水能循環(huán)健身模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步探析

1、水能循環(huán)健身模型系統(tǒng)設(shè)計(jì)初步探析摘要：系統(tǒng)由簡(jiǎn)易跑步裝置、簡(jiǎn)易健身自行車(chē)、曲柄連桿 抽水裝置、水能循環(huán)裝置組成。首先通過(guò)人踩（手搖）健身 自行車(chē)的主動(dòng)輪增大被動(dòng)輪的轉(zhuǎn)速，然后通過(guò)曲柄連桿帶動(dòng) 抽水管活塞拉桿，從而持續(xù)將下水箱的水抽入上水箱。當(dāng)上 水箱的水達(dá)到設(shè)計(jì)恒定水頭，具有重力勢(shì)能的水通過(guò)箱底管 道從噴嘴處射出，沖擊水斗轉(zhuǎn)輪使其旋轉(zhuǎn)，并帶動(dòng)連軸的跑 步裝置運(yùn)行，實(shí)現(xiàn)了自行車(chē)和跑步裝置相結(jié)合的水能利用健 身模式。上水箱溢水和水斗轉(zhuǎn)輪尾水回到下水箱以便循環(huán)利 用。該系統(tǒng)既可以讓人們鍛煉身體、休閑娛樂(lè)，又可高效利 用水能，達(dá)到綠色、節(jié)能環(huán)保的效果。關(guān)鍵詞：水能循環(huán)健身節(jié)能環(huán)保1研究背景水能健身在市

2、場(chǎng)上具有巨大的潛在開(kāi)發(fā)價(jià)值，可以充分 達(dá)到機(jī)械健身帶給人的健身效果，并且更加舒適、環(huán)保。在 未來(lái)一段時(shí)間，水能健身將成為各國(guó)研究的重要課題之一, 而水量耗量大和高標(biāo)準(zhǔn)的水質(zhì)保證成了制約水能健身裝置 發(fā)展的主要因素。像"水上跑步機(jī)”、'水下跑步機(jī)"、“水 上行走器”等沒(méi)有考慮水量規(guī)模，一旦場(chǎng)地少水和缺水則整 個(gè)裝置就陷入癱瘓中。像“家用游泳健身池”、“單人水上 健身單車(chē)”等則對(duì)水質(zhì)的要求很高，成本投入大，循環(huán)利用水的效果差。本系統(tǒng)配以簡(jiǎn)單靈活的機(jī)械裝置，可使其適應(yīng) 更多的水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，達(dá)到鍛煉身體、休閑娛樂(lè)、節(jié)水環(huán)保的效 果。2設(shè)計(jì)原理2. 1設(shè)計(jì)思路水能利用水力勢(shì)能利用

3、、綠色、節(jié)能減排循環(huán)理念節(jié)水環(huán)保、高效利用水能循環(huán)健身系統(tǒng)健身設(shè)備鍛煉身體、休閑娛樂(lè)2.2結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)2. 2.1水能循環(huán)健身系統(tǒng)布局設(shè)計(jì)本系統(tǒng)是一種高效利用水能的裝置，現(xiàn)實(shí)推廣中可布置 于辦公大樓活動(dòng)中心、居民小區(qū)及公園健身廣場(chǎng)等場(chǎng)所，具 有靈活方便、簡(jiǎn)單實(shí)用、綠色環(huán)保等特點(diǎn)。裝置豎直方向尺 寸為1700mm,水平方向尺寸為2000mm,裝置整體采用角鋼支 撐。整套系統(tǒng)劃分為四大組成結(jié)構(gòu)：簡(jiǎn)易健身自行車(chē)裝置、11柄連桿抽水裝置、水能循環(huán)利用裝置、簡(jiǎn)易跑步裝置。2.2.2簡(jiǎn)易健身自行車(chē)裝置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2-2,當(dāng)人踩動(dòng)踏板或者手搖主動(dòng)輪時(shí)，通過(guò)鏈條可帶動(dòng)被動(dòng)輪和曲柄輪轉(zhuǎn)動(dòng)，可讓曲柄具備足夠的轉(zhuǎn)速?gòu)亩?保

