水泵的惊人力量

作者：Joseph Ogando    来源：DesignNews

欢迎访问e展厅 展厅 3 施肥/排灌/植保机械展厅 大棚支架/大棚骨架机, 喷灌机, 喷头, 滴灌管, 灌溉泵, ... 有时看起来似乎那些帮助发展中国家摆脱贫困的办法与需要帮助的贫困人口一样多。而2008 年Design News 评选出的年度工程师Martin Fisher，却在真正意义上设计出帮助人们脱贫的产品来。他花费了将近20年时间设计的人力技术帮助人们摆脱自身的贫困。 作为非赢利性技术开发组织Kickstart 国际的创始人，Fisher 和他所带领的工程师团队开发出一系列微型灌溉设备、榨油机以及超过60,000 个小型工业产品，这些技术和产品帮助非洲大陆300,000 人摆脱了贫困。 他最有名的设计是一系列人力灌溉水泵，能够浇灌1英亩甚至面积更广的土地，根据型号的不同，它们的售价在35 美金到100美金不等。Kickstart既生产也销售机器，从1991 年组织成立以来，它们共售出105,000 台水泵。单单去年一年就卖出20,000 台，每台机器帮组一个小型的非洲农场赚得几千美金的收入。 人们对Fisher所设计的微型灌溉系统的需求在近2年来变的非常迫切。飞涨的食品和能源价格让世界上的贫 困人口生活更加窘迫，与发达国家相比，他们购买食物以及用所能购买的材料进行烹饪变得更加困难。“全球物价飞涨将灌溉产品的重要性提到前所未有的高度。” Fisher 说道。他继续辩解道，给那些小型农场提供科学灌溉方法比他们依靠雨水灌溉土地要有效的多，因为提高了当地低成本食物的产量，因而他们不用再变卖种子和化肥。另外，随着农民收入的增加，种植土地这项工作不再是可有可无，而是能够帮助赢利的一条出路。 在过去的几年间，这样的观点让Fisher 和Kickstart 公司吸引了很多目光并赢得了众多嘉奖。今年早些时候，他赢得了 100,100 美金勒梅尔森- 麻省理工(Lemelson-MIT)可持续发展大奖。自1991 年起，Kickstart 帮助超过300，000 人摆脱了贫困。“Martin 发明的这种能生钱的水泵在很多方面都起到鼓舞人心的作用。” 颁奖嘉宾IDEO 主席兼斯坦福大学Hasso Plattner 设计研究所创始人David M.Kelley先生说道。“这项发明对解决贫困问题以及成百上千非洲贫困农民的生活影响深远。一个十分复杂的问题用一个异常简单的方法解决了。” 2005 年，Fisher 的专利设计深井泵获得了指数大奖，这个大奖是针对那些可以提高人们生活质量的产品设计的。Fisher的微型灌溉机和榨油机还在去年的Cooper Hewitt博物馆举办的为其他90%人而设计的展览中和观众见面。该展览是针对为发展中国家人口而设计的产品的。Kickstart 的产品设计还得到了比尔盖茨基金会的赞助，该基金会已经提供了570 万美金给微型灌溉项目。 Fisher在斯坦福大学获得了理论与应用机械博士学位，但他没有止步于现有的荣誉。在过去的几年当中，他和他的设计团队重新设计了Kickstart的超级生钱水泵，团队成员中有两人是来自 IDEO 公司的工程师。这个水泵是由踏板操控的活塞泵，能够帮助农民灌溉大约2英亩的土地，它甚至能够从附近水源或者深井取水。 生钱水泵向工程师们展示了Fisher的设计方案，也表明了为何他能赢得年度工程师大奖。在所有Kickstart的项目当中，新型水泵最大程度上展示了Fisher 将工程设计的基本法则应用于日常生活的成果、他采用正确制造方案的眼光以及准确把握市场对产品导向的能力。 重新设计生钱水泵 由于钢材和船运价格的上涨，Fisher不得不再重新考虑设计超级生钱水泵。钢材的成本开始吞噬Kickstart在每台泵上所赚取的已经少的可怜的利润。船运价格也逐渐成为一个问题， Kickstart已经开始将水泵的生产地转移到中国，同时借助制造技术还没有在非洲推广这个优势，让产品在市场上继续保持优势。 根据Fisher所说，将中国制造的水泵运到非洲的运输价格已经由每台65 美金上升到70 美金。“我们一年以前已经将到岸价格由45 美金涨到50 美金。”他说道。因此Kickstart 的工程师想出了折叠式水泵的4原型设计。“它们占地大小是原来设计尺寸的一般，因此我们可以在每个集装箱内放置两倍于从前的设备。Fisher说道。新型水泵的设计还采用了更多的预制钢以及注塑热塑性塑料部件，这样重量和材料成本就降低了。 这样的设计改造听起来简单，但事实上却相反。Kickstart的工程师必须在不降低生产效率、保证操作简单同时使用寿命不变的情况下重新设计产品。“我们非常庆幸有原有产品的设计为标准。”Fisher 说道。 例如原来设计的水泵工作效率在75% 到80%，这个数字取决于每个农民的所释放的力量大小以及泵头。Fisher的设计是根据仔细认真的实地调查得出的，Fisher的原创设计泵头最大效率是7～8m，取代了普通的低水位泵头。“大多数农民将水抽到距离地面3～4m的位置，然后再次给水加压。”