陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

一節(jié)水裝置樣機(jī)研制的復(fù)雜性研究

陶表達(dá)

(湖北第二師范學(xué)院 物理與機(jī)電工程學(xué)院，武漢 430205)

研制機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品時(shí)首先需要構(gòu)思理想狀態(tài)下的總體工作原理；而在樣機(jī)制造的過(guò)程中，受各種生產(chǎn)條件、制造成本等因素的制約，需要重新設(shè)計(jì)。一節(jié)水裝置樣機(jī)研制過(guò)程也經(jīng)歷了這種反復(fù)。通過(guò)重新設(shè)計(jì)適應(yīng)液壓標(biāo)準(zhǔn)元件，既顯著降低樣機(jī)的研制成本，又實(shí)現(xiàn)樣機(jī)的功能演示目標(biāo)。研制的結(jié)果表明：充分認(rèn)識(shí)各液壓元件的基本工作原理，而非盲從教科書(shū)表面上的條條框框，對(duì)于機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品的樣機(jī)制造至關(guān)重要。

液壓系統(tǒng)；節(jié)水裝置；設(shè)計(jì)方案；樣機(jī)制造

1 問(wèn)題的提出

機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品主要是指基于全新原理、全新構(gòu)思而研制的新產(chǎn)品，而非對(duì)類似產(chǎn)品進(jìn)行仿造或?qū)ο鄳?yīng)產(chǎn)品進(jìn)行局部改造，通常以一次性項(xiàng)目或者小批量開(kāi)發(fā)為特征[1]。

在機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品構(gòu)思中，設(shè)計(jì)者常需應(yīng)用專業(yè)知識(shí)(機(jī)構(gòu)運(yùn)動(dòng)示意圖、液壓職能符號(hào)圖等)闡述設(shè)計(jì)意圖，如果能完整構(gòu)思出新產(chǎn)品在理想狀態(tài)下的總體工作原理，且不違背基本物理定律，則創(chuàng)新設(shè)計(jì)工作通常完成相當(dāng)大的比例。

機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品不能僅停留在理論上，理論上再好，一旦付諸實(shí)現(xiàn)就會(huì)面臨很多問(wèn)題，制造樣機(jī)的過(guò)程并非一帆風(fēng)順，受生產(chǎn)成本、加工條件、所掌握的技術(shù)和資源等諸多因素限制，不斷調(diào)整，這種調(diào)整顯示出巨大復(fù)雜性，機(jī)械所具有的獨(dú)特復(fù)雜性暴露無(wú)遺，不可避免地需要多次反復(fù)修改和不斷完善，常走彎路是創(chuàng)新產(chǎn)品研制中不可避免的事情。

本文所研究的節(jié)水裝置全名是“主動(dòng)預(yù)儲(chǔ)能式節(jié)水便器沖洗裝置”，其原理已在文章[2]中進(jìn)行詳細(xì)論述，曾參加2008年湖北省大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽，獲得省級(jí)一等獎(jiǎng)。

比賽要求參賽作品不能僅停留在理論上，必須做出實(shí)物樣機(jī)。本文試圖還原該樣機(jī)研制過(guò)程中所經(jīng)歷的反復(fù)，再現(xiàn)創(chuàng)新作品從理論到樣機(jī)過(guò)程中所遇到問(wèn)題，總結(jié)創(chuàng)新作品樣機(jī)研制經(jīng)驗(yàn)，為創(chuàng)新作品的樣機(jī)研制提供一個(gè)參考。

2 節(jié)水裝置最初設(shè)計(jì)的工作原理

節(jié)水裝置的最初設(shè)計(jì)方案如圖1所示，上抬杠桿1帶動(dòng)增壓?jiǎn)螚U活塞缸2向上移動(dòng)，該缸下腔的水壓變小，水通過(guò)單向閥8補(bǔ)充，此時(shí)人做的功儲(chǔ)存在單桿活塞缸2的彈簧中。

