is water supply, it distributes flow between the tank and pipe network. So that can ensure the user have normal water supply. The main task of this paper is to design a new flow value which can be controlled flexible for pressurized water system.The design includes transmission parts and jet parts. Nozzle distance, nozzle diameter, pipe diameter and pipe length, and so on are the main parameters of the new flow value. The selection of these parameters, impacts on the flow valve pressure loss, the negative pressure and jet effect, directly. Therefore, this project focuses on how to optimize these key parameters. At the same time, we calculate negative pressure and pressure loss of the designed new flow value flow valve, in order to ensure it works properly.Keywords Jet pump Flow ratio Flexible control New flow valve Secondary water supply目 次1绪论 11.1 课题来源 11.2 本课题研究背景和意义11.3 本课题研究目标31.4 论文内容和结构42 新型流量阀的总体方案设计 52.1 总体方案设计原理 52.2 电机的选择 72.3 传动机构的设计 82.4 射流部分结构确定 142.5 其他部分的设计 163 关键尺寸的计算、优化 203.1 喷嘴的尺寸设计 213.2 文丘里结构的尺寸设计 213.3 最佳喷嘴距的计算 224 性能计算分析 254.1 负压大小计算 264.2 压力损失计算 274.3 新型流量阀流量配比分析 29结论 31致谢 32参考文献331 绪论增压供水流量配比柔性控制系统是二次供水系统中的重要组成部分，它的性能好坏直接影响整个二次供水系统的的工作效率和工作质量。因此在满足城市供水流量柔性控制的技术需求的同时，完成一种体积小、重量轻、流道通畅、流体阻力小、动作灵敏、密封性能好、整体结构简单紧凑、造型美观、使用寿命长、可靠性高的新型流量阀的设计是非常必要的。1.1 课题来源本课题来源于南京尔顺科技发展和南京理工大学的产学研合作项目“增压供水流量配比柔性控制系统研发”。1.2 本课题研究背景和意义 研究背景 目前城市供水主要有以下两种方式，（1）直接供水：即当室外城市供水管网中水的压力大于室内用水压力时, 靠室外城市供水管网中的水压直接将水供给各用户；（2） 二次加压供水：即采用水泵对室外城市供水管网的水进行二次加压, 然后供给各用户。我国大中城市室外供水管网的压力一般都不能满足室内用水所需的压力, 因此,多数都采用二次加压供水。二次加压供水是指单位或个人将城市公共供水或自建设供水经储存、加压，通过管道再供用户或自用的形式。自来水厂通过城市输、配水管道供水，水压一般为0.3MPa0.4MPa，供水有效高度只有3040米。因此，二次供水是目前高层建筑供水的主要选择方式。二次供水设施是否按规定建设、设计及建设的优劣直接关系到二次供水水质、水压和供水安全，与人民群众正常稳定的生活密切相关。二次供水设备发展至今，经历了以下几个阶段：第一代二次供水设备：是由水泵、上水池（或水塔）、下水池（水井）和上下水位自动控制柜组成的供水系统。由自动控制柜根据上水池水位高低来自动控制水泵开关。特点：短时停水有水用，而且二次污染严重，耗电大，土建费用高，修建水池需占很大的地面积，对房地产商来说，是一种土地资源和有效售房面积的浪费，运行费用还高。