final report team d peristaltic pump · final report team d peristaltic pump me 340.4 chris garneau...

41
Final Report Team D Peristaltic Pump ME 340.4 Chris Garneau Kevin McNamara Jae Chung May 3, 2006 Problem Statement An insufficient supply of potable water is a grave problem for many nations around the world. Some regions lack access to drinking water due to dry conditions created by hot, sunny weather and low annual precipitation. Other nations have an ample supply of water, but cannot afford filtration systems that produce clean drinking water. An affordable, practical, and efficient way of filtering water is greatly needed. The challenge for this project is to design and manufacture a subscale pump prototype to be used in a water filtration system. The system must pump a minimum of one gallon of water per minute, and it must provide sufficient delivery pressure to push the water through the system. The system must be manufactured at minimal cost, and so the prototype will be made with specified, limited resources. Since abundant sunshine is available in regions of the world where this system will be in use, the system will be powered with batteries charged by a solarcell system, provided by a partner company. Project Plan Planning for the design and construction of the pump consumed a considerable amount of development time. Considering that time to develop a working pump to meet the requirements was very limited, this project plan emphasized general development activities and allowed for flexibility. It established a tentative schedule, determined the design process steps, assigned tasks and responsibilities, evaluated resources, and estimated a risk plan. See Appendix A for the project schedule in the form of a Gantt Chart, created once the team organized and prioritized various aspects of the project. The first stage of the design process was identifying customer needs. Most of the needs were given in the form of design constraints, however some research was also completed in order to understand the mission and scope of the project. Target product specifications were then determined from the customer needs. From these specifications and needs a needsmetrics matrix was created. See Appendix B. The next stage in the process was generating product concepts. This phase consumed a considerable amount of time. It began by clarifying the problem, and then 1

Upload: others

Post on 29-Mar-2020

1 views

Category:

Documents


0 download

TRANSCRIPT

Final Report Team D Peristaltic Pump 

ME 340.4  

Chris Garneau Kevin McNamara 

Jae Chung  

May 3, 2006   Problem Statement 

An  insufficient  supply  of  potable water  is  a  grave  problem  for many  nations around  the world.  Some  regions  lack  access  to  drinking water  due  to  dry  conditions created  by  hot,  sunny weather  and  low  annual  precipitation. Other  nations  have  an ample supply of water, but cannot afford filtration systems that produce clean drinking water. An affordable, practical, and efficient way of filtering water is greatly needed. 

The  challenge  for  this project  is  to design  and manufacture  a  sub‐scale pump prototype to be used in a water filtration system. The system must pump a minimum of one gallon of water per minute, and it must provide sufficient delivery pressure to push the water through the system. The system must be manufactured at minimal cost, and so the prototype will be made with specified, limited resources. Since abundant sunshine is available  in  regions of  the world where  this  system will be  in use,  the  system will be powered with batteries charged by a solar‐cell system, provided by a partner company. 

 Project Plan 

Planning for the design and construction of the pump consumed a considerable amount of development time. Considering that time to develop a working pump to meet the  requirements was very  limited,  this project plan  emphasized general development activities and allowed  for  flexibility.  It established a  tentative schedule, determined  the design  process  steps,  assigned  tasks  and  responsibilities,  evaluated  resources,  and estimated a  risk plan. See Appendix A  for  the project  schedule  in  the  form of a Gantt Chart, created once the team organized and prioritized various aspects of the project. 

The first stage of the design process was identifying customer needs. Most of the needs were  given  in  the  form  of design  constraints,  however  some  research was  also completed  in order  to understand  the mission and scope of  the project. Target product specifications were then determined from the customer needs.  From these specifications and needs a needs‐metrics matrix was created. See Appendix B. 

The  next  stage  in  the  process  was  generating  product  concepts.  This  phase consumed a considerable amount of  time.  It began by clarifying  the problem, and  then 

performing an external search for ideas. The team explored patents and available pump products that might be of use in designing the pump. The team then searched internally by brainstorming product  concepts.   After  searching  for  ideas,  the  team  systematically explored those ideas by evaluating them with respect to project needs.  

