CN1107168C - 具有一用踏板驱动的往复式泵的水系统 - Google Patents

Abstract

一种水系统，它具有一由脚踏能驱动的往复式泵(6)。泵架(14)具有一壳体，其中有一脚踏板(18)和一驱动轴(62)转动。一与驱动轴一起转动的偏心销(68)使一连接杆(66)移动，该连接杆进而使一推杆(71)竖直振动。推杆(71)延伸进入一形成于立式总管(8)(井管)上方的压力密闭腔。一连接于推杆的泵杆(44)延伸成使一传统柱塞(43)竖直振动。驱动轴连接有一飞轮(76)，飞轮上与偏心销直径相对地安装有一配重(82)。从驱动轴到配重的径向距离可以调节。一排水管(24)从压力密闭腔延伸到一高位或增压储存水箱(27)。从储存水箱延伸出来的一分配管(28)将水输送到多个分配点(32)，诸如房屋中的水龙头。

Description

具有一用踏板驱动的往复式泵的水系统

发明领域

本发明涉及水分配系统，更具体地说是涉及由人力驱动的水分配系统。

发明背景

往复式容积泵的历史要追溯到古罗马的公元前275年。在十六世纪的欧洲，由水轮驱动的大提升压送泵成为泵送管道水的主要方法。

直至1987年，世界银行估计，全世界有18亿人需要改善水的供给，配备有人力泵的井将是满足这些人需求的一种合适的选择。发展中国家常用的往复式人力泵大多数源于19世纪末、20世纪初在美国和欧洲开发的设计。直到1920年电动泵开始取代它们为止，在美国约生产了4千2百万台人力泵。尽管本世纪中往复式人力泵的基本设计没有多大改变，但其通常的应用却大为改变。本世纪早期，在美国和欧洲，泵的较大市场是各家庭或农民每天使用10到30分钟的小型后院泵。如今在发展中国家，一个泵必须为500人以上的村民服务，每天可能连续工作10小时或更长。

发展中国家所需要的是手动泵，它能由一个人很容易地操作相对较长的时间，并能用尽可能小的力气提送大量的水。由于较高的使用要求，且泵必须在远离城市、缺少维修设施和维修人员的地方作为一实用装置来工作，因而泵必须既可靠又便于维修。

与通常的井相连的人力泵可通过下压一根杆的末端、并通过将其上拉或让它靠井重而向上返回来驱动。随着杆被下压，便做了提水的功。最简单类型的往复式泵是抽吸泵，它通过在抽吸管道中产生部分真空而将水从浅井中抽出。包括由杆所移动的柱塞和抽吸单向阀在内的所有移动部件均是设置在地表以上；只有抽吸管道向下延伸入井。随着杆被下压，柱塞向上移动，从而提起位于其上面的水并通过一管口排出，并将位于其下面的水上拉通过一打开的抽吸单向阀。随着杆向上移动，柱塞被下移，通过位于其下面的水产生一个打开柱塞中的一个阀的压力，同时关闭抽吸单向阀。这种泵的两个缺点在于，第一，它必须先注水起动，然后才能使用，第二，依靠大气压提水的抽吸原理限制了装置只能用于深度小于约7米的井。

在往复式深井泵中，柱塞缸浸于井中的水位以下，它由一根沿井管延伸的杆上下拉动。这种设备适用于深达45米以上的井，其操作上的限制是依赖于使用者愿意为深度越大取水越少的事实而所作的努力。随着井深的增大，要将井管中的水柱连同沿井管延伸到达柱塞缸的钢杆一起提起，需要做更多的功。

大多数往复式泵的一个问题是由这样的事实所造成的，即用来操作泵的杆虽然提供了一种过于简单的机构，却没有很好地利用人体的能力来做机械功。人所能提供的、用来以这种方式提水的向下力仅局限于其本身的重量，杆主要使用使手臂和上身运动的肌肉，而对于一个通常的人来说，使腿移动的肌肉要强壮得多和更能长时间使用。

大多数往复式泵的另一个问题是因为这样的事实而产生的，即提水和泵机构的功只是随着杆被下压而产生。例如，传统的往复式泵在杆被压下时需要约20kg的力，而使杆向上返回时只需要约4kg的力。这样，就对使用者在泵压过程施加能量方面产生不够均匀的要求。

