10m3机械式定量阀的研究与三维造型设计

第一章概述
水是构成地球生命系统的基础要素，也是任何个体、任何国家、任何社会持续生存发展的重要资源。

现有水资源短缺、水质污染的问题已日益引起世界各国的关注。

建设节水型社会是实现水资源可持续利用与经济社会可持续发展的根本性措施。

我国制定出的《中国21世纪议程》中明确把可持续发展作为国家发展战略写进了《国民经济和社会九五发展计划和2010年发展规划》之中。

其中，作为党中央、国务院的重大战略决策，节水工作已经列入了各级政府工作议事日程，节约用水的观念正在一步步深入人心。

节约用水，已经成为可持续发展的必然选择。

1.1水资源概况
水是地球上分布最广泛的物质。

水是生命之源，是一切动物、植物赖以生存、繁衍和发展的必需物质基础，万物都需要它。

最初水为人类提供了一种食物的来源以及旅行的交通航线，生产和农业灌溉最早的人类文明出现于那些在周围环境起着重要作用的地方，这是对人类独创性的一个挑战。

埃及人根据尼罗河河水每年的汛情制定出一年365天的日历。

古代最有名的立法者——巴比伦人，发明了管理用水的法律。

中国人从水上获得灵感，修建了千里大运河，这是一个复杂的体系，直到今天仍然在使用，而且依旧使工程师们惊叹不已。

今天，水一如往昔地控制着人类。

水的存在决定着人们选择安家建城的位置；水的猛烈的可变性可以杀死人类或是人类的牲畜或是庄稼；水的航线把人们联系起来；水的巨大价值或许会加剧已经危险的政治冲突。

过去人们普遍认为水是“取之不尽，用之不竭”的，其实，地球上的水是在一定条件下循环再生的。

18世纪的经济学家有着“水对生命至关重要，却一文不值；钻石对生命无关紧要，却价值连城。

”的结论。

然而，200多年后的今天，人类对水的需求量越来越大，加上环境污染、生态平衡破坏，人们开始感到可用水资源的匮乏；另一方面，人们在长期的社会实践中逐渐的把水的问题，连同水环境保护、生态保护等问题同人类的生息与社会发展联系在一起加以考察研究，并开始将水这一生命和人类社会赖以生存的最基本的自然因素、自然环境的重要因子当作资源看待。

1992年联合国环境和发展大会上通过的《二十一世纪议程》指出：“淡水是一种有限资源，它不仅为维持地球上一切生命所必需，而且对社会经济部门都具有生死攸关的重要意义”。

1.2我国水资源利用现状
水资源不足是我国的基本国情。

我国受所处地理位置、气候、降水、地形、地貌等自然条件以及人口、耕地与矿产资源分布的影响，水资源的主要特点表现为：
1、水资源总量较丰富，但人均、地均水资源占有量少。

我国水资源总量约为28100亿m3 ，河川径流量居世界第6位，但人均水资源量仅为2200m3，约为世界人均水资源量的1/ 4，世界排名第121位，被列为世界上13个贫水国家之一，其中华北地区人均水资源量小于400m3，已属于严重缺水地区。

2、水资源时空分布极不均匀。

南方与北方水资源分布相差悬殊，南方人均水资源量达到3600 m3以上，而北方人均水资源量只有720 m3，占国土面积50％以上的华北、西北、东北地区的水资源量仅占全国总量的20％左右。

南方多水地区利用程度较低，北方少水地区，水资源开发利用程度比较高，导致河流断流和湖泊洼淀萎缩。

西北干旱区大量挤占生态环境用水，荒漠化趋势蔓延。

3、水资源年际变化大，年内分配不均。

目前，我国水资源短缺问题十分突出，已经成为我国经济和社会可持续发展的重要制约因素，而且随着人口的增加和城市化水平及民众生活质量的提高，解决水资源短缺的问题已显得愈加紧迫。