圖1 節(jié)水裝置最初設(shè)計(jì)方案示意圖

當(dāng)缸2活塞低于A點(diǎn)時(shí)，松開(kāi)杠桿1，此時(shí)缸2下腔水壓增大，但二位二通壓差控制閥7未能開(kāi)啟，不能沖水，此特殊設(shè)計(jì)有利于控制出水初始?jí)毫Α?/p>

當(dāng)缸2活塞高于A點(diǎn)時(shí)，松開(kāi)杠桿1，此時(shí)缸2下腔水壓增大，該壓力水經(jīng)單向閥6作用于閥7閥芯的右側(cè)，當(dāng)其大于左側(cè)的自來(lái)水水壓力與彈簧力的合力時(shí)，閥7開(kāi)啟，在缸2活塞上側(cè)的自來(lái)水壓和彈簧的合力作用下沖洗污物，實(shí)現(xiàn)增壓沖洗的目的。

閥7開(kāi)啟后，缸2的活塞隨著沖水過(guò)程下移，當(dāng)活塞低于圖示的A點(diǎn)時(shí)，閥7便在閥芯左側(cè)彈簧力作用下，使閥芯右側(cè)的水通過(guò)節(jié)流閥4及圖示A點(diǎn)流回自來(lái)水系統(tǒng)，閥7的閥芯便慢慢關(guān)閉。

當(dāng)圖1所示狀態(tài)只有節(jié)流閥5起作用時(shí)，閥7開(kāi)啟至關(guān)閉的時(shí)間變長(zhǎng)，實(shí)現(xiàn)大便沖洗水量大的要求；當(dāng)手動(dòng)換向閥3換向時(shí)，節(jié)流閥4、5共同起作用時(shí)，閥7開(kāi)啟至關(guān)閉的時(shí)間變短，實(shí)現(xiàn)小便沖洗水量小的要求。

當(dāng)閥7的閥芯進(jìn)入圖1所示狀態(tài)時(shí)，裝置便關(guān)閉，停止沖水。上述功能實(shí)現(xiàn)便器沖洗裝置的全部功能，即沖洗大便水量大、沖洗小便水量小、且半自動(dòng)關(guān)閉。

通過(guò)調(diào)整節(jié)流閥4、5的開(kāi)口度，可調(diào)整節(jié)流時(shí)間，控制沖便的排水時(shí)間。

3 最初設(shè)計(jì)節(jié)水裝置在樣機(jī)制造過(guò)程中所面臨的問(wèn)題

在學(xué)習(xí)《液壓傳動(dòng)》課程中，教材[4-5]上常講液壓元件已標(biāo)準(zhǔn)化、系列化和通用化，使得設(shè)計(jì)、制造和使用都比較方便，縮短設(shè)計(jì)、制造周期，降低成本的優(yōu)點(diǎn)；同時(shí)液壓元件也具有制造精度要求高、造價(jià)貴等缺點(diǎn)。

實(shí)際樣機(jī)制造過(guò)程中發(fā)現(xiàn)，標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化適合于某些行業(yè)，且相關(guān)液壓元件體積大、重量重，遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過(guò)本作品的要求，手冊(cè)[6-7]上根本找不到適合本作品的元件。

圖1中增壓?jiǎn)螚U活塞缸2屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，它將彈簧設(shè)置于缸體內(nèi)，以節(jié)省外部空間；基于特殊目的，將管口A設(shè)置于缸體上靠近中間部位，但是這一特殊設(shè)置使得活塞上的密封圈在往復(fù)運(yùn)動(dòng)過(guò)程中容易被管口A切掉，使得單桿活塞缸的密封失效。