第二代二次供水设备：是由水泵，气压罐，低水位水池（水井）和自动控制柜组成的供水系统。由控制柜根据水管内的压力来控制，压力低时自动开泵，到达高压时自动关泵。能量转换过程中效率低，占地面积大。短时停电可供5至10分钟水用，但下水池二次污染严重，耗电大，运行费用高。第三代二次供水设备：是由水泵，下水池（或水井），全自动智能数控供水控制柜组成的供水系统。第四代二次供水设备：具备第三代二次供水设备的所有功能外具备以下特点，直接接入管网，此二次供水设备通过负压消除器和稳压平衡器保护自来水管网不形成负压，避免了修建混泥土蓄水池或设水箱的麻烦。节省投资，同时在使用过程中也可大大节能，是目前最先进最新的二次供水设备，在供水中应用，可取代供水系统中的水塔、高位水箱或气压罐等供水方式，性能稳定、节能效果显著，是国家重点推广的节能新技术产品。 目前的二次供水一般采用以下两种方式：（1）无负压变频调速恒压供水系统；（2）射流泵辅助变频调速恒压供水系统。这种供水方式最显著的特点就是节能, 而且室外城市供水管网的压力越高, 节能效果越明显, 当这种供水方式与变频调速供水系统相结合时, 不仅能够弥补变频调速供水系统在小流量时节能效果差的不足, 而且能够提高节能效率, 因为在夜间室外城市供水管网压力高,有时只靠射流泵即可维持水压, 无需启动水泵, 进而解决了变频调速供水装置在零流量下也有电耗的问题, 另外, 这种供水方式虽然是通过射流泵与室外城市供水管网相连, 但由于采用射流泵的孔口出流, 因此, 具有明显的稳压和均衡水量的作用, 不会造成室外城市供水管网的降压。采用射流泵辅助吸水的供水方式, 能充分利用室外城市供水管网中的水压, 降低二次加压供水的能量消耗, 对于城市供水管网压力较高的地区节能效果尤为显著, 二次加压供水是城市供水的一种主要方式。研究意义 二次供水作为城市高层建筑供水主要的选择方式，为了保证城市供水管网的水压稳定,二次加压供水水泵多采用间接抽水方式，即室外供水管网的压力水先泄压进人贮水池, 二次加压水泵再从贮水池抽水加压, 这种抽水方式的最大缺点就是不能利用室外供水管网的水压, 使室外供水管网中的水压白白浪费掉。每座大中城市都有几百座, 甚至上千座二次加压泵站, 如果都能充分利用城市供水管网的水压, 节能效益将非常显著。随着城市高层建筑的增多，二次供水的应用范围越来越广泛，从机关到学校，从住宅到写字楼，等等。随着市场的扩大，国内出现了一大批生产研发二次供水设备的企业。南京尔顺科技发展是一家主要从事给排水节能设备研制开发、生产、销售、现场施工及技术服务的高技术公司。公司一直致力于给排水设备的节能降耗，始终坚持“创一流产品、追求卓越服务”的理念，现已向社会和市场提供了各种规格型号的直接式（射流、无负压）管网叠压、普通变频供水设备和污水处理及回用设备。此次产学研合作我们旨在创新增压流量配比系统的设计思路，为尔顺公司提供更加先进实用的技术方案，最大程度满足客户需求，提高客户产品的竞争能力，并为整个社会的节能减排做出贡献。随着排水设备节能标准的进一步提高，在实现流量柔性配比的同时，节能降耗成为研发二次供水设备时的重要考量因素。面向增压供水流量配比柔性控制的新型流量阀是二次供水中的重要组成部分，这一系统的研究对于进一步降低二次供水能耗、提高二次供水设备性能具有重要的意义。1.3 本课题的研究目标本课题要求针对城市供水流量柔性控制的技术需求，完成一种体积小、重量轻、阀瓣关闭快速、流道通畅、流体阻力小、动作灵敏、密封性能好、整体结构简单紧凑、造型美观、使用寿命长、可靠性高的新型流量阀的设计及样机试制。具体目标有以下几个方面：（1）首先，为了实现流量阀面向增压供水配比柔性控制的功能，从流量阀进行流量调节的原理上来说，改变入口的截面积即可改变流量。参照提及的可调式射流泵流量调节的原理，设计出一个合理的机构，使得入口的截面积连续可调，即可实现流量阀面向增压供水配比柔性控制的功能。（2）确定流量阀的关键参数，如喷口距、喷嘴径、喉管直径以及喉管长度等等。这些关键参数的选取，直接影响着流量阀的压力损失、负压的大小以及喷射效果。因此参照压力损失，负压大小的相关影响因素以及其影响方式，自由射流的条件等理论，分别通过计算确定这几个关键参数，完成流量阀的细节结构尺寸最优化设计。