After evaluating potential  ideas, a concept was selected on which  to  focus. The selection was  narrowed  down  to  three main  types  of  pumps:  peristaltic,  piston,  and centrifugal  (see  Appendix  L  for  reference).  Factors  such  as  economic  feasibility, theoretical  performance,  and  suitability  for  the  intended  purpose  of  pumping  potable water  were  considered.  The  findings  from  this  stage  are  presented  in  the  ‘Design Concepts’ section of this document. 

The  next  stage  in  the  pump  development  process  was  establishing  the specifications  and  geometry  of  the  pump  to  create  a  prototype.  The  pump was  then constructed, and the final specification and performance determined. Details of this may be found in the ‘System Design’ section of the report. 

Besides  very  limited  time  to  complete  this  project  and  build  the  pump,  there were also very limited physical resources. There was a five‐dollar limit for the motor(s) for the pump and an additional five‐dollar restriction for all other materials not available on campus. This limitation restricted the construction to primarily machined parts. Four cubic inches of model material (ABS plastic) was also allotted that could have been used to create a rapid‐prototyped part.  

Every member of the team was devoted to successful completion of the project. The  team  believed  that  the  success  or  failure  of  the  project  fell  on  each  and  every member, not upon one alone. In this spirit, the team divided tasks and responsibilities as equitably  as possible  throughout  the  entire  project, while  keeping  in mind  that  every member  had  specific  strengths  that  they  may  contribute.  The  team  divided  the production  of  various  components  among  team members  to  produce  the  pump most efficiently, but built and tested the pump together. 

The  team anticipated  that various  things might have gone wrong  in  the design and/or  construction  of  our  pump.  The  team  took  actions  to  minimize  the  risk  of unsuccessful completion of the project. First and foremost, the team selected a design that is theoretically simple and relatively easy to machine, in the hopes of avoiding long lines at  the machine shop. However,  this was still a major  limiting  factor  in construction, so the team visited the machine shop during off‐hours and also divided the fabrication tasks among members  to  facilitate quick construction  time. Running over budget was also a concern,  so  the  team  fabricated  as  many  parts  as  possible,  reserving  purchased components only for when making them or using recycled parts was unfeasible (as with bearings). The team was also unsure how frictional effects would  impact the design, so the team paid close attention to friction points. See the ‘System Design’ and ‘Discussion of Results’ sections for details regarding how friction impacted the design. 

 

Concept Generation 

The  first  task  of  concept  generation was  problem decomposition. A  black‐box model was created to visualize the problem decomposition, as in Figure 1.  

 Figure 1: Black‐box Model 

  

Before the team could start generating ideas for the pump, an extensive external search was performed to determine what ideas were already on the market. There were several  patents  that  gave  the  team  insight  into  the  development  of  different  types  of pumps. See Appendix C. The team also researched pumps that are currently being sold at McMaster Carr and Cole‐Parmer. See Appendix D for some of these pumps. 

After this external search, the team chose to pursue a positive displacement‐type pump.  Foremost  among  the  advantages  of  this  type  of  pump  is  significantly  easier design, resulting  in a (theoretically) better approximation of final performance. Positive displacement  pumps  are  also  self‐priming  (able  to  draw  in  water  without  external intervention), whereas dynamic pumps are not. 

The  first  type  of  positive  displacement  pump  considered was  a  linear‐piston design, as shown in Figure 2.  This is the simplest type of positive‐displacement pump in which a fixed amount of water is drawn in and expelled during each cycle. The team did not  pursue  this  design  further  due  to  the  extensive machining  that would  have  been required to make it work. Friction and tolerancing would have been significant hurdles in  the  design.  Sharp  corners  along  with  sudden  expansions  would  have  had  to  be eliminated as well. The team was also concerned about the need for a tight seal between the piston and cylinder, which could  leak  if  too  loose or create  too much  friction  if  too tight. Also of concern was the need to purchase two check valves to ensure proper flow. 