像液壓缸這樣的密封設(shè)備對(duì)制造的要求較高，無(wú)法自行加工，必須從市場(chǎng)上購(gòu)買。在市場(chǎng)上考證后發(fā)現(xiàn)沒(méi)有現(xiàn)成的液壓缸賣，只能根據(jù)給定的尺寸來(lái)訂做。訂做時(shí)，只需要給出缸的內(nèi)徑、行程、工作壓力等關(guān)鍵參數(shù)，其它尺寸都是標(biāo)準(zhǔn)值。訂做非標(biāo)準(zhǔn)液壓缸時(shí)價(jià)格較貴(約三千元)，時(shí)間也比較長(zhǎng)(至少半個(gè)月)，重量較大(至少40KG)，且不一定能做成功。

二位二通壓差控制閥7也屬于非標(biāo)準(zhǔn)件，單件訂做時(shí)，一般廠家不單獨(dú)生產(chǎn)。閥芯要想左右運(yùn)動(dòng)，必須設(shè)置三角槽潤(rùn)滑，可能會(huì)造成密封不嚴(yán)，產(chǎn)生漏水現(xiàn)象。訂做的時(shí)間較長(zhǎng)，成本太高，且不一定達(dá)到最終要求。

節(jié)流閥4、5在市場(chǎng)上價(jià)格也較貴，都比較笨重，沒(méi)有適合本作品要求的輕便節(jié)流閥。

盡管能夠通過(guò)原理圖論證功能，但是機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)大賽要求不能僅停留在理論上，必須做出實(shí)物樣機(jī)，而實(shí)際制造成本又過(guò)高，粗略估算單個(gè)作品至少得1萬(wàn)元，超過(guò)承受能力，且風(fēng)險(xiǎn)較大，不一定能成功。

市場(chǎng)上只有標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸賣，價(jià)格較便宜，且其管口也是標(biāo)準(zhǔn)值，比水管的口徑要小得多，其瞬時(shí)沖水量顯然不具備可比性，因此不能進(jìn)行比較研究。

綜合上述市場(chǎng)考察及技術(shù)分析，可得如下結(jié)論：

(1)最初設(shè)計(jì)的方案雖然原理上可行，但實(shí)際制造和使用時(shí)，某些特殊設(shè)計(jì)(如缸油口A點(diǎn))不可行，需要改進(jìn)設(shè)計(jì)；

(2)因各種原因，方案中所需的液壓元件，在市場(chǎng)上沒(méi)有完全合適的標(biāo)準(zhǔn)件，完全按原方案來(lái)實(shí)現(xiàn)的話，制造的成本高，投入大，風(fēng)險(xiǎn)高，不劃算。

(3)參賽的目標(biāo)僅是模擬增壓沖洗大便小便的動(dòng)作，即只需進(jìn)行壓下杠桿的初始操作，剩下的沖洗和關(guān)閉自動(dòng)進(jìn)行，顯示大便沖洗的延時(shí)時(shí)間長(zhǎng)，小便沖洗的延時(shí)時(shí)間短，主控閥門能夠自動(dòng)開(kāi)啟和關(guān)閉，驗(yàn)證方案的可行性；

(4)如果按原始設(shè)計(jì)及最終實(shí)際樣品的要求嚴(yán)格進(jìn)行研制的話，不僅投入成本過(guò)大、風(fēng)險(xiǎn)過(guò)高、而且不一定成功。

因此，需對(duì)最初設(shè)計(jì)方案進(jìn)行改進(jìn)，盡量使用標(biāo)準(zhǔn)件(如氣壓缸、各種閥等)來(lái)模擬樣機(jī)功能，降低制造成本及風(fēng)險(xiǎn)，以適應(yīng)演示的目的要求。

4 改進(jìn)設(shè)計(jì)后樣機(jī)的工作原理及改進(jìn)考量

4.1 改進(jìn)設(shè)計(jì)后樣機(jī)的工作原理及實(shí)物圖

改進(jìn)后樣機(jī)的原理圖如圖2所示，對(duì)應(yīng)實(shí)物如圖3所示，為了清楚對(duì)比原理圖和實(shí)物圖，圖3中標(biāo)注了與圖2中對(duì)應(yīng)液壓元件的編號(hào)，沒(méi)有再標(biāo)注液壓元件的名稱，為了避免標(biāo)注后圖線交錯(cuò)，圖3的編號(hào)局部打亂了。