（3）对设计好的面向增压供水配比柔性控制的新型流量阀的功能进行分析，根据所确定的相关结构的尺寸，以及负压、压力损失的计算方法，计算确定设计出的流量阀的理论负压大小以及压力损失情况，从而分析流量阀流量配比以及流量调节的功能。1.4 论文的内容及结构 论文共包括四个部分：第1章 ，绪论：介绍课题来源，项目背景，项目研究意义，研究目标，以及论文的内容和结构。第2章 ，新型流量阀的总体设计：确定了新型流量阀的整体设计方案，原理，细致的选择了传动方式以及喷射结构，还进行了其他相关结构的设计。第3章 ，关键参数的计算优化：对喷嘴，文丘里结构，喷嘴距等参数进行了设计计算以及优化，使整个流量阀在工作过程中压力损失最小，达到最高的工作效率。第4章 ，性能计算分析：对设计出的流量阀从节能，负压大小，压力损失的角度分析了其工作效果，并论证了流量调节原理的可靠性。2 新型流量阀的总体设计2.1 总体方案设计原理 射流泵工作原理原理本课题采用的设计思想是基于射流泵二次加压供水方式的原理的。射流泵基本结构如图2.1所示，主要有三部分组成:喷嘴、喉管和扩散管。其工作原理是将工作流体通过喷嘴高速喷出，同时静压能部分转换为动能。管内形成真空，低压液体被吸入管内。两股液体在喉管中进行混合和能量交换，工作液体速度减小，被吸液体速度增大，压力逐渐增加，在喉管出口处速度趋于一致。混合液体通过扩散管时，随着流道的增大，速度逐渐降低，动能转化为压力能，混合液体压力随之升高。图2.1 射流泵结构图 本课题的原理以及方案参照上图射流泵的基本原理，确定了最终的设计原理，如图2.2所示：该系统主要阀芯调节锥、喷嘴、喉管（混合室）、扩散室组成，通过调节锥在轴向上位置的移动改变，喷嘴的有效截面积随之而改变，实现水流在喷嘴处的相对高速喷射，根据射流原理，在喷嘴周围产生“负压”，将水箱中的水吸入，实现城市供水高峰期增压泵供水量的有效补充和循环。图2.2 流量阀的总体结构示意图以及设计图调节锥的驱动这里特别的设计了一个传动装置。由于电机是旋转运动的，调节锥进行的是轴向移动，因此传动部分通过齿轮以及蜗轮蜗杆进行减速，配合螺旋传动，将电机输出的旋转运动最终转化成调节锥的沿轴线方向的直线移动，如图2.3所示。齿轮齿轮蜗杆挡环蜗轮阀芯喷嘴图2.3 传动部分运动示意图这种供水方式与传统的水泵加压供水方式的主要区别在于：这种供水方式水泵不直接从贮水池抽水，而是通过新型流量阀与室外城市供水管网直接相连，新型流量阀的吸水管与贮水池相连, 图2.4为该供水方式的系统组成简图。同时引入两个差压式流量计检测管网以及水箱的流量，通过调节喷嘴的开口面积的大小即可实现流量的调节，从而实现管网和水箱之间流量的柔性配比，如图2.5所示。当室外城市供水管网通过流量阀的供水量小于二次加压水泵的抽水量时，室外城市供水管网中的压力水作为流量阀的工作液体, 抽吸贮水池中的水，经混合室混合后直接进入水泵的吸入口；当室外城市供水管网通过流量阀的供水量大于二次加压水泵的抽水量时，室外城市供水管网不仅可以通过流量阀向水泵提供有压水, 而且还可以将多余部分的水量通过射流泵的吸水管直接补充到贮水池，从而起到调节水量、传递压力的作用。5231141-城市供水管网 2新型流量阀 3水泵 4贮水池 5室内管图2.4 供水方式的系统组成图图2.5 改变喷嘴口的开口面积后流量变化情况2.2 电机的选择 电机功率的确定电动机的功率选择是否合适，对电动机的正常工作和经济性能都有影响，功率选得过小不能保证工作机的正常工作，或使得电动机因超载而过早损坏；功率选得过大则电动机的价格高，能力又得不到充分发挥，此外，由于电机经常不在满载下运转，会因为效率和功率因数较低而造成能源的浪费。对于载荷比较稳定、连续运转的机械，通常只需使电动机的额定功率Ped等于或稍大于所需电动机的工作功率Pd，即PedPd,而不必检验电动机的发热和起动转矩。流量阀的工作机可以看成是阀芯，电机最终要带动阀芯做直线方向的移动。城市供水管网水压一般为0.3MPa0.4MPa，管内径为80mm，阀芯移动速度设计为0.001m/s,工作机阀芯所需功率，按式（2.1）计算：（2.1）为了保证电机的功率不至于过小，计算时管网水压取最大值，阀芯的作用面的有效直径未知，可取管网内径值一半代入进行估算，因此，电动机所需功率按式（2.2）计算：（2.2）式中为电动机至工作机的传动装置的总效率。