曾制造一些泵的结构，以在驱动力的施加方式方面克服此类缺点。例如，曾对中国山东省水管理局所生产的SB-115型双柱塞泵上添加了一踏板式脚踏驱动装置以及一对飞轮。英国Worcestor的Wildon Engineering公司生产的Climax人力泵和荷兰Jensen Venneboer BV公司生产的Volanta人力泵，它们的往复动作都是用一连接杆来推进，该连接杆由一与一飞轮一起安装在一轴上的转动曲柄驱动。从飞轮上有一偏心杆延伸出来，用作一手动曲柄。Climax人力泵还使用一配重来平衡通过曲柄施加的提升力。

因此，中国山东省的泵的优点在于，采用了使腿运动的更强壮的肌肉，同时所有这三种类型的泵的飞轮有助于通过能量的储存将力的要求分布到整个操作过程上。Climax人力泵的配重可在均匀手动曲柄的转矩要求方面提供另外的帮助。

然而，虽然骑自行车的姿势和腿部运动对于长时间地提供机械功被公认为是舒适而实用的，但并不适用于这些泵的能量输入。自行车式的座位和踏板结构可用于驱动离心泵，诸如中国四川省安越县农机厂生产的1-1/2-JB型离心泵和中国江苏省镇江洒水车厂生产的金山-402B型离心泵。

所需要的是一种具有用于输入功率的骑自行车的姿势和踏板结构的泵，它简单、可靠和灵活地适用于往复式泵。

提升水和往复式泵的杆机构所需的力的大小随井深而变化。尽管Climax泵的配重试图平衡该力，但它无法移动以补偿一个安装位置与另一个安装位置间井深的不同。甚至在一个安装位置内，也通常增加井深以补偿地下水位的下降。因此，所需要的是一种改变配重的位置以补偿主要因井深不同所导致的力的变化的方法。

在S.Arlosoroff等人的《社区水供给，人力泵方案》(世界银行，华盛顿特区，1987)中也对飞轮和配重的优点进行了讨论，他们指出，在泵压场合中的一经适当平衡的飞轮可形成相当大的速度，尤其是在由两个人操作时。这些编者进一步指出，配重至少应平衡泵杆和柱塞的拉力。

传统的人力泵或其它的往复式泵具有一位于泵操作点的下方、从一地表上几英尺的点朝外并略微朝下延伸的管口。这样，管口、一根杆向上延伸通过一开口，并连接于一杆，或在Climax和Volanta泵的情况下通过一连接杆连接于一驱动曲柄。由于泵的顶部没有密封，因而水无法被泵升到管口以上。另一方面，发达国家中的电动水泵系统通常是以这样的方式密封，即可在泵上方形成一很大的压力。在一通常的水系统中，该压力既可用于将水位提升到一个提高的储存高度，也可用于将水注入一位于地表高度的压力密闭容器。以这种方式储存的水进而可通过管道系统在压力下进行分配，从而可以为个别的农村家庭或为整个城市服务。

在发展中国家，这种水分配方式也是需要的，但在农村地区通常没有实现。为个别家庭供水的管送系统在便利和卫生方面具有显著的优点。考虑到上述的在手动泵使用方式方面的改变，这种改变使得一个泵可能需要为500名村民供水，因而特别需要一种具有一往复式泵的供水系统，该泵可通过一手动曲柄或踏板系统来操作，并可在压力下将水泵入提高的或增压的容器中。

现有技术的描述

授予Joems的美国专利1,358,213描述了一种齿轮驱动的往复式泵，它具有一上密封件，一对往复杆通过该密封件而操作，并具有一形成有一分隔壁和一输出通道的压力腔，从而允许靠近垂直水管顶部附近的水排出。该特点允许泵可在相当大的压力下为不同的目的操作，在泵压力下排出稳定的水流。

虽然Joems的泵显示了在产生往复运动的机构方面的改进，但齿轮机构仍由一手柄驱动，或由操作一滑轮的一未加指定的外部能源驱动。为有效地将Joerns的装置应用于当前发展中国家的农村地区，还需要一种用于为多个水龙头供水的完整水系统的其它构件，以及允许该装置用更有效的脚踏过程进行操作的装置。