圖2 節(jié)水裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)方案示意圖

圖3 節(jié)水裝置改進(jìn)設(shè)計(jì)后樣機(jī)實(shí)物圖

改進(jìn)后的工作原理為：上抬杠桿1增力做功時(shí)，通過(guò)主缸2的彈簧儲(chǔ)存能量，水通過(guò)單向閥3進(jìn)入主缸2的下側(cè)。松開(kāi)杠桿后，單向閥3關(guān)閉，主缸2下側(cè)的水通過(guò)單向閥4進(jìn)入控制缸7，驅(qū)動(dòng)擺桿6順時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)，驅(qū)動(dòng)二位二通機(jī)動(dòng)換向閥5換向，使得閥5開(kāi)啟，自來(lái)水在缸2上側(cè)自來(lái)水壓及預(yù)儲(chǔ)存的彈簧能共同作用下，增加壓力沖洗，強(qiáng)化沖洗效果，以達(dá)節(jié)水目的[2]。大小便沖洗時(shí)間長(zhǎng)短的控制原理同最初設(shè)計(jì)方案，此處不再說(shuō)明。

控制缸7在其受壓彈簧的彈性恢復(fù)力作用下，其上側(cè)的水通過(guò)節(jié)流閥8流回供水系統(tǒng)，當(dāng)其處于圖2所示狀態(tài)時(shí)，閥5關(guān)閉，沖水結(jié)束。

經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，整個(gè)系統(tǒng)可以用較便宜的標(biāo)準(zhǔn)件(氣壓缸、球閥等)來(lái)模擬實(shí)現(xiàn)樣機(jī)功能，成本大大降低。

4.2 圖1中主缸2的模擬改造

主缸2的初始設(shè)計(jì)如圖4(a)所示，改進(jìn)后如圖4(b)所示，它將A點(diǎn)的特殊設(shè)置變?yōu)闃?biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)，即利用缸自身的標(biāo)準(zhǔn)設(shè)計(jì)口。實(shí)際制作后如圖(c)，它將放在缸2的內(nèi)部的彈簧置于缸體外側(cè)，將標(biāo)準(zhǔn)缸略加改造，實(shí)現(xiàn)樣機(jī)所需非標(biāo)準(zhǔn)缸的功能，改進(jìn)后彈簧置于缸體外側(cè)，且仍使用標(biāo)準(zhǔn)缸的標(biāo)準(zhǔn)接口。

圖4 圖1中缸2的改造圖

4.3 圖1中閥7的模擬和改造

初始設(shè)計(jì)中壓差控制閥7(如圖5(a)所示)為非標(biāo)準(zhǔn)件，改造成圖5(b)所示結(jié)構(gòu)后，既因均采用標(biāo)準(zhǔn)件，極大地降低研制成本，又能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟和自動(dòng)關(guān)閉。圖2中的缸7采用標(biāo)準(zhǔn)氣壓缸，閥5仍采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥，只是改造球閥的控制柄來(lái)實(shí)現(xiàn)開(kāi)啟和關(guān)閉動(dòng)作。

圖5 圖1中閥7的改造圖

4.4 圖1中節(jié)流閥4、5的模擬與改造

市場(chǎng)上同樣也沒(méi)有低壓節(jié)流閥賣，需通過(guò)圖示球閥來(lái)模擬，此處需要利用《液壓與氣壓傳動(dòng)》[4-5]中的公式：

q=kAΔpm

(1)

由上面公式，通過(guò)改變閥口的過(guò)流面積來(lái)實(shí)現(xiàn)節(jié)流，其實(shí)物圖如圖6所求，仍采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥來(lái)模擬節(jié)流閥功能，圖中可明顯看到過(guò)流面積可以改變。