90年代末，全国680座建制市中，有400座城市不同程度地缺水，严重缺水的城市达108座。

据初步统计，全国城市年缺水量达180亿t，今后城市用水对水量和水质还将有更高的要求。

我国每年因供水不足造成工业产值的损失高达上千亿元。

农业用水因城市和工业的发展而被大量占用，使本来就不敷农用的水源更紧张。

现有0.47亿m2有效灌溉面积中，约有0.07亿m2因水源不足而无法灌溉，估计仅此一项就少生产粮食150亿～200亿kg。

今后要保证农业的稳定发展，农业用水的缺口还将越来越大。

如仍按目前1 m3水生产0.85kg粮食的水平测算，到21世纪中叶，因粮食增产而需新增加的农业用水就将超过1000亿m3。

同时维系生态环境系统基本功能的水量被挤占，使生态系统失去平衡，城乡大量废污水排放，又使环境受到污染。

对于中国这样一个幅员辽阔、人口众多的国家来说，水资源问题矛盾重重，已成为我国经济、社会进一步发展的主要障碍。

要解决水资源短缺问题，只有依靠充分节约用水和合理配置水资源，使供水的低增长与国民经济的高速发展相适应、匹配，以有限水资源的可持续利用来保障社会经济的可持续发展。

建设节水型社会，是21世纪一场伟大而深刻的革命，是最紧迫的时代课题。

联合国发出警告：人类在经历了石油危机后，下一个危机就是水。

保护和合理利用水资源，是全世界面临的一项十分艰巨和紧迫的任务。

节约用水是生态水利的长久之策，也是解决我国缺水贫水的当务之急。

合理用水、节约用水和污水资源化，是开辟新水资源和缓解供需矛盾的捷径，非但不会影响生活、生产用水水平，
还会减少污染，改善环境，促进生产工艺进步，提高产品产值，提高人民生活质量。

1.3 用水器具和设备的主要节水方法
推广应用节水器具与设备是实现节约用水的重要途径，可以说节约工业用水和城市生活用水，在很大程度上要借助于节水器具和设备。

用水器具和设备的主要节水方法不外乎：
1、限定水量，如限量水表；
2、限定（水箱、水池）水位或水位适时传感器、显示，如水位自动控制装置、水位报警器；
3、防漏，如低位水箱的各类防漏阀；
4、限制水流量或减压，如各类防漏阀；
5、限时，如各类延时自闭阀；
6、定时控制，如定时冲洗装置；
7、改进操作或是提高操作控制的灵敏
性，前者如冷热水混合器，后者如
自动水龙头、电磁式沐浴节水器装
置；
8、提高用水效率；
9、适时调节供水压力或流量，如微机变频调速给水装置；
上述这些方法几乎都是以避免水量浪费为特征的。

1.4流量控制阀的概况
流量控制阀是通过改变截流口通流面积的大小或通流通道的长短来改变局部阻力的大小，从而实现对流量的控制。

常用的流量控制阀有节流阀、调速阀和分流集流阀等。

节流阀是通过改变截流口过流面积，从而调节进入到液压系统中的流量的。

调速阀是由定差减压阀与节流阀串连而成的组合阀。

节流阀用来调节通过的流量，定差减压阀则自动补偿负载变化的影响，使节流阀前后的压差位定值，消除了负载变化对流量的影响。

分流集流阀是分流阀、集流阀和分流集流阀的总称。

分流阀是使液压系统中由同一油源向两个执行元件供应相同的流量，或按一定比例供应流量，以实现两个执行元件的速度保持同步或定比关系。

集流阀使从两个执行元件收集等量或按比例的回油量，以实现其相互之间的速度同步或定比关系。

分流集流阀则具有分流阀和集流阀的功能。

本次所设计的10m3机械式定量阀就是一种典型的流量阀。

1.5论文选题的内容、目的及意义
农业，是水资源的用水大户，也是水资源的浪费大户。

解决水资源短缺问题的出路是发展节水农业，在全国范围内推广节水灌溉，改变千百年来人们浇地的传统习惯，把浇地变为
浇作物，按作物的最佳需水要求进行灌溉，用较少的水去获得较高的产出效益。