各传动装置的效率取值如表2.1：表2.1 各转动装置效率取值名称数量效率螺纹连接段传动效率10.3涡轮蜗杆传动效率10.75圆柱齿轮传动效率10.98滚动轴承传动效率20.99弹性连轴器传动效率10.99将表中取值代入式（2.2）得：按要求电动机的额定功率Ped略大于所需电动机的工作功率Pd即可。查机械设计手册，选择功率为25W的小功率异步电动机。 电机转速的确定取螺纹连接部分螺距P=1.5mm进行试算，蜗轮的转速各传动副的传动比合理取值范围如表2.2：表2.2 各传动副的合理取值范围名称蜗轮蜗杆传动比范围圆柱齿轮传动比范围取值156037传动装置总传动比取值的合理范围为：电机转速可取范围为：查电机手册并选择电机型号及具体参数见表2.3：表2.3 电机型号及具体参数电机型号额定功率（W）满载转速（r/min）外形尺寸（mm)YS4522252800150100115电流（A）效率功率因素0.1252%0.62.22.42.3 传动机构的设计 总传动比以及传动比的分配传动装置总传动比:分配传动装置各级传动比,如表2.4：表2.4 各传动副的取值确定名称蜗轮蜗杆传动比圆柱齿轮传动比取值203.5电机轴的实际输出功率：各轴的输入功率：电机轴的转速为2800r/min,各轴的转速：电动机轴的输出转矩为：各轴依次类推，可计算得知各轴的输入转矩： 齿轮传动部分设计 由上述计算得知，该条件下传递功率转矩都特别小，不可能发生齿面疲劳强度失效和齿根弯曲疲劳强大失效，因此不需要按照强度失效的临界条件来选择设计齿轮尺寸。齿面硬度也只需要选择一般机械传动中常用的软齿面，齿轮选用普通的圆柱齿轮。另外：1) 材料选择45钢，热处理方法为调质；2) 精度等级选8级；3) 选小齿轮齿数，大齿轮齿数;4） 初选螺旋角=14考虑到本课题中产品的尺寸都较小，因此齿轮采用小模数齿轮，以使整体结构紧凑。小模数齿轮一般指模为1以下,分0.1，0.12，0.15，0.2，0.25，0.3，0.35，0.4，0.5，0.6，0.7，0.8，0.9，1.0这些国标规格。小模数的齿轮在运行时，由于多边形效应不明显，所以，在传动中，小模数齿轮将会运行平稳，瞬时传动比也较大模数的齿轮要准，小模数齿轮的噪音小，可以使得结构设计更紧凑。另外小模数齿轮的切削量也较小，所以，加工成本也较低。此处选用模数m=0.5的小模数齿轮。综上，通过计算可以得到齿轮传动中一对齿轮的其他尺寸参数。小齿轮：分度圆直径 齿顶高 齿根高 齿顶圆直径 齿根圆直径 大齿轮：分度圆直径 齿顶圆直径 齿根圆直径 圆柱齿轮齿宽 其中表示圆柱齿轮的齿宽系数，参照表2.5，因为是非对称布置，选取=1进行计算。表2.5 圆柱齿轮的齿宽系数支撑情况两支承相对小齿轮作对称布置两支承相对小齿轮作不对称布置0.91.40.71.15因此，大齿轮齿厚，小齿轮齿厚比大齿轮略大即可，取。上述结果统计情况可见表2.6。表2.6 大小齿轮尺寸参数模数m螺旋角压力角中心距a20700.4142018mm10mm8mm8.8mm7mm8mm28mm28.8mm27mm 蜗轮蜗杆传动部分的设计蜗轮蜗杆传动能实现大传动比，同时蜗杆在传动中是连续不断的螺旋齿啮合，蜗轮蜗杆在传动中是逐渐进入啮合和逐渐退出啮合的，同时啮合齿对数又较多，因此传动平稳，冲击载荷小，噪音低。蜗杆传动通常具有自锁性。与齿轮传动部分相似，因为传递功率转矩都特别小，不可能发生齿面疲劳强度失效和齿根弯曲疲劳强大失效，因此不需要按照强度失效的临界条件来选择设计蜗轮蜗杆尺寸。参照标准的蜗轮蜗杆尺寸标准，选取合适的尺寸即可。蜗杆材料采用常用的45钢，调质处理。蜗轮材料常用的是铸造锡青铜，但是其价格较高，适用于滑动速度大于3m/s的情况，而本机构中滑动速度只有0.001m/s，因此可以选择灰铸铁，以节约成本。蜗杆类型为阿基米德蜗杆。参照表2.7，选取蜗杆头数以及蜗轮齿数。表2.7 蜗杆头数和蜗轮齿数的荐用值传动比i蜗杆头数蜗轮齿数57151430298264212931296129612982因为此处传动比为20，选取蜗杆头数蜗轮齿数分别为。同时查机械设计手册，考虑到管网内径只有80mm，因此蜗轮蜗杆的中心距不宜过大，选择小模数蜗轮蜗杆，最终确定蜗轮蜗杆的基本尺寸及参数，如表2.8所示。