圖6 圖1中節(jié)流閥4、5的改造圖

其它說(shuō)明：圖2中的閥9也采用標(biāo)準(zhǔn)件球閥來(lái)實(shí)現(xiàn)；單向閥3、4可直接購(gòu)買。

經(jīng)過(guò)上述改進(jìn)后，實(shí)現(xiàn)了樣機(jī)的演示目標(biāo)。但是原本體積可以做得非常小、但成本非常高的原理圖1，變成了體積非常大、但成本非常便宜的原理圖2及實(shí)物圖3。樣機(jī)的最終實(shí)現(xiàn)成本為3000元左右，而初始方案的實(shí)現(xiàn)成本經(jīng)市場(chǎng)考證后至少為13000元，可見(jiàn)改造后成本低，風(fēng)險(xiǎn)小，能夠?qū)崿F(xiàn)樣機(jī)的演示目標(biāo)，值得進(jìn)行。

5 結(jié)論

理論上驗(yàn)證創(chuàng)新的可行性相對(duì)較容易，而要將理論創(chuàng)新變成實(shí)物樣機(jī)則困難重重，實(shí)現(xiàn)過(guò)程受成本、技術(shù)、所擁有的條件等諸多因素限制，其中成本是限制樣機(jī)實(shí)現(xiàn)的最為關(guān)鍵因素，不考慮成本的樣機(jī)試制，往往風(fēng)險(xiǎn)大、成本高、收效小。

通過(guò)本文的分析可得出以下研制經(jīng)驗(yàn)：

⑴ 在構(gòu)思機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品的工作原理過(guò)程中，常需忽略一些次要因素，考慮理想情況下、不違背基本物理定律的總體工作原理，集中精力解決總體方案的可行性；

⑵ 在研制過(guò)程中，最初的設(shè)計(jì)方案并非一成不變，不可避免出現(xiàn)各種各樣的問(wèn)題，不能因暫時(shí)碰到的局部問(wèn)題而盲目否定全盤(pán)設(shè)計(jì)，只要不違背基本的物理定理、物理規(guī)律就能通過(guò)改進(jìn)設(shè)計(jì)，解決實(shí)現(xiàn)過(guò)程中所碰到的各類問(wèn)題。

⑶ 在解決問(wèn)題的過(guò)程中，要充分應(yīng)用書(shū)本[4][5]上的基本原理、基本概念、基本公式，認(rèn)識(shí)到問(wèn)題的本質(zhì)，不能局限于書(shū)上的條條框框。如本文圖1中節(jié)流閥4、5，以及手動(dòng)換向閥3等的改造都應(yīng)用到書(shū)本上的基礎(chǔ)知識(shí)，而和書(shū)本[4][5]上所介紹的具體液壓元件的“形”有很大差別。

⑷ 成本是樣機(jī)研制過(guò)程中不得不考慮的關(guān)鍵因素，為降低成本，必須改進(jìn)設(shè)計(jì)，盡量采用現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件，除非不可避免，決不能使用非標(biāo)準(zhǔn)件。如本文圖1中的缸2，二位二通壓差控制閥7的改造，就是充分利用標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)實(shí)現(xiàn)所需的功能。

⑸ 要辯證看待書(shū)本上的標(biāo)準(zhǔn)化、系列化、通用化，它只適用于某些行業(yè)、某些領(lǐng)域，決不是任何行業(yè)、任何領(lǐng)域、任何方向都有標(biāo)準(zhǔn)元件的。液壓缸應(yīng)該來(lái)說(shuō)是標(biāo)準(zhǔn)件，但樣機(jī)研制過(guò)程中卻在市場(chǎng)上買不到，需要提供關(guān)鍵參數(shù)給液壓缸的制造廠商，由它們來(lái)訂做。