提高农业用水效率不但是解决我国水资源紧缺的有效途径，而且是农业生产自身发展的重要保障。

节水
灌溉是我国农业灌溉的发展方向，我国目前正开发和大面积推广使用各种节水灌溉技术，农业节水灌溉被认为是农业再上新高的关键。

但在我国许多灌区缺乏完善的计量体系，致使灌区不能按量供水，制约了水资源高效利用。

为配合对灌区计量设施体系的完善，减少农业用水的浪费，国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心研究设计出了10m3机械式定量阀，为我国农业灌溉对水流进行定量控制、避免水资源浪费提供了便捷装置。

在本次毕业设计中，将凭借国家节水灌溉杨凌工程技术研究中心所设计的10m3机械式定量阀的AutoCAD二维工程图，应用由美国参数公司PTC 开发的Pro/Engineer 三维制图软件，完成对10m3机械式定量阀的三维造型设计。

第二章定量阀的总体设计及工
作原理
2.1定量阀的总体结构设计
本次设计中的10m3机械式定量阀是一种典型的流量阀。

它是通过改变水流通道的通流时间来控制水的流量的。

该机构的动力来源于水流的压力，利用水流的压差，使水流流过水流通道，依靠水流对叶轮的冲击力带动齿轮减速机构、凸轮机构运动，通过刻度盘对需水量进行调整，完成对通流时间的控制，从而完成对流量的定量控制。

2.2定量阀的工作原理
定量阀的工作原理示意图如图2－1所示，水流从进水口A流进，在水流的冲击力作用下叶轮转动，并带动叶轮轴转动，然后通过齿轮减速机构的传动来控制凸轮对密封轴的开闭控制。

在整个壳体的外部有一根橡胶管（图中样条曲线所示）联接着进口A 处和压力平衡口C处。

图2－1 定量阀示意图
1、密封轴
2、刻度盘
3、凸轮
4、密
封片 5、叶轮 6、过滤网 当阀处于关闭状态时，密封轴1打开，水从进口A 处流进阀体，橡胶管导通，C 处、D 处均充满由进口A 处流进的水。

根据连通器原理，连通器内水的压力处处相等，则密封片上方D 处的压力与进水口A 处的压力相等。

密封片上方有锥形大弹簧的弹力作用，因此，密封片上方的D 处的总压力大于下方进水的压力，密封片与壳体之间的缝隙（水流通道）被封闭，水流无法通过。

当阀处于开启状态时，密封轴1
关闭，水从进口A 处流进
阀体，橡胶管中没有水流动，密封片上方的D 处的总压力
小于下
方进水的压力，密封片与壳体之间的水流通道被打开，水流通过过滤网6、叶轮5，流经水流通道，由出口B 流出。

2.3 定量阀的应用特点及使用范围
56
3
4
2
1A
C
D
图2－2 齿轮传动系统
2.6系统中轴的作用
如图2－2所示，系统中有三根轴，凸轮轴和凸轮、刻度盘之间都是通过销联接的，当刻度盘转动一定的角度时，凸轮在凸轮轴的带动下一起转动同样的角度，系统被打开；当凸轮转动使密封轴进入凸轮凹槽中时，系统停止运动。

叶轮轴12和叶轮之间采用过盈配合，因此，当叶轮转动的时候，叶轮轴会一起转动，从而带动系统的正常运转。

但是，侧轴4和凸轮轴、叶轮轴的作用都不同，侧轴是固定不动的，它在系统中起的是定位的作用。

2.7 刻度盘的工作原理及定位
当刻度盘顺时针转动（由上向下看）一个角度时，凸轮、凸轮轴上的齿轮与其一同转过相同的角度，齿轮传动系统也随之转动，此时系统被打开，齿轮系统在叶轮的带动下将动力传动至凸轮轴，此时，凸轮、刻度盘将作逆时针转动，直至凸轮转动使密封轴进入凸轮凹槽中时，系统关闭。