表2.8 普通圆柱蜗轮蜗杆基本尺寸及参数中心距a模数m分度圆直径蜗杆头数14mm0.58mm2直径系数q分度圆导程角蜗轮齿数变位系数16335400蜗轮蜗杆的其他参数： 蜗杆的轴向齿距 蜗杆导程 蜗轮齿顶圆直径 蜗杆齿顶圆直径 蜗轮宽度B，以及蜗杆齿宽的确定查阅表2.9中的计算公式可确定。蜗轮宽度可取B=7mm。蜗杆齿宽比蜗轮齿宽略宽即可，可取=8mm。表2.9 蜗轮宽度BB200.51.00.51.0说明：当变位系数为中间值时，按邻近公式的最大值进行计算。 螺旋传动部分的设计螺旋传动副的主要作用是推动阀芯做轴线方向的移动，因此选用滑动螺旋副。本课题设计的工作载荷不大，转速也较低，因此螺杆部分采用45钢，不用经过热处理。滑动螺旋传动一般采用梯形、矩形或锯齿形螺纹，此处采用的是最常用的梯形螺纹进行螺旋传动的设计。查阅机械设计手册，考虑到管网内径只有80mm，取螺纹的公称直径=10mm，螺距P=1.5mm，螺旋传动接触面的摩擦系数f=0.16，牙型角，牙型斜角，因此，螺旋升角当量摩擦角有上述可知，满足螺旋副自锁条件。螺纹齿高2.4 射流部分结构确定射流部分主要由阀芯调节锥、喷嘴、喉管（混合室）、扩散室组成，通过调节锥在轴向上位置的移动改变，喷嘴的有效截面积随之而改变，实现水流在喷嘴处的相对高速喷射，根据射流原理，在喷嘴周围产生“负压”，将水箱中的水吸入，实现城市供水高峰期增压泵供水量的有效补充和循环。喷嘴结构不同将导致工作效率和喷嘴的使用寿命不同。合理的喷嘴结构可以提高加工效率，降低成本的必要条件。从喷嘴问世到之后很长一个时期，均采用圆柱形喷嘴结构，后又出现了锥形喷嘴，至20世纪50年代中期，文丘里形喷嘴结构问世。迄今为止，国内外开发出喷嘴结构形式多种多样，常用的喷嘴结构类型及特点如下：（1）圆柱形直孔喷嘴结构它兼有喷枪和喷嘴两种功能，结构简单。可以直接用无缝钢管代替，也可通过在材料上钻孔得到。（2）锥口喷嘴结构这种喷嘴结构带有导流作用的锥状进口和起集束作用的平直段。水流进入喷嘴相对容易，且水流在喷嘴截面上的分布于圆柱喷嘴相比更均匀。（3）文丘里喷嘴结构它的结构为，一个文丘里型的喉管，喷嘴出口为微圆锥形断面，出口处直径稍大。气流在喉管部分达到音速，而在喷嘴出口可达到355m/s以上的超音速，这种喷嘴主要用来获得很高的速度。为了防止喷嘴过快磨损，喷嘴内衬可采用硬质合金或陶瓷喷嘴材料。比较上述几种类型的喷嘴可知，锥形喷嘴带有导流的作用，结构也相对简单，因此本课题的喷嘴选用喷嘴类型为锥形喷嘴。为了使喷嘴口流出的水流在射流时形成最佳射流情况，保证压力损失最小，射流部分还引入了一个文丘里管。文丘里管是利用异形管使流经该管流体的速度发生变化从而产生差压的流量检测元件。轴向截面由入口收缩部分、圆筒形喉部和圆锥形扩散段组成，如图2.6所示。利用文丘里管与原有射流喷头相结合而设计的新型流量阀不仅结构简单，造价低，且可行性强。采用文丘里管液体加压喷射部分较其他同类设备具有以下优点:(1)体积小,结构简单。在实际工程运用中体积经常是一个相当重要的因素,该装置体积较其它装置体积大幅度减小,整个装置重量为1 kg左右,这极大的增加了它的使用范围,也方便了设备的改进。如:在工程中可以在气液进口处改为软管而实现其可移动使用等。(2)耗能低。该装置的运用可以减少一些其它的设备如液泵等,即可以起到节能的效果。而且,自吸式吸入是在利用高压气流对液体产生的横向力的基础上设计,不仅克服原有采用气压机和液泵结合的设备垂直管注入液时高压气流对注入液的影响,而且利用了上述阻力。(3)运用范围广泛。由于其价格、体积及内部结构上的特点,该装置较其它相同类型装置,更加具有灵活性,方便使用于狭窄的工作环境。该装置的前端可以设计成可调换的，各种喷头的接口可以按所需射流进行调换。其简单的结构使其不易堵塞,而且造价较低,即使出现腐蚀或堵塞也可以直接更换,而不须在设备维修及更换时投入较大的资金。图2.6 文丘里管结构示意图以及此处文丘里管的造型图2.5 其他部分的设计新型流量阀布置于管网和水箱之间，实现两者直接流量的柔性配比。因此，必须对管网和水箱的流量进行检测。本课题中引进了两个差压式流量计分别接入管网和水箱，实时检测管网中流量的大小，通过调节喷嘴开口的大小，调节流量阀负压的大小，从而改变水箱流量的大小，实现流量的柔性配比。图2.7 差压式流量计接入图通过计算确定各轴的尺寸，得出各轴的结构，用PROE软件进行三维作图，在对所做出的零件图进行装配，可以得到如图2.8所示的齿轮箱传动部分的机构图。