水能循环健身模型系统设计初步探讨

摘要：系统由简易跑步装置、简易健身自行车、曲柄连杆抽水装置、水能循环装置组成。首先通过人踩（手摇）健身自行车的主动轮增大被动轮的转速，然后通过曲柄连杆带动抽水管活塞拉杆，从而持续将下水箱的水抽入上水箱。当上水箱的水达到设计恒定水头，具有重力势能的水通过箱底管道从喷嘴处射出，冲击水斗转轮使其旋转，并带动连轴的跑步装置运行，实现了自行车和跑步装置相结合的水能利用健身模式。上水箱溢水和水斗转轮尾水回到下水箱以便循环利用。该系统既可以让人们锻炼身体、休闲娱乐，又可高效利用水能，达到绿色、节能环保的效果。

关键词：水能循环 健身 节能环保

1 研究背景

水能健身在市场上具有巨大的潜在开发价值，可以充分达到机械健身带给人的健身效果，并且更加舒适、环保。在未来一段时间，水能健身将成为各国研究的重要课题之一,而水量耗量大和高标准的水质保证成了制约水能健身装置发展的主要因素。像“水上跑步机”、“水下跑步机”、“水上行走器”等没有考虑水量规模，一旦场地少水和缺水则整个装置就陷入瘫痪中。像“家用游泳健身池”、“单人水上健身单车”等则对水质的要求很高，成本投入大，循环利用水的效果差。本系统配以简单灵活的机械装置，可使其适应更多的水质标准，达到锻炼身体、休闲娱乐、节水环保的效果。

2 设计原理

2.1 设计思路

水能利用 水力势能利用、绿色、节能减排

循环理念 节水环保、高效利用 水能循环健身系统

健身设备 锻炼身体、休闲娱乐

2.2 结构设计

2.2.1 水能循环健身系统布局设计

本系统是一种高效利用水能的装置，现实推广中可布置于办公大楼活动中心、居民小区及公园健身广场等场所，具有灵活方便、简单实用、绿色环保等特点。装置竖直方向尺寸为1700mm,水平方向尺寸为2000mm，装置整体采用角钢支撑。整套系统划分为四大组成结构：简易健身自行车装置、曲柄连杆抽水装置、水能循环利用装置、简易跑步装置。

2.2.2 简易健身自行车装置设计

见图2-2，当人踩动踏板或者手摇主动轮时，通过链条可带动被动轮和曲柄轮转动，可让曲柄具备足够的转速从而保证曲柄连杆抽水装置抽水流量符合要求。

2.2.3 曲柄连杆抽水装置设计

见图2-3，该装置上水管口径为40mm,长1600mm。架中心离拉杆斜距200mm(下限制点)，支架中心离竖直摇杆斜距250mm（上限制点），拉杆行程为200mm。依靠曲柄盘的转动将其圆周运动转化为活塞和拉杆的上下往复运动，从而可以达到从低处抽水至高处的要求。把摇杆设计为非等距是从省力的角度考虑的。装置设计的目的是为水能循环利用装置提供持续、充足地水量，确保其装置各部件的运行情况都能达到设计的要求。

2.2.4 水能循环利用装置设计

装置尺寸见图2-4，隔水板的作用是稳定上水箱水头，多余的水可经排水管注入到下水箱中。下泄管则引导水流来冲击水斗式转轮。上部为中水斗式转轮提供充足地水量和水头，保证水轮的转速使其正常运行。

中部设计见图2-5，其目的是保证简易跑步装置的正常运行。喷嘴主要是集中水流来冲击水斗，当水斗注水达到一定的重量时，在重力的作用下就可持续带动转轮转动。阀门则调节水流的下泄速度，从而可调整转轮的转速，实现简易跑步装置速度可控的效果。转轮外包壳则是用来防止水的飞溅引起的浪费。

计算公式【1】：

Q=UcA(2gH)1/2 Uc=1/(1+λL/D+Σξ)1/2 C=R1/6/N λ=8g/c2

式中：Q―――下泄管喷嘴处的流量 L――――管道沿程长度

Uc―――管道流量系数 D――――管道直径

A―――-管道喷嘴处的过水断面面积 Σξ――――管道局部损失系数

g――――重力加速度 C――――谢齐系数

H――――上水箱稳定水面至喷嘴处的高度 N――――粗糙系数

λ――――管道沿程阻力系数 R――――管道半径

经过实验数据分析，水斗式转轮能够持续转动并且简易跑步装置运行情况正常，说明下泄流量是符合要求的。

下部主要功能是为水能循环装置上部及中部装置正常稳定的运行提供水源及回收中部及上部装置的尾水和溢水。

2.2.5 简易跑步装置设计

简易跑步装置由跑带、滚筒、底座和支架、可拆卸垫层组成，见图2-7，其中，可拆卸垫层是用来调整跑带的倾斜角度的。当跑带趋于一个合理的角度时，有利于物体保持较好的运动状态。

装置运行中摩擦力是一个很关键的因素，所以需要合理选择材料。计算过程中涉及到的水力学和力学公式及适用条件如下：

N=9.81QHη 【1】 M=9550N/n 【2】 Fe=2F0(efa-1)/(efa+1) 【3】

式中：N――――水斗转轮出力（KW） Fe――――跑带二端最大有效圆周力

η――――出力效率 F0――――空载情况下的拉力

M――――水斗转轮轴输出转矩 f――――摩擦系数

n――――水斗转轮转速 a――――滚筒中心距

经过模型试验和初步调试，基本达到设计要求。

从上述分析可知，该系统采用简单实用地简易健身自行车装置，再结合曲柄连杆抽水装置，使人在踩动（手摇）自行车踏板的情况下，利用健身方式持续地把水由下水箱抽向上水箱。通过对水能循环利用装置的设计，实现了水能的高效利用并回收了尾水和溢水。再通过简易跑步装置的灵活设计，把水的绝大部分能量转换成了该装置转动的动能，从而达到利用水能健身的最终目的。

3．创新特色

（1） 水能利用与健身相结合的方式具有低碳省电、绿色健康的效果，同时符合当今时代节能减排的主题。

（2） 系统运行中水流始终是循环流动的。具有节水、环保高效的效果。带给人一种清新轻松的感觉。

（3） 系统可采用双人或者多人协作健身的模式，既能增进人际交流和培养团结合作的精神，又符合全民健身的运动理念。

4．应用前景

应对现代社会“节奏快,任务繁重，精神压力大”的生活工作模式，水能循环健身系统可在建筑大楼活动中心、居民小区活动区域、公园的广场等场所快捷装配。水能开发还可与公园水池、喷泉等设施结合，开发新功能。另外系统具有增氧功能，可实现景观养殖等休闲娱乐方式，具有美化环境的效果。此外，还可开发诸如下蹲训练器、平卧举重床、下拉训练器之类的水能健身器材新形式。本系统将为人们提供方便、科学合理的健身锻炼设施（室内室外均可），符合低碳减排型社会建设的要求，具有节能、环保的特点。它将是具有良好发展前景的城市建设产业之一。

参考文献

[1] 吴持恭 水力学，高等教育出版社，2007

[2] 刘启钊 水电站，中国水利水电出版社，1996

[3] 张东生 机械零件及建筑机械，重庆大学出版社，2005

作者简介：

姓名：黄圣平 性别：男 出生年月： 1989.01 学习单位： 湖南农业大学 学历：本科

通讯作者：张文萍 性别：女 职称：讲师 出生年月： 1977.04 工作单位：湖南农业大学工学院 研究方向：水利水资源