刻度盘的刻度定位可以通过计算进行标注，但计算过程较麻烦不利于实践，在生产使用时可以通过试验的方法对其进行定位标注。

当系统关闭时，刻度盘指示为0，当刻度盘转至最大流量时，试验测出所通过的流量，并标注其刻度值；然后将0至最大刻度间进行等分，标注出刻度。

应进行多次反复试验，对刻度进行精确标注。

图2－3 刻度盘组件效果图
第三章定量阀的主要零部件造型设计
3.1定量阀的凸轮机构及其转换
在本次10m3机械式定量阀的设计方案中，凸轮采用了水平圆盘式凸轮，其结构如图3－1左图所示，当密封轴处在凸轮的最大半径处，系统打开；当密封轴处于凸轮最小半径处，系统关闭。

凸轮结构可以转换成如图3－1右图所示的圆柱凸轮机构。

密封轴的轴头可以作成球形，装配在凸轮的凹槽中，在凹槽下部的末端，槽直径减小，当密封轴轴头进入槽的最小直径时，系统关闭。

图3－1 凸轮机构比较图
由于水平圆盘凸轮的厚度比较小，但圆柱凸轮的厚度比较大，因此安装在系统中时，需要取消一组啮合的双联齿轮，留出足够的空间来安装圆柱凸轮机构。

但减速机构的减速效率降低，因此需要增加圆柱上凹槽的长度，以保证足够的流量标准。

当圆柱凸轮安装在凸轮轴上时必须为其留有足够的轴向尺寸，以保证其在运动过程中的轴向移动，而且圆柱凸轮机构在凸轮轴上的定位也比较麻烦。

当采用圆柱凸轮机构时，密封轴的轴头需要嵌在凸轮的凹槽中，摩擦阻力比较大，而且密封轴比较长，在凸轮转动的过程中，密封轴容易被卡住。

因此，在此次设计中采用水平圆盘凸轮。

3.2 定量阀叶轮的造型设计
叶轮是整个系统的动力原动件，叶轮与叶轮轴之间采用过盈联接，叶轮在水流冲力的作用下转动，带动叶轮轴与其一起转动从而带动系统运动。

叶轮的叶片与轴线间有一定的夹角，且叶面带有一定的弧度，因此，在叶轮的造型设计中，叶面的设计有一定的难度。

其原理与斜齿轮做法相似，主要设计过程如下：
1、用旋转、加材料特征生成叶轮中心支架部分，然后通过所生成的模型上表面作偏距为3的偏距面，得到面DTM1。

其效果图如图3－2所示：
图3－2 叶轮中心部分效果图
2、然后以面DTM1为参照，作出内部的筋特征，并将其阵列出5个特征，再通过叶轮环壁的上表面作偏距为2的偏距面，得到面DTM3，在所作面上草绘叶轮轮齿上表面的形状，即图中加亮特征，如图3－3所示。

图3－3 叶轮中心加强筋效果图
3、过面DTM3与RIGHT 面的交线作基准轴A_5；以FRONT 面与曲面交线作基准轴A_6；作DTM4，使其通过A_2轴并与FRONT 面垂直，并在面DTM 4上草绘一条直线，把草绘的直线投影到圆柱壁曲面上，作投影边与底面边缘曲线的交点PNT0。

如图3－4所示。

图3－4
4、应用插入菜单中的扫描混合特征作出叶轮的叶片，为截面1 输入z_axis 旋转角度为0度，然后进入草绘环境，草绘出首尾两个截面，所对应的对话框依次如图3－5所示：
图3－5
作出一个叶轮叶片，并用阵列特征工具阵列出10个叶片特征，即完成叶轮的设计，其效果图如图3－6所示。