图2.8 齿轮箱传动机构三维装配图阀芯与齿轮传动机构之间是采用螺旋传动的，如图2.9-2.11所示。阀芯轴上的内螺纹与轴3上外螺纹进行配合传动，同时为了保证运动的平稳性，传动的可靠性，设计了一个挡圈。挡圈内壁有凸台，与阀芯轴上的凹槽配合，使阀芯不能跟着蜗轮轴旋转，从而实现沿着轴线方向进行移动，调节喷嘴实际开口的大小，最终实现流量配比。图2.9挡圈图2.10阀芯图2.11 阀芯与齿轮传动机构的连接整个流量阀的最终装配图，如图2.12所示。图2.12 流量阀的装配图3 关键尺寸的计算、优化流量阀的关键参数，如喷口距、喷嘴径、喉管直径以及喉管长度等等，这些关键参数的选取，直接影响着流量阀的压力损失、负压的大小、喷射效果以及流量阀的工作效率。因此参照压力损失，负压大小的相关影响因素以及其影响方式，自由射流的条件等理论，分别通过计算确定这几个关键参数，完成流量阀的细节结构尺寸最优化设计，在实现管网和水箱流量柔性配比的同时，尽可能减少压力损失，提高流量阀的工作效率，达到节能减耗的目的。3.1 喷嘴的尺寸设计喷嘴的形式很多，但是出于性能和加工的综合考虑，工程实际应用中的大多是圆锥收敛型喷嘴，圆锥收敛型喷嘴的主要几何参数有收缩角，出口直径d,圆柱段长度l。图3.1喷嘴的结构示意图其中出口直径d取决于射流的流量与压力，是设计喷嘴的原始数据，需要优化设计的数据主要是收缩角，l/d。这里设计出口直径d=30mm，末端入口直径为80mm，长度为20mm。根据高压水射流技术工程，查得=1315，l/d=24时，喷射效果最佳，因此，这里设计中取：=15，l/d=2.5，即l=75mm。喷嘴的最终造型图如图3.2所示。图3.2喷嘴造型图3.2 文丘里结构的尺寸设计本方案中的文丘里结构中主要设计参数主要有喉管直径D，喉管长度L，喉管和扩散管连接处有一个过渡段的扩散角，喷口和喉管之间的连接处之间有一个过渡段的收缩角，设计过程中查阅资料得到： 当D喉管直径= d 喷口(mm)时，文丘里结构的引射效果最佳。因此，代入喷口直径30mm进行计算，得到： D=30mm52mm,圆整后取D=50mm 文丘里管中喉管长度L与喉管直径满足：L=KD (K-长度系数取值范围是23,这里取2.5进行设计计算)L=2.550=125mm扩散管长 喷口和喉管之间的连接处过渡段的收缩角设计范围为1020时, 水头阻力为最小，这里设计取：=15 喉管和扩散管连接处过渡段的扩散角设计范围为57时, 水头阻力为最小，这里设计取：=73.3 最佳喷嘴距的计算喷嘴与喉管入口处这一段距离l1是整个引射装置的吸入段，最佳喷口距长度应该满足的条件是：使得自由射流的边界线在喉管入口处正好与喉管管壁相交（如图3.3中所示），即射流半径r等于喉管半径R(即D/2)，此时压力损失最少，射流引射的效果最好。图3.3 最佳喷口距满足条件以及射流基本构成段根据自由射流理论，射流由起始段、过渡段、基本段构成，这里用到下面一些关系： （3.1） （3.2） xH-起始段的长度（米） xn-过渡截面与喷嘴之间的距离（米） （3.3） rn-过渡截面的射流半径 r-自由射流半径对于起始端 r= （3.4）对于基本段 r=cx （3.5） m-两种射流介质的初始速度的比值，即m=(通常情况下m(7.27.5)时，喉管入口端面处于基本段之内，此时，用（3.5）式代入方程组（3.7），可以得到最佳喷嘴距为： （3.10）（其中此处的c值按照基本段取值）本方案中，初始被引射介质与原介质的初始速度比无穷小，则m接近于0，则计算F7.46，则喷口距的计算公式采用圆整，取=150mm。4 性能计算分析 这种供水方式最显著的特点就是节能，而且室外城市供水管网的压力越高，节能效果越明显, 当这种供水方式与变频调速供水系统相结合时，不仅能够弥补变频调速供水系统在小流量时节能效果差的不足，而且能够提高节能效率, 因为在夜间室外城市供水管网压力高,有时只靠流量阀即可维持水压，无需启动水泵，进而解决了变频调速供水装置在零流量下也有电耗的问题。另外，这种供水方式虽然是通过流量阀与室外城市供水管网相连, 但由于采用射流泵的孔口出流, 因此, 具有明显的稳压和均衡水量的作用，不会造成室外城市供水管网的降压。