 

Figure 2: Linear Piston Concept 

 

 

The  second  type  of  positive  displacement  pump  considered was  a  peristaltic design, as shown  in Figure 3. This type of pump works by moving two or more rollers around a bent piece of flexible tubing to push fluid through. The vacuum created in the wake of the roller acts to draw in more fluid to allow the cycle to continue. This type of pump is self‐sealing and requires no valves to operate.   

Figure 3: Peristaltic Concept 

  

The  third  type  of  pump  considered was  the  centrifugal  pump,  to  provide  a reference point  for comparison. The positive and negative aspects of centrifugal pump design  and  performance  were  explored  so  that  the  team  could  be  sure  that  it  was choosing the best type of pump. 

The  team  elected  to pursue  the peristaltic design due  to  its  simplicity  and  the advantages mentioned above. Also,  since  the  fluid does not contact any portion of  the pump except for the inside of the flexible tubing, this type of pump is very well suited for the  sanitary  pumping  of water.  The  tube may  also  be  easily  replaced  as  it wears  or becomes dirty. 

 Concept Selection 

The  team  used  screening  and  scoring matrices  to  choose  a  concept. The AHP (Analytic Hierarchy Process) methodology was used to determine weighting factors. The results appear in Appendix E.  System Design 

System design consisted of finding an optimal design using an analytical model, determining  theoretical performance, selecting materials, and developing  the prototype through  CAD  drawings  of  components  and  assemblies.  Once  the  prototype  was constructed, actual flow rate was determined, and the final performance curves adjusted accordingly. Consideration of Design  for Manufacture/Assembly as well as ethical and environmental concerns followed. 

System design began by assessing all of  the physical variables of  the peristaltic pump  configuration, namely case diameter  (D),  tubing diameter  (d),  tubing  length  (L), gear ratio (R), friction in the gears, friction at the axle, friction where the rollers connect to the arms, and  rolling  friction between  the  roller and  tubing. Dependent variables were then considered, which include flow rate (Q), rotational speed (N), power (P), and motor current (I). Some of the physical variables were eliminated from the possible design space (thus set at a fixed value) because they were deemed insignificant or too hard to change. These  include  tubing  length  (limited  by  pump  design  and  requirements),  friction coefficients, and roller diameter. Rolling friction and friction in the gears were estimated to  be  negligible  and were  not  considered  in  the  design.  Strictly  speaking,  number  of motors is another variable, however all analyses will assume use of a single motor, with modifications to this assumption later. 

To  establish  an  analytical  model  using  these  parameters,  it  is  necessary  to consider  the  relation  among  the  various  parameters.  System  design  is  guided  by determining  the  system  operating  point  (or  set  of  points),  established  by  equating available power provided by the motor to power required by the system. Supplied motor power  is  a  function  of  rotational  speed  and gear  ratio*  only,  since  the manufacturer’s curves  specify  the  properties  of  the motor.  Required  system  power  depends  on  the energy lost to friction as well as the system head. Energy lost to friction is a function of case  diameter  and  rotational  speed.  System  head  is  a  function  of  tubing  length,  case diameter,  tubing  diameter,  and  rotational  speed.  Flow  rate,  the  ultimate measure  of performance, is a result of the rotational speed set by the operating point as well as case diameter and tubing diameter. These relations are summarized in Eq. 1.a – 1.c for clarity. 

),,(

),,,(

),(sup

NdDQQ

NdDLPPPP

NRPP

systemfrictionrequired

plied

=

=+=

=

   

).1().1().1(

cba

The  next  step  in  developing  the  design  space  is  to  restrict  the  values  of  the varying parameters  by  assuming  a  reasonable  range  of values, guided  by  considering cost, available parts and material, size, and performance. The range of values considered are: D = {3, 4, 5, 6} in.,  d = {0.25, 0.3125, 0.375} in., R = {5, 10, 20, 30, 40, 50}, N = {0 : 350} rpm. L is fixed at 6.25 ft (input + output).  

