机械式节能水泵同轴双向传动机构设计

宋海潮，甄久军，徐锋，徐年富

(南京工业职业技术学院，江苏南京 210023)

水泵是国民经济各领域中应用最广泛的通用机械，无论在农田灌溉与排涝，还是各种各类供水工程、排水工程，或流体增压输送工程，还有水景艺术的代表——喷泉，每日每时都有大量的泵在运转，消耗大量的能量，其用电量约占全国用电量的20.9%。以喷泉为例，由于使用成本巨大，为了节省能耗，很多地方的喷泉成为摆设，出现只见喷泉不见喷水的状况。

机械式节能水泵 (实用新型授权专利号201220081665.6，发明审查专利号201210057413.4)，放弃电力作为能量的唯一来源，采用创新设计的机械装置，通过人力、畜力、自然力、电力能源，实现水泵的功能即将低处水送到高处并加压的效果。

1 水泵设计

1.1 水泵结构设计

机械式节能水泵包括箱体、泵体、曲柄、曲轴和活塞，一组8个泵体设置在箱体内;箱体有2个，每个箱体内设有4个泵体。一组8只活塞分别设置在8只泵体内并成卧式状分布在曲轴两边。曲轴通过连杆连接;在泵体上设有进水口和出水口，曲柄套装在曲轴上，如图1所示。曲轴由外力驱动，实现节能水泵工作。

图1 机械式节能水泵装配图

1.2 水泵工作原理

水泵采用的是8缸联动，图2为水泵结构图，8个活塞缸通过可拆卸式螺母固定，8个缸分别排列在曲轴两边，整体成卧式状，曲轴由固定在箱体中的支撑杆固定。曲轴转动，带动活塞在活塞缸内往复直线运动，实现吸水、排水的完整过程。

图2 机械式节能水泵结构图

吸水过程是:活塞上行 (绕主轴顺时针旋转)，泵体的进水阀门打开，因压力差的原因，水被压进活塞缸腔内，此时出水阀门关闭。

压水过程是:活塞上行，泵体内的出水阀门打开，将腔内的水压到储压箱内。

加压过程是:水流入储压箱，吸水、压水两个过程循环作用，不断向储压箱内加压输水。储压箱内的水压达到上限，喷水阀门打开，通过管道喷出水形成喷泉，图3为水泵分解图。

图3 水泵单体结构分解图

1.3 曲柄设计

在传统的曲柄上采用剖切局部的方法，缩短曲柄的轴向长度，能够在同等长度的曲轴上同时安装两个曲柄［1］，见图4，对安装与运动没有影响，而且能够有效、充分地利用固定的空间。此方法可同时实现在同一曲轴段中使多缸一起传动，能够充分利用有效的能量来实现较多的能量转换。

图4 曲柄曲轴连接图

2 同轴双向传动机构设计

齿轮传动，传动结构紧凑，可靠耐久，传递功率大。通过对传动系统的设计，由两个动力源从曲轴的两端同时为曲轴提供转动的动能，实现双向同时向中心提供能量，力互不干涉，提高能量传递效率。

2.1 传动机构结构

以节能环保为宗旨，采用自行车运动来提供动能，带动水泵曲轴旋转运动。自行车运动时，通过传动系统带动曲轴转动，从而达到了活塞在活塞缸内做往复直线运动，实现吸水、喷水整个过程。

传动系统如图5所示，实用授权专利号201220081663.7，包括独轮自行车、自行车轨道、连扳机构1、连扳机构2和机械式节能水泵。自行车的骨架与机械式节能水泵是通过连扳连接固定，连扳与飞轮、连扳与链轮都是通过轴承连接。

图5 传动机构装配图

2.2 连扳机构工作原理

传动系统连扳机构分左右两个部分即连扳机构1和连扳机构2。该机构包括连扳、链轮、传动输入锥齿轮、传动输出锥齿轮、链条和飞轮。如图6所示的连扳机构1，传动输入锥齿轮和传动输出锥齿轮设置在连扳的一侧即上表面，如图6(a)所示;链轮和链条设置在连扳的另一侧即下表面，如图6(b)所示，且两只链轮分别位于连扳的两端;独轮自行车转动时带动输入锥齿轮旋转，和输入锥齿轮连接的链轮通过链条带动和输出锥齿轮连接的链轮转动，从而输出锥齿轮旋转，带动曲轴旋转运动。

图6 连扳机构1示意图

连扳机构2如图7所示，同样传动元件主要由链条、锥齿轮两部分组成，但由于需要对同一轴实现双向提供动力，连扳机构2要比连扳机构1多配一个飞轮，目的是实现连扳机构2和连扳机构1对曲轴的受力方向一致。如图7(b)所示，链条先与飞轮连接，再与输出锥齿轮连接，当独轮自行车运动时，连扳机构2给曲轴提供的动力才同连扳机构1方向一致，实现曲轴加速运动，提高转动效率。

图7 连扳机构2示意图

在工作的时候，链的强度能够保证正常工作，将活塞内的压力加强最大化并能保证机构正常工作，其传动机构原理如图8所示［2］。

图8 传动机构运动原理示意图

3 总结

机械式节能水泵机构放弃电能作为唯一能源，节约能源，绿色环保，实用，投资成本低，维护、使用资本少，实用性好，使用方便灵活，质量轻、结构紧凑，可应用于各种场合。

而同轴双向传动机构利用齿轮传动，传动结构紧凑，可靠耐久，传递的功率大。两个动力源从曲轴的两端同时为曲轴提供转动的动能，实现双向同时向中心提供能量，并且力互不干涉，提高能量传递效率。

［1］成大先.机械设计手册:轴承［M］.北京:化学工业出版社，2005.

［2］成大先.机械设计手册:机械传动［M］.北京:化学工业出版社，2006.