这种供水方式之所以节能，主要在于它利用了室外城市供水管网中的一部分水压，使二次加压供水水泵的扬程降低，进而降低水泵的轴功率，假设当水泵直接从贮水池抽水时水泵的扬程为0，则水泵的轴功率为 (4.1) 其中水泵的轴功率，单位；水泵的抽水量，单位；水泵的扬程；水的容重，；水泵效率。如果水泵不直接从贮水池抽水, 而是采用本课题的供水方式, 并假定流量阀的扬程为，则此时二次加压供水水泵的扬程为 (4.2)此时水泵的轴功率为 (4.3)比较(4.3)式和(4.1) 式可以看出, 利用布置于管网和水箱之间的流量阀抽水比直接从贮水池抽水所消耗的功率小, 其水泵轴功率的差为 (4.4) 上述的功率差N也就是采用流量阀利用室外城市供水管网水压所节省的功率, 即节约的能量, 从公式(4.4)可以看出, 室外城市供水管网的水压越高, 流量阀的扬程越大，节省的功率也就越多。4.1 负压大小计算 喷嘴附近有两股水流，一股从喷嘴中流出，流速为,另一股为（水箱水入口处流速），由流体力学的伯努利方程可知其中1、2两处高度差可以忽略,且V2水箱水的流速，可以忽略，在这样的前提下，求得与之差，即为1、2两处之间的负压。城市管网供水中，一般工程上计算时，水管路，压力常见为0.10.6MPa，水在水管中流速在13m/s，常取： V管网=1.5m/s根据体积流量恒定：A管网V管网=A喷嘴V喷嘴得到 V喷嘴10.7m/s，即V1取10.7m/s。联立以上两个方程可知，负压(=的大小约为= 得到0.06Mpa。结论：通过计算可知，负压大小与喷嘴口的流速的平方成正比，即与喷嘴口的开口面积（或理解为喷嘴口直径的平方）成反比，如图4.1所示。图4.1 负压大小随喷嘴口有效直径变化图4.2 压力损失计算水射流在形成过程中的压力损失分为三个部分：（1）水平直线管道中的流动的压力损失（2）水流由直线管道进入喷嘴过程中截面收缩时流动的压力损失（3）水流由喷嘴前的高压管道流向喷嘴口的压力损失这三个阶段都有压力损失的存在,全过程的压力损失=+ 设水流在管道与喷嘴处的速度分别为和，管道与喷嘴的半径分别为和,长度分别为和，则由连续方程可以得出：2=2 （4.5）水流在水平管道中运动时，由于水流的粘性，水流与管壁的摩擦是造成压力损失的主要原因之一。根据卡门-普朗特尔经验公式，在雷诺数 Re 105 ，使用管道为光滑管时，水流在水平直线管道中运动时的流阻系数为:(4.6)管道中的雷诺数Re=，其中u为水的动力粘度，为水的密度，将其带入（4.6）式并化简，可以得到水流在直线管道中的压力损失为：= （4.7）在流道发生端面收缩时，流股先发生收缩，然后逐渐扩散，在端面后出现的局部分离脱流也会造成压力损失，此时流阻系数主要取决于发生变化前后流道横截面面积之比，截面积变化越大，流阻系数越大，当水流从大容器流入锐缘进口的管道时，流阻系数为，因此，水流由稳压直管道进入高压喷嘴过程中的压力损失为：= （4.8） 水射流设备配套的高压管道和高压喷嘴的内径之比小于0.1时（本设计近似为0），流阻系数为0.49，因此，水流由高压管道进入喷嘴喷出时的压力损失为：= （4.9）因此得到整个射流形成过程中的压力损失为：=+=+倘若不计算水流在直线管道中的压力损失，则城市管网供水中，一般工程上计算时，水管路，压力常见为0.30.4MPa，水在水管中流速在13m/s，常取： V管网=1.5m/s根据体积流量恒定： A管网V管网=A喷嘴V喷嘴得到V喷嘴10.7m/s=+0.03Mpa结论：在喷嘴处的压力损失约为0.03Mpa左右,损失比率在10%以下，又因为水箱有负压，管内压力不可能到100%,差不多有10%的损失，也就是总的压力损失会在20%以下。图4.2 喷嘴处压力损失与喷嘴口有效直径的关系4.3 新型流量阀流量配比分析设两股水流，流速分别为,，由流体力学的伯努利方程可知其中1、2两处高度差可以忽略，则可以得到：整理得到 ： 则有： 由上式得到管网与和水箱之间的压差与流量之间的关系是：压差与流量的平方成正比，因此可以通过测得压差，求得流量情况，从而实现对流量的调节，实现二次供水系统中流量的柔性配比。结 论随着城市高层建筑的增多，二次供水的应用范围越来越广泛，从机关到学校，从住宅到写字楼，等等。同时随着给排水设备节能标准的进一步提高，节能降耗成为研发二次供水设备时的重要考量因素。传统的二次供水设备最大缺点就是不能利用室外供水管网的水压, 使室外供水管网中的水压白白浪费掉。每座大中城市都有几百座, 甚至上千座二次加压泵站, 如果都能充分利用城市供水管网的水压, 节能效益将非常显著。