4、證曲柄連桿抽水裝置抽水流量符合要求。2. 2. 3曲柄連桿抽水裝置設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2-3,該裝置上水管口徑為40mm,長(zhǎng)1600mmo架中 心離拉桿斜距200mm（下限制點(diǎn)），支架中心離豎直搖桿斜距 250mm （上限制點(diǎn)），拉桿行程為200mmo依靠曲柄盤(pán)的轉(zhuǎn)動(dòng) 將其圓周運(yùn)動(dòng)轉(zhuǎn)化為活塞和拉桿的上下往復(fù)運(yùn)動(dòng)，從而可以 達(dá)到從低處抽水至高處的要求。把搖桿設(shè)計(jì)為非等距是從省 力的角度考慮的。裝置設(shè)計(jì)的目的是為水能循環(huán)利用裝置提 供持續(xù)、充足地水量，確保其裝置各部件的運(yùn)行情況都能達(dá) 到設(shè)計(jì)的要求。2. 2.4水能循環(huán)利用裝置設(shè)計(jì)裝置尺寸見(jiàn)圖2-4,隔水板的作用是穩(wěn)定上水箱水頭， 多余的水可經(jīng)排水管注入到下水

5、箱中。下泄管則引導(dǎo)水流來(lái) 沖擊水斗式轉(zhuǎn)輪。上部為中水斗式轉(zhuǎn)輪提供充足地水量和水 頭，保證水輪的轉(zhuǎn)速使其正常運(yùn)行。中部設(shè)計(jì)見(jiàn)圖2-5,其目的是保證簡(jiǎn)易跑步裝置的正常 運(yùn)行。噴嘴主要是集中水流來(lái)沖擊水斗，當(dāng)水斗注水達(dá)到一 定的重量時(shí)，在重力的作用下就可持續(xù)帶動(dòng)轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)動(dòng)。閥門(mén) 則調(diào)節(jié)水流的下泄速度，從而可調(diào)整轉(zhuǎn)輪的轉(zhuǎn)速，實(shí)現(xiàn)簡(jiǎn)易 跑步裝置速度可控的效果。轉(zhuǎn)輪外包殼則是用來(lái)防止水的飛 濺引起的浪費(fèi)。計(jì)算公式11：q=uca（2gh）l/2 uc=l/（1+ 入 l/d+g）l/2 c=rl/6/n 入=8g/c2式中：q下泄管?chē)娮焯幍牧髁縧管道沿程長(zhǎng)度uc管道流量系數(shù)d管道直徑a管道噴嘴處的過(guò)水?dāng)嗝婷?/p>

6、積管道局部損失系數(shù)g重力加速度c謝齊系數(shù)h上水箱穩(wěn)定水面至噴嘴處的高度n粗糙系數(shù)x管道沿程阻力系數(shù)r管道半徑經(jīng)過(guò)實(shí)驗(yàn)數(shù)據(jù)分析，水斗式轉(zhuǎn)輪能夠持續(xù)轉(zhuǎn)動(dòng)并且簡(jiǎn)易 跑步裝置運(yùn)行情況正常，說(shuō)明下泄流量是符合要求的。下部主要功能是為水能循環(huán)裝置上部及中部裝置正常 穩(wěn)定的運(yùn)行提供水源及回收中部及上部裝置的尾水和溢水。2. 2. 5簡(jiǎn)易跑步裝置設(shè)計(jì)簡(jiǎn)易跑步裝置由跑帶、滾筒、底座和支架、可拆卸墊層 組成，見(jiàn)圖2-7,其中，可拆卸墊層是用來(lái)調(diào)整跑帶的傾斜 角度的。當(dāng)跑帶趨于一個(gè)合理的角度時(shí)，有利于物體保持較 好的運(yùn)動(dòng)狀態(tài)。裝置運(yùn)行中摩擦力是一個(gè)很關(guān)鍵的因素，所以需要合理 選擇材料。計(jì)算過(guò)程中涉及到的水力學(xué)和力學(xué)