Equations derived  from  fluid mechanics determine  the  flow  rate  and  required system  head,  and  equations  from  classical  mechanics  determine  friction  effects. Additional relations determine motor characteristics. See Appendix F for explanation of the equations used in this analysis and how to use them to tabulate results. The result of graphing the dependent variables against the full range of values listed above is shown in Appendix G. Figures G.1 – G.3 show estimated flow rate curves and Figures G.4 – G.6 show theoretical power requirement curves, along with motor power curves. The points of intersection of required power curves with motor curves in Figures G.4 – G.6 are the 

                                                           

* The interface between motor and pump is taken to be after the gear reduction. Therefore, gears are considered to be an integral part of the motor, and this is why different motor curves are created for different gear ratios. This simplifies the graphs. 

operating points of the pump. Motor current  is plotted  in Figures G.7 – G.12. Note that these are theoretical predictions. As noted later, actual performance differs considerably. 

Inspecting  the  graphs  in  Appendix  G  gives  valuable  insight  into  system behavior. Flow  rate  is  strong  function of both d  and D,  so  these properties  should be maximized within reason. Required power is a strong function of friction, but not head, so  friction  effects  should  be minimized  as much  as possible. Additionally, power  is  a stronger function of D than d, so increasing D to increase performance will take a higher toll on power required than increasing d. Finally, from a power equivalency standpoint, the  system  can operate at  several gear  ratios, with  lower  ratios  simply  requiring more current.  

The team chose a single configuration to build and test. Case diameter was set at 5  in, a  reasonable  compromise between  size and performance. Gear  ratio R was  set at 40:1, so as to provide ample power over the desired operating range. Tubing diameter d was set at 0.375”.  The resulting theoretical behavior is plotted below in Figures 4 and 5.  

Figure 4: 

D=5 in.Pump Requirements (Req'd System Head + Friction)

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Pow

er (W

) System Requirements(Uncorrected)

Motor (40:1): Nominal V

 Figure 5: 

Flow Rate at D=5 in.

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Flow

Rat

e (g

pm)

d=0.375 in.

 From Figure 4, the operating point should be around N = 250 rpm. From Figure 5 

with N = 250 rpm, a theoretical flow rate of about 1.9 gpm is predicted. 

  The next step  in designing  the pump was  to construct a physical model of  the pump, specifying both the appearance and structure of components as well as materials used.  Appendix H  contains  all  CAD models  of  the  system.  A  summary  of  required materials and components, along with projected cost, appears in Appendix I.  

  The  pump’s  casing  was  constructed  with  layered  aluminum  sheet  cut  to specification on the water jet cutter and welded together (see Figure H.1). Originally, the team’s design called for the pump casing to be made from rapid prototyped ABS plastic (see Figure H.2). However, upon visiting  the Learning Factory,  the TA’s  there advised the  team not  to rapid prototype  the casing due  to  lengthy build  time. This would have caused significant build delays, possibly up  to  two weeks, so  the plan was modified  to use aluminum casing instead, which could be cut to sufficiently accurate dimensions on the water jet cutter.  

  Note that accurate welding of the pieces is extremely important, so that the arm rotates without contacting the case at any point. Any misalignment at the axis will cause significant deviations at the rollers. The team had to re‐drill and re‐center the holes in the side pieces several times to achieve correct alignment. 

  A hose  connector  is  required  to  join  the 0.375”  ID  latex  tubing  to  the 0.25”  ID outlet  tubing. This proved  to be a difficult component  to  find, as  local hardware stores and most online merchants carry only hose splices for equal‐diameter tubing. Therefore, this part was rapid prototyped using ABS plastic. The accompanying CAD file is found in Figure H.3. Leakage was a problem, so this connection had to be glued together. 