面向增压供水流量配比柔性控制的新型流量阀是二次供水中的重要组成部分，这一系统的研究对于进一步降低二次供水能耗、提高二次供水设备性能具有重要的意义。本文首先完成了新型流量阀的总体设计，并对影响流量阀工作效率的典型尺寸，如喷口距、喷嘴径、喉管直径以及喉管长度参数进行了详尽的优化计算设计，最后对设计好的流量阀进行了性能分析，验证其流量配比原理的可行性，确定流量阀的工作效率。然而，流量阀工作的可靠性仅依靠理论验证是不可行的，还必须补充进行流体力学软件仿真实验进一步验证。由于时间有限，在本文中并没有涉及，但是仿真实验验证以及流量阀加工工艺的确定将成为我之后研究工作的主要内容。致 谢经过几个月的忙碌学习和工作，本次毕业设计已经接近尾声。由于经验的匮乏，难免有许多考虑不周全的地方，如果没有老师的督促指导，以及一起学习的同学的支持帮助，很难想象自己可以单凭个人力量，完成这个设计。 在这里首先要感谢我的导师陆宝春教授。陆教授平日里工作繁多，但在我做毕业设计的每个阶段，从外文翻译、开题报告、设计方案的确定到设计说明书的撰写和修改等过程中都给予了我悉心的指导和督促。特别的，在office软件的运用上，陆老师细心地纠正了我在开题报告和毕业论文中的许多格式以及用词错误，陆老师的悉心指导不仅帮助了我找到论文中存在的需要修改的地方，同时也熏陶我要培养做事细心的良好习惯。其次要感谢和我一起作毕业设计的李建文师兄和刘星同学。在本次设计中，由于初次应对这么大的一项设计，在我苦恼不知何处下手时，李建文师兄凭借他已有的丰富的经验，耐心的指导我，使我明确设计步骤以及论文的主要结构。另外，刘星同学做的是这个课题的控制设计部分，我们一起勤奋工作相互帮助，克服了许多困难来完成此次毕业设计。最后还要感谢大学四年来所有的老师，为我们打下机械专业知识的基础；感谢学院和我的母校南京理工大学四年来对我的大力栽培，正是学校的图书馆提供的大量资料才让我们可以顺利的完成我们的毕业设计。参 考 文 献1 杨玉坤,刘长清.次高层建筑二次增压供水方案探析J.工程技术,2021.3； 3:22-23.2 孙奇,陈立新,赵恩明.二次供水泵房设备配置与节能探析J.供水技术,2021.8； 6:11-15.3Desevaux P.modeling of shock train inside a supersonic ejector: validation against flow visualization and pressure measurements in the case of zero-secondary flow. In: Conference proceedings of 10th international symposium on flow visualization,20024Tyagi RK, Rajesh R, Singhal Gaurav, Mainuddin, Dawar AL, Endo M. Design and realization of a 500W class jet type singlet oxygen generator with angular exit,2003；35(5):369.5 王乐勤,王循明,陈颂英.射流泵辅助变频调速恒压供水系统的研究开发J.流体 机械,2002；26:43.6 杨维,李亚峰.采用射流泵利用城市供水管网的压力节能J.供水技术,2001； 44:121.7 孔凌嘉.简明机械设计手册M.南京理工大学出版社,20218 范元勋，宋梅利，梁医.机械设计课程设计指导书,20219 穆界天.旋涡泵液环泵射流泵.机械工业出版社,199210 杨进.喷嘴的结构类型及特点J.工程技术,2001；32:58.11 王海军.文丘里管射流装置的结构及工作原理J.西南科技大学,2004.6；35:69-73.12 王子和，肖汗青.差压型流量计.中国计量出版社,1995.913 Pro/ENGINEER Wildfire 4.0中文版基础教程.人民邮电出版社,2021.1114 寇子明.高压水射流技术.北京航空航天大学出版社,202115 LI Xiu shu，Yang jin，Shu peng. 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