7、公式及適用條 件如下：n=9.81qht 【1 m=9550n/n【2 】fe=2f0(efa-1)/(efa+1)3式中：n水斗轉(zhuǎn)輪出力（kw） fe跑帶二端最大有效圓周力t1出力效率f0空載情況下的拉力m水斗轉(zhuǎn)輪軸輸出轉(zhuǎn)矩f摩擦系數(shù)n水斗轉(zhuǎn)輪轉(zhuǎn)速a滾筒中心距經(jīng)過(guò)模型試驗(yàn)和初步調(diào)試，基本達(dá)到設(shè)計(jì)要求。從上述分析可知，該系統(tǒng)采用簡(jiǎn)單實(shí)用地簡(jiǎn)易健身自行 車(chē)裝置，再結(jié)合曲柄連桿抽水裝置，使人在踩動(dòng)（手搖）自 行車(chē)踏板的情況下，利用健身方式持續(xù)地把水由下水箱抽向 上水箱。通過(guò)對(duì)水能循環(huán)利用裝置的設(shè)計(jì)，實(shí)現(xiàn)了水能的高 效利用并回收了尾水和溢水。再通過(guò)簡(jiǎn)易跑步裝置的靈活設(shè) 計(jì)，把水的絕大部分能量轉(zhuǎn)換成了

8、該裝置轉(zhuǎn)動(dòng)的動(dòng)能，從而 達(dá)到利用水能健身的最終目的。3. 創(chuàng)新特色（1）水能利用與健身相結(jié)合的方式具有低碳省電、綠 色健康的效果，同時(shí)符合當(dāng)今時(shí)代節(jié)能減排的主題。（2）系統(tǒng)運(yùn)行中水流始終是循環(huán)流動(dòng)的。具有節(jié)水、 環(huán)保髙效的效果。帶給人一種清新輕松的感覺(jué)。（3）系統(tǒng)可采用雙人或者多人協(xié)作健身的模式，既能 增進(jìn)人際交流和培養(yǎng)團(tuán)結(jié)合作的精神，又符合全民健身的運(yùn) 動(dòng)理念。4. 應(yīng)用前景應(yīng)對(duì)現(xiàn)代社會(huì)“節(jié)奏快，任務(wù)繁重，精神壓力大”的生 活工作模式，水能循環(huán)健身系統(tǒng)可在建筑大樓活動(dòng)中心、居 民小區(qū)活動(dòng)區(qū)域、公園的廣場(chǎng)等場(chǎng)所快捷裝配。水能開(kāi)發(fā)還 可與公園水池、噴泉等設(shè)施結(jié)合，開(kāi)發(fā)新功能。另外系統(tǒng)具 有增氧功能，可實(shí)現(xiàn)景觀養(yǎng)殖等休閑娛樂(lè)方式，具有美化環(huán) 境的效果。此外，還可開(kāi)發(fā)諸如下蹲訓(xùn)練器、平臥舉重床、 下拉訓(xùn)練器之類(lèi)的水能健身器材新形式。本系統(tǒng)將為人們提 供方便、科學(xué)合理的健身鍛煉設(shè)施（室內(nèi)室外均可），符合 低碳減排型社會(huì)建設(shè)的要求，具有節(jié)能、環(huán)保的特點(diǎn)。它將 是具有良好發(fā)展前景的城市建設(shè)產(chǎn)業(yè)之一。參考文獻(xiàn)1 吳持恭水力學(xué)，高等教育出版社，20072 劉啟釗水電站，中國(guó)水利水電出版