图3－6 叶轮效果图
3.3定量阀中间盘的造型设计
定量阀的中间盘基本外形设计主要采用拉伸、旋转、加材料、孔等特征工具作出，并草绘出密封圈轮廓线，其效果图如图3－7所示。

图3－7
然后应用插入菜单下的扫描－切口特征，作出密封凹槽，其对应的对话框依次如图3－8所示，作出密封凹槽的效果图如图3－9所示
图3－8
图3－9
应用拉伸切除材料、筋特征作出中间盘底部及其盘体上面的特征，如图3－10所示，用旋转去材料作出密封孔，并在底部攻M14标准内螺纹孔，同时作出平衡压力口的螺纹，如图3－11所示。

图3－10
图3－11
完成中间盘的造型设计，其效果图如图3－12所示。

图3－12 中间盘效果图
3.4 定量阀下壳体的造型设计
定量阀的下壳体是一个结构复杂的零件，在设计中应用最基本的拉伸、旋转以及切材料、倒圆角等特征工具作出其基本轮阔，用扫描特征将其内部的水流通到设计成光滑的曲面，其主要设计过程为：使用拉伸、旋转、倒圆角等基本的特征工具，做出下壳体的基本外型，然后应用扫描特征作出进水口和出水口的水流通道，然后作出进水口处压力平衡口，即完成下壳体的制作。

如图3－13所示。

图3－13
3.5双联齿轮的造型设计
双联齿轮的设计不同于普通的单个齿轮，由于联接在一起的两个齿轮的参数等有所不同，因此在设计中可以将联接的两个齿轮当作单个齿轮单独设计，然后将其作为组建装配在一起成为双联齿轮。

其主要设计步骤如下：
1、设定齿轮参数，如图3－15所示，在FRONT面上由外至内依次绘制4个同心圆。

并应用工具菜单，进行添加关系，如图3－16所示然后添加齿轮齿形渐开线方程式如图3－17所示，作出如图3－14所示的齿轮。

图3－14 齿轮效果图
图3－15 齿轮参数设定
图3－17 齿轮齿形渐开线方程式
2、双联齿轮另一齿轮设计过程，只需在刚才所作的齿轮参数里面修改相应的数据，如图3－18，然后重新生成，得出齿轮效果图，如图3－19。

图3－19 齿轮效果图
3、双联齿轮中间连接部分的设计采用旋转作出，如图3－20所示，然后新建组件，将两个齿轮装配起来，得到双联齿轮的效果图，如图3－21所示。

图3－20 双联齿轮中间体
图3－21 双联齿轮效果图
第四章阀体的总装
在阀体的装配过程中，以三根轴为基准，先将各个轴上的组件装配好，然后应用轴向定位将这三个组件装配在一起，最后再安装壳体。

其工程图如图4－1所示。

其装配总图如图4－2所示，分解图如图4－3所示。

在装配过程中，由于所作的弹簧是在没有受力情况下的位置，当装配到组装图上时，弹簧将伸出到阀体之外，因此，在装配的时候，可以应用一个高度减小后的弹簧进行安装。

啮合齿轮的安装，应该根据其啮合点的位置，通过旋转，使一对啮合的齿轮不发生干涉。

图4－1 定量阀的总装工程图
图4－2 定量阀总装效果图
图4－3 定量阀总装分解效果图
第五章总结与展望
5.1 总结
在此次毕业设计及其论文的写作过程中，主要进行了以下方面的工作：
1、对定量阀的市场需求及现有产品进行了调查分析，分析所要设计的定量阀
的市场前景，并制定出本次设计的基本方案；
2、用Pro/Engineer 三维造型设计软件，完成10m3机械式定量阀的零件及组
件的造型设计；
3、分析所设计的10m3机械式定量阀的工作原理及应用；
4、分析了10m3机械式定量阀的改装及综合利用。