對(duì)于這種具體參數(shù)已經(jīng)標(biāo)準(zhǔn)化，而市場(chǎng)上又沒(méi)有現(xiàn)成商品的標(biāo)準(zhǔn)件，姑且稱之為“部分標(biāo)準(zhǔn)件”，切不可盲目自行設(shè)計(jì)，設(shè)計(jì)的結(jié)果常常是許多方面不夠標(biāo)準(zhǔn)、不夠?qū)I(yè)，最終白費(fèi)功夫，本作品研制過(guò)程中經(jīng)歷過(guò)此階段。

⑹ 改進(jìn)設(shè)計(jì)方案時(shí)，要結(jié)合待實(shí)現(xiàn)的功能目標(biāo)，盡量采用標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)實(shí)現(xiàn)，這樣改進(jìn)設(shè)計(jì)方案時(shí)就有了明確的方向。如本文中主要功能目標(biāo)就是增壓沖水，能實(shí)現(xiàn)自動(dòng)開(kāi)啟、自動(dòng)關(guān)閉的功能，而樣機(jī)的體積大小、占用的空間大小就不是追求的目標(biāo)。認(rèn)識(shí)到功能目標(biāo)后，樣機(jī)制造過(guò)程就能用市場(chǎng)上現(xiàn)成的標(biāo)準(zhǔn)件來(lái)改進(jìn)初始設(shè)計(jì)方案，實(shí)現(xiàn)功能目標(biāo)了。

樣機(jī)制造好后，能非常明顯地實(shí)現(xiàn)演示目標(biāo)：自動(dòng)開(kāi)啟，自動(dòng)關(guān)閉，沖洗大便的時(shí)間長(zhǎng)，沖洗小便的時(shí)間短。

[1]張春林，曲繼芳，等. 機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計(jì)[M]. 北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006.

[2]陶表達(dá)．現(xiàn)有便器沖水裝置節(jié)水性的理論分析[J]. 中國(guó)新技術(shù)新產(chǎn)品，2008，138(10)．

[3]陶表達(dá)．機(jī)械創(chuàng)新模式探索[J]．湖北第二師范學(xué)院學(xué)報(bào)，2009，26(2)．

[4]許福玲，陳堯明．液壓與氣壓傳動(dòng)[M]．北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007，5．

[5]茍維杰．液壓與氣壓傳動(dòng)[M]．長(zhǎng)沙：國(guó)防科技大學(xué)出版社，2010．

[6]全國(guó)閥門標(biāo)準(zhǔn)化技術(shù)委員會(huì).閥門產(chǎn)品樣本(上、下)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2006，5.

[7]宋虎堂.閥門選用手冊(cè)[M].北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2007，1.

Manufacturing Complexity of the Prototype of a Style of Water-Saving Device

TAO Biao-da

(School of Physics & Mechanical Electrical Engineering, Hubei University of Education, Wuhan 430205, China)

The general working principle should be conceived before the research and design of mechanical innovation products under an ideal state; since the problems of manufacturing difficulties, high cost, huge risk and other limits in the process of the prototype manufacturing, redesign is usually unavoidable, and the prototype development process of a water saving device also experienced this. Through the redesign based on the hydraulic standard components, the development cost of the prototype is greatly reduced, and the function target which the prototype demonstrates is realized. The results show that it is very important for the innovative prototype manufacturing to fully understand the basic principle of the hydraulic components, rather than indiscriminately follow the restrictions and fetters of the textbook which provides a paradigm for designer on how to think deeply and develop the prototype.

hydraulic system; water-saving equipment; design scheme; prototype manufacturing

2016-12-10

湖北省教育廳科學(xué)技術(shù)研究項(xiàng)目(B2013020)

陶表達(dá)(1972-)，男，副教授，研究方向?yàn)镃IMS、智能控制、機(jī)械創(chuàng)新產(chǎn)品研制的復(fù)雜性。

TH162

A

1674-344X(2017)2-0025-05