授予De Lew等人的美国专利1,592,021和授予Veronesi等人的美国专利4,886,430描述了不同类型的使用飞轮的泵压场合。De Lew描述了一种用于由电动机通过移动杆驱动的往复式油井泵的可拆卸的飞轮，而Veronesi描述了使用位于一密闭外壳内的一飞轮与一电动机和一离心泵叶轮，被泵压的流体流动通过该外壳。

授予Bulloch等人的美国专利5,016,870描述了一种练习装置，它具有一用于为一飞轮提供机械能的自行车式踏板结构，该装置具有一可调的制动器，用以对踩踏过程产生可变的阻力。

发明概要

按照本发明的一个方面，提供了一种用于驱动一作竖直往复运动的泵杆的泵架。该泵架包括一壳体、一驱动轴、一传动机构、一配重、一脚踏板和一链条。驱动轴可转动地安装在壳体内，并连接有一从动链轮和一飞轮。传动机构将驱动轴的运动转化成泵杆的竖直往复运动。配重随泵杆下降而上升，并随泵杆上升而下降。脚踏板也可转动地安装在壳体内，并连接有一驱动链轮。链条延伸于驱动链轮和从动链轮之间，并与这些链轮相啮合，因而驱动链轮的转动使从动链轮也转动。

按照本发明的另一方面，提供了一种用于将地下水输送到多个分配点的供水系统。该系统包括一立式总管(沿井延伸的管道)、一竖直振动结构、一底阀、一压力密闭腔、一泵架壳体、一传动机构、一密封机构、一排水管、一分配管和一增压机构。立式总管向下延伸进入地下水。竖直振动结构包括一在立式总管中滑动的泵杆以及一在立式总管和地下水中滑动的柱塞。柱塞包括一柱塞阀，该阀在柱塞向下移动通过地下水时打开，并在柱塞向上移动通过地下水时关闭。底阀控制位于柱塞下面的立式总管下部的水的流动，它在水流入该下部时打开，并可关闭而防止水流出该下部。压力密闭腔位于立式总管的顶部。泵架壳体从压力密闭腔向上延伸。上面安装有一飞轮和配重的一驱动轴可转动地安装在泵架壳体上。脚踏板和驱动轴之间延伸有一驱动链条，它使驱动轴随脚踏板的转动而转动。传动机构将驱动轴的转动转化成竖直振动结构的竖直振动。密封机构防止水围绕一部分延伸通过压力密闭腔的竖直振动结构流失。排水管从压力密闭腔延伸到一储存容器，分配管从储存容器延伸到分配点。增压机构使水通过分配管流到分配点。

附图简述

下面具体参照附图来描述本发明的较佳实施例，附图中：

图1是按本发明而构成的一农村社区供水系统的各部分的立体图；

图2是图1所示系统的一地下柱塞缸部分的竖直剖视图；

图3是图1所示系统的一泵架的竖直剖视图；

图4是图3所示泵架部分沿图3中的IV-IV线剖开的水平剖视图；

图5是一压力密闭储水箱的竖直剖视图，它可以用作图1中高位水箱的替代品；

图6示出了位于一共用外壳内的泵站和储水装置，它适合于简便地安装在偏远的农村。

详细描述

图1是按本发明而构成的一农村社区供水系统的各部分的立体图。泵站6包括一立式总管8(井管)，它下伸至地面以下的一定高度，在这高度处立式总管8内的一柱塞缸10浸人地下水内。通常，如图2中更详细说明的，在柱塞缸10内，一柱塞利用一泵杆作往复运动的升降，该泵杆进而由一位于一泵架14内的机构移动。操作泵架14内机构所需的能量可通过某人在以类似于自行车骑者的姿势坐于座位20中的同时踩踏脚踏板18而获得。座位20通过框架轨道21连接于泵架14。泵架14和座位20均可安装于一可选择的混凝土底盘22上。