他说道。那样给泵头带来的备压是7～8m。 绝大多数灌溉泵根据功率大小来销售，一般的计量单位是每小时升。这里谈到的功率和那个是不一样的。“如果水泵是用人力来驱动并且在现实生活中使用的话，每小时升这个单位便失去了意义。”他解释道。 Kickstart的专利纵深水泵采用人力踏板力量讲水源从18M 深的地下抽取到地面上来。原始的生钱水泵用其他的方法解决问题。它无需工具进行组装和维护。不像市场上其他的水泵，生钱水泵的阀缸完全是在内部操作，无需打开阀缸进行维护。 Kickstart的专利纵深水泵采用人力踏板力量讲水源从18M 深的地下抽取到地面上来。原始的设计是便携式的，可以承受日夜的相对高压变化。 Fisher说水泵的踏板驱动的机械运动力可达420Kg——水泵是为最大体重为120Kg的人设计，机械平均参数为3.5。水泵的工作周期可持续很久——一名使用者在4 到6 小时内能够产生80W功率的能量。 如果说原有水泵的效率、维修条件和硬度都是无法撼动的，“那么任何一样东西都需要变革。”Fisher 说道。今年夏天 Kickstart 准备在肯尼亚测试的原型产品在船运或汽运时是可以折叠的。而且重量更轻。为了达到这两个设计目标，又不失去原来设计中的强度，Kickstart 的工程师们花费大量时间采用FEA使产品所有零部件的强度最大化，特别是铰链以及其他和折叠相关的零部件。 变革的原型产品加入了更多的现代材料以及制造技术，这些改变使生产向中国地区转移成为可能。材料变化主要是向注塑材料倾斜，例如用塑型PVC材料代替既有的橡胶材料制造阀瓣，用热塑性塑料代替金属制造水泵踏板。新型水泵会尽可能回避使用定制的预制金属材料焊件，例如气缸筒。只要有需要焊接的部位，Kickstart 就会采用例如激光或防腐焊接技术。这些焊接技术在非洲并不常见，Fisher 说道。 今年8 月份，Fisher 在肯尼亚帮忙实地检测新原型产品。“水泵几百小时运转抽出带沙的水。”这就是他对实地测试的描述。随着热塑性塑料越来越多的在水泵生产上使用，“我们担心产品会有裂痕产生，这一条也要加入测试当中。”他说道。 现实环境工程设计 Kickstart的水泵设计所采用的工程方法被用在Fisher的所有项目中。这是一种被他描述为“将工程设计法则应用于现实环境”的方法。他和他所带领的工程师团队，通过对Kickstart农场客户实地工作环境的观察，得到第一手资料。 “全球物价飞涨将灌溉产品的重要性提到前所未有的高度。” 同时工程设计法则是确实存在的。Fisher所研修的博士学位包括铝合金回声弹性研究，这是关于材料性能的。当他开始着手一项设计时，需要捕捉对设计的“物理直觉”，此时他依然喜欢亲自动手计算压力- 拉力值。“你可以使用CAD 以及FEA 软件，但是如果你从第一天就开始使用CAD软件，你会失去对所设计产品的物理空间理解。”他解释道。 作为一名在人力产品研究上花费了许多时间的工程师，在谈论设计时，Fisher经常说道机械优势这个话题。虽然这是一个基本的概念，但当参入了个体因素时，Fisher 相信这个问题不是那么好理解。例如在他职业生涯的早期，他修复了一个手柄无法起杠杆作用的榨油机。排除了其他设计方案，Fisher 采用了凸轮驱动设计，凸轮的几何结构能够使用户在按压手柄的不同部位时，作用力最大化。根据材料松紧度，凸轮的大小需要进行调整 ——例如压榨油菜籽的时候。 像许多其他公司的工程师一样，在理解产品的物理作用力的同时，Fisher 大概会花费很多时间正在理解市场作用力上。 Kickstart成功的原因就在于有计划的市场推动，采用低成本技术使产品在非洲更容易推广，而赞助商的资金投入在Fisher看来其实是市场作用力的失败。 例如，在水泵的售价当中 Kickstart为自身以及供应商们都带来了利润率，尽管远远没有填满自己的口袋。“我们的目的是建立真正的自给自足的产业链。” Fisher 说道。与此同时，赞助的资金允许Kickstart 公司跳过早期的低销售量产品阶段——那个时候他们产品的售价是最高的，直接跳到高销售量阶段——此时的售价是最低的。“想象一下赞助的资金帮助我们度过市场淘汰阶段。”他说道。 即使Kickstart的工程师们结束了新型生钱水泵的设计，Fisher 在他的脑子里已经开始展望更多人力产品设计的蓝图。例如，他对小型发电机“极度痴迷”，同时人力发电产品在他脑子里已有了初步概念。 越来越多的水泵会面世。近几年，Kickstart开始对他们的水泵产品申请专利，而Fisher也准备将他在发展中国家的设计进行注册。Fisher相信他的低成本、高效能水泵——尤其是高压泵— —将会取代在深海、运输货物以及居民区使用的低效率手动泵。值得注意的是在非洲仅有3% 的耕地得到了灌溉，还需要 Kickstart 继续他们的微型灌溉设备的计划。“很明显的，我们还有许多工作要做。” Fisher说道。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (5/20/2009)