此次所设计的10m3机械式定量阀是一种适应生产生活需要的流量控制阀，其结构简单，安装方便，成本低廉，而且不需要有其他的动力控制，只依靠水流的动力来带动系统的运动，节约了动力来源的成本。

在传动方面，主要是依靠齿轮减速机构进行动力的传动。

齿轮减速机构可以实现所需的传动比，工作性能可靠，传动效率高。

在材料选用方面，主要考虑水流压力不是很大，因此对定量阀的主要零件均采用高密度聚乙烯工程塑料制成，生产、安装方便，且在运转过程中不需要润滑。

5.2 对定量阀应用的展望
阀在液压系统中起控制作用，主要是控制和调节流体的流动方向、压力和流量，以满足执行元件所需的启动、停止、运动方向、力和力矩、速度或转速、动作顺序和克服负载等要求，从而使系统按照指定的要求协调的工作。

作为动力元件的泵，是把输入的机械能转换成为液体或气体的压力能再输出到系统中去，为执行元件提供动力。

可以将本次所设计的定量阀与泵联合起来使用，成为定量泵。

从而可以应用于农业灌溉的定量取水，工厂水源的定量控制等。

5.3 心得体会
三个多月的毕业设计及论文的写作，是对我大学四年期间所学知识的一次总结与大检测。

通过对10m3定量流量阀的三维造型设计及论文的撰写，我发现了很多以前学习过程中遗留下的问题，并通过进一步的深入学习和大量资料的查阅，使我对以前所学专业课程有了更好的巩固，并扩大了知识面，学到了更多的知识，同时液培养了我独立解决问题、独立完成工作的能力。

研究。

在设计中主要应用Pro/Engineer等软件对流量阀的结构进行三维造型设计，使我对Pro/Engineer 软件有了更深刻的认识，更深刻的领悟了Pro/Engineer软件的参数化设计和特征的实体模型化、单一数据库、行为建模技术的特点。

同时也锻炼了我对Pro/Engineer制图软件的应用，强化了对各基本功能的应用操作，同时增强了我的识图能力，对一些复杂零件的造型所用到的新功能进行了新的学习，得到了很大的收获。

在大量的查阅资料过程中，使我更清醒的认识到我国水资源的紧缺现状，以及农业水利中所存在的问题，我国农业灌溉要求有更多更节能的设备，这也是我们在以后工作中所应该努力的方向。

此次所设计的定量阀在农业灌溉控制、饮料行业的定量罐装方面起着重要的作用，在生产实践中可以根据需要进行改装，以发挥更大的作用。

致谢
本次毕业设计及论文的完成，首先要感谢我的母校——西北农林科技大学对我的培育之恩，其次要感谢机械与电子工程学院为我提供了良好的学习环境。

在此次设计及论文完成过程中，朱琳老师给与了我多方面的指导，在此也对朱琳老师表示深深的谢意，通过本次设计及论文我学到了许多新的知识。

在三个多月的设计学习，我以最端正的工作态度，以最大的工作热情投入到本次论文的写作，对设计及论文也经过了多次修改，终于比较顺利的完成了此篇论文，但学习中仍然存在有不够深入的地方，论文的写作难免有一些瑕疵，请各位老师予以批评指导。

在此次实习及论文完成过程中多次遇到一些问题，得到了朱琳老师的大力支持与多方面指导。

朱琳老师提出了许多宝贵的意见，并耐心的给我指导。

老师丰富的知识，敏锐的洞察力，给予了我很大的帮助，同时，也在此次设计及论文中让我感受到母校老师伟大的人格魅力，在此，特向母校的老师们说声“谢谢”以此代表我深深地谢意！另外，还要感谢在这过程中帮助过我的同学，谢谢你们的支持和帮助！同时也非常感谢国家节水灌溉杨凌研究中心提供的一些技术资料！。