一排水管24连接人一靠近泵架14的基座26的压力密闭腔25，该排水管向上延伸到地面以上大8米的一点，以将水注人一高位水箱27。一分配管28从水箱27底部向下并向外延伸，从而为具有水龙头32和其它供水附件(未图示)的多栋房屋30供水。分配管28可以是一包括其它分配管33在内的管道网络的一部分。还设有一位于泵架14处的第一龙头34和一位于分配管28处的第二龙头36，以用于连接一软管(未图示)或用于灌注水容器(也未图示)。如果在水箱27排空的情况下急需用水，可以在用脚踏板18操作泵架14的同时从第一龙头取水。或者，如果水箱27没有排空，可以从第二龙头36以及水龙头32获取水。

图2是位于立式总管8底部的普通结构的柱塞缸10的机构的竖直剖视图。水通过一抽吸管40进入柱塞缸10，并最好升到处于或略高于柱塞缸10顶部的一地下水位。一底阀42起单向阀的作用，它随水流人柱塞缸10而打开，其余状态关闭。在柱塞缸10内，柱塞43以往复运动的方式由泵杆44上下移动，该泵杆钩于柱塞连接件46的眼钩部分45上。随着柱塞43向下移动，柱塞阀48打开而允许水沿一阀座50流过柱塞43。通过这种方式，柱塞43可很容易地下移，同时底阀42关闭以防水流出。随着柱塞43向上移动，也起到单向阀作用的柱塞阀48关闭，因而柱塞43以上的水被提起。所造成的抽吸作用使底阀42打开，允许更多的水流人柱塞缸10。

下面参见图3和4，它们表示位于立式总管8顶部的泵架14的机构。更具体地说，图3是竖直剖视图，图4是沿图3中的IV-IV线剖开的水平剖视图。在图3中，特别设置用来保护人免受运动件伤害的各个护罩或外壳部分53以剖视图的方式表示，以露出安装于其中的机构。

在可转动地安装于一对轴承54中的脚踏板18被操作时，一安装成可与脚踏板18一起转动的驱动链轮56驱动一根链条58，该链条进而使从动链轮60转动。链轮60牢固地安装在一驱动轴62上，该驱动轴通过一对轴承65可转动地安装在一壳体64内。一连接杆66可枢转地安装成延伸于一自从动链轮60延伸出来的偏心销68和一位于一推杆71顶部的接头70之间，该推杆连接于泵杆44。推杆71可垂直滑动地安装在一支承结构72内。壳体64内还可转动地安装有一空转链轮74，其位置可以调节以保持链条58上合适的张力。

还连接有一飞轮76并与轴62一起转动，它具有一与偏心销径向相对延伸的轮辐78，该轮辐具有一径向槽80。一配重82通过一对延伸通过槽80而与一夹板88啮合的螺钉84夹持在飞轮76的适当位置上。可以设置一飞轮外壳90以将其它零件与飞轮76隔开。利用这种结构，配重82在泵杆44移动到其最高位置时移动到最低位置，反之亦然。通过这种方式，配重82可用来平衡泵杆44、柱塞43(示于图2中)以及位于立式总管8内和位于排水管24的直立部分内的水的组合重量。

使用螺钉84，配重82的位置可以沿槽80的长度方向进行调节。由于需要平衡的组合重量随井深和排水管24高度而显著变化，因而该调节可用来在将泵架14安装于各个井上时对其进行定制。在初始安装后，配重82的位置可以改变，以适应系统的变化，诸如排水管24高度的变化、井深的变化、或甚至使用者的偏爱。通过提供调节，泵架14与上述配重安装于固定位置的Climax人力泵相比具有显著的优点。

在该供水系统的操作过程中，水被向上通过立式总管8送入压力密闭腔25，该压力密闭腔位于一用多个螺钉94固定于基座92顶部的下凸缘板91和一上凸缘板96之间，泵架壳体64进而通过螺钉98固定于该上凸缘板。第一龙头34和排水管24从压力密闭腔25延伸出来。压力密闭腔25内通过使用一滑动密封件102而保持压力，该密封件防止水漏入支承结构72。龙头34内的传统阀机构由一手柄103操作，该机构形成系统的另一部分，它无论龙头是否关闭都可密封压力密闭腔25。

通过这种方式，泵架14与可产生往复运动的传统泵架相比具有显著的优点，即传统的泵架没有包括以这种方式延伸穿过井顶部的板，也没有围绕一向下伸入立式总管的杆进行密封的方法。因此，传统的泵架只能通过一延伸于第一龙头34的较低高度处的管口来供水。

另一方面，泵架14能够在压力下将水泵压人高位水箱27，构成一种能为个别房屋或其它较远位置供水的供水系统的一部分。以这种方式使用一储水箱还可允许在非泵水时间取用水。

参见图2和3，虽然设置有一压力密闭腔25，但仍可松掉螺钉98而拆下整个泵架14，并可松掉螺钉94而将压力密闭腔25从井处移开。排水管24最好通过传统的可拆装置连接于压力密闭腔25，以便于此操作。通过这种方式，提供了用泵杆44将柱塞43提出井以便维修的途径。底阀结构104与一环105相配合，因而也可以用这种方式将其提出井。

下面参见图5，图中示出了一压力密闭水箱106的剖视图。可以用水箱106来代替图1中所示的高位水箱27。当水从排水管24被泵人压力密闭水箱106时，水位以上的水箱部分108中的空气被压缩，从而提供压力，当排水管沿线的水龙头32或其它阀打开时，便将水压过从水箱106延伸出来的分配管28。以这种方式采用空气压力，无须将水箱106置于一高架上。

下面参见图6，图中示出一用于容纳泵站6和一储水装置的外壳110。图6所示出的上述诸部分都采用相同的标号。外壳110内装有一预注水箱112，它可以类似于图5中所示的压力密闭水箱106，或者，水箱112最好是一种市场上可以购得的预注水箱，例如伊利诺伊州芝加哥市的Dayton Electric Mfg公司生产的产品。预注水箱通常包括一容纳于一金属壳体内的弹性软胆，诸如丁基橡胶软胆。该软胆可随水通过排水管24的加入而膨胀，并由于其弹性而对水施加压力。随着水通过分配管28离开软胆，软胆收缩，并同时保持水处于压力下，直到软胆接近排空。外壳110内的内部管道(未图示)将泵站6的机构(如图2-4所示)以传统的方式连接于水箱112。该管道可包括一捕屑器或过滤器(未图示)，以防止砂或小石粒进入预注水箱112。同时，内部管道将预注水箱112的输出端连接于多个设于外壳110上的龙头34以及连接于分配管28。另外，可加设一压力计，为操作人员提供所能得到的离开预注水箱112的水压的信息。

可以在预注水箱112的出口和分配管28之间加设一水处理系统116，用于添加适合于社区水系统的化学制品。或者，可将水处理系统116与捕屑器一起设置在外壳110内的泵站6和预注水箱112之间。

由于加设了飞轮76，因而保持泵站6连续工作所需的力气不大，尤其是在预注水箱112不满的时候。实际上，可以在飞轮壳体90上固定一小型电动机118，以为飞轮76提供转动力。因为在本发明所使用的地区通常无法得到传统的电能，所以电动机118可以由一设于外壳110顶部的小型太阳能电池板120提供能量。应予注意，电动机118只能维持飞轮76的转动。仍需要使用人力的脚踏板18来起动泵站6的泵压作用。

虽然以上通过带有某种程度的特殊性的较佳形式或实施例的方式对本发明进行了描述，但应予理解的是，这些描述仅仅是以实例的形式给出的，在不脱离本发明的精神和范围的情况下可以对结构、构造和使用的细节，包括零部件的组合和配置，进行许多变化。

Claims (20)

1.一种用于驱动一作竖直往复运动的泵杆的泵架，所述泵架包括：

一驱动轴；

将所述驱动轴的转动运动转化成所述泵杆的所述竖直往复运动的传动装置；

一脚踏板；

其特征在于，

所述驱动轴和所述脚踏板可转动地安装在一壳体内，所述驱动轴连接有一从动链轮和一飞轮，所述飞轮上安装有一配重，所述配重随所述泵杆下降而上升，并随所述泵杆上升而下降；

所述泵架还包括一延伸于所述驱动链轮和所述从动链轮之间的链条，所述链条与所述链轮相啮合，因而所述驱动链轮的转动使从所述动链轮也转动。

2.如权利要求1所述的泵架，其特征在于，所述配重以这样一种方式连接于所述驱动轴，即允许所述驱动轴和所述配重之间的径向距离。

3.如权利要求2所述的泵架，其特征在于，所述飞轮具有一径向延伸结构，所述配重沿该结构安装。

4.如权利要求3所述的泵架，其特征在于，所述径向延伸结构是一孔槽，所述配重通过该孔槽固定于所述飞轮。

5.如权利要求1所述的泵架，其特征在于，所述传动装置包括：

一与所述驱动轴一起转动的偏心销；

一从所述泵架向下延伸的推杆，所述推杆可枢转滑动地安装；以及

一延伸于所述偏心销和所述推杆之间的连接杆，所述连接杆可转动地安装在所述偏心销上，并可枢转地安装在所述推杆上。

6.如权利要求5所述的泵架，其特征在于，它另外还包括：

一块具有一通孔的板，所述推杆通过该通孔而延伸于一压力密封件内，所述板将一腔室与所述传动装置的一部分分开；以及

将一排水管连接于所述腔室的装置。

7.如权利要求1所述的泵架，其特征在于，它另外还包括一块将一腔室与所述传动装置的一部分分开的板；

将一排水管连接于所述腔室的装置；以及

将往复运动传递通过所述板的压力密封装置。

8.如权利要求1所述的泵架，其特征在于，它另外还包括一供坐在上面以操作所述脚踏板的座位。

9.一种用于将地下水输送到多个分配点的供水系统，所述系统包括：

一向下延伸入所述地下水的立式总管；

一竖直振动结构；

一控制位于所述柱塞下面的所述立式总管下部的水的流动的底阀，所述底阀在所述柱塞向下移动通过所述地下水和水流入所述下部时打开，所述底阀在所述柱塞向上移动通过所述地下水时关闭而防止水流出所述下部；

一位于所述立式总管顶部的压力密闭腔；

一从所述压力密闭腔向上延伸的泵架壳体，所述泵架壳体内可转动地安装有一驱动轴，所述泵架壳体上可转动地安装有一脚踏板；

将所述驱动轴的转动转化成所述竖直振动结构的竖直振动的传动装置；

防止水围绕一部分延伸通过所述压力密闭腔的所述竖直振动结构流失的密封装置；

一从所述压力密闭腔延伸到一储存容器的排水管；

一从所述储存容器延伸到所述分配点的分配管；

其特征在于，

所述竖直振动结构设置在所述立式总管内，它包括一在所述立式总管中滑动的泵杆以及一在所述立式总管和所述地下水中滑动的柱塞，所述柱塞包括一柱塞阀，该阀在所述柱塞向下移动通过所述地下水时打开，并在向上移动通过所述地下水时关闭；

所述驱动轴上安装有一飞轮和配重，所述脚踏板和所述驱动轴之间延伸有一驱动链条，从而使所述驱动轴随所述脚踏板的转动而转动；

所述系统还包括一使水通过所述分配管流到所述分配点的增压装置。

10.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，所述增压装置包括一保持水的封闭系统，它从具有高水位的所述储存水箱向具有低水位的所述分配管延伸。

11.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，所述增压装置包括构成一压力密闭容器的所述储存容器。

12.如权利要求11所述的供水系统，其特征在于，所述储存容器具有一弹性软胆。

13.如权利要求11所述的供水系统，其特征在于，所述压力密闭容器中所截留的空气是通过水泵入所述储存容器而增压。

14.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，所述配重夹持在一个与所述驱动轴的径向距离可变的位置。

15.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，所述传动装置包括一与所述驱动轴一起转动的偏心销以及一延伸于所述偏心销和所述竖直振动结构之间的连接杆，所述连接杆可振动地安装在所述偏心销上并可枢转地安装在所述竖直振动结构上。

16.如权利要求15所述的供水系统，其特征在于，所述配重安装成与所述驱动轴一起转动，并与所述偏心销径向相对。

17.如权利要求16所述的供水系统，其特征在于，所述配重夹持于一径向延伸于所述飞轮中的槽内。

18.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，它还包括一连接于所述脚踏板附近的座位。

19.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，它还包括一位于所述排水管下游的水处理系统。

20.如权利要求9所述的供水系统，其特征在于，它还包括：

一固定于所述飞轮以维持所述飞轮转动的电动机；以及

一为所述电动机提供电能的太阳能板。

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