  The arms were machined from aluminum using the water  jet cutter (see Figure H.4).  They  were  made  as  small  and  lightweight  as  possible  while  still  providing necessary rigidity. The rollers (Figure H.5) were also machined out of aluminum, using a lathe. The roller diameter is 1 in.  

  Friction was a concern from the beginning, and so steps were taken to minimize its effects  in  the design. Friction was  reduced between each arm and  roller by using a bearing.  JB Weld was used  to  attach  a  5/16  in.  rod  to  each  arm,  and  the bearing  then attached in the middle of this rod. The roller was machined to have interference fit with the bearing, and pressed on  to  the bearing  in  the center of  the rod. A #8  threaded post was inserted through the middle of each arm. A nylon spacer separated the arms in the middle. See Figure H.6 for a CAD representation of the arm assembly.  

  Friction was reduced between  the  thread post and  the casing by using a nylon spacer  through which  the rod passed on each side of  the arm, spinning within another nylon spacer glued  to  the aluminum case. Nylon washers separate  the spacer  from  the nut, which securely hold the assembly in place in the middle of the casing with a small amount of play. See Figure H.7 for the CAD of the casing and arm assembly or Figure 7 below for a close‐up photo of the assembly. 

  The  casing was  then mounted  to  a piece  of wood with  cable  ties. The motors were glued  (using  JB Weld)  to  the aluminum  casing using  screw‐type hose  clamps. A worm (N=1) was attached to each motor that meshed with a threaded spur gear (N=40) mounted to the threaded rod with nuts to achieve a gear reduction of 40:1. The motors were then wired, in parallel, with a switch and batteries. See Figures 6 and 7. 

  Dimensioned drawings for all machined components appear in Appendix J. 

Figure 6: Pump Photograph 

 Figure 7: Pump Photograph 

 Figure 8: Pump Photograph (Close‐up) 

 

  Upon building and testing the pump, the team realized that the effects of friction, particularly  in  the worm gears, were grossly underestimated. Additionally,  two motors were used in the actual construction instead of the one used in the design. The only way to  account  for  these  factors  was  by  measurement  of  performance,  and  subsequent introduction  of  an  empirical  correction  factor.  The  following  describes  the  process  of determining the scaling factors and revising the performance curves.  

When  provided with design  voltage  (4.5 V),  the measured  flow  rate was  1.07 gpm. According  to  Figure  5,  this  corresponds  to  a  rotational  speed  of  about  150  rpm (assumed to be fairly accurate due to its simple calculation). Referencing Figure G.11, the current drawn by one motor at 40:1 reduction with 150 rpm  is around 3 amps.   During testing, a current of 4 amps was observed, indicating that in practice, wiring two motors in parallel does not  simply mean  that  current  (and  torque)  is doubled. Since  torque  is linearly  correlated with  current  for DC motors,  scaling  torque by a  factor equal  to  the observed ratio of two‐motor to one‐motor current should provide an accurate estimation of actual torque produced by the motors. The same ratio may then be used to scale total brake horsepower by an equal amount (since P = T*N). This ratio is I2‐motors/I1‐motor = 4/3. 

Since the operating point occurs around 150 rpm, not the predicted 250 rpm, the system curve must also be scaled. This  is done by  trial and error using Excel until  the system curve intersects the corrected motor power curve at 150 rpm, as in Figure 9 for the corrected  system  requirements curve. The  scaling  factor  for  system  requirements  turns out  to be around 5. Figure 9, which plots corrected motor and system curves,  together with Figure 5 that predicts flow rate, represent final specification of system performance. 

Figure 9: Corrected Power Curves 

D=5 in.Pump Requirements (Req'd System Head + Friction)

0123456789

1011

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Pow

er (W

)

Theoretical SystemRequirements

System Requirements(Corrected)

2 Motors (40:1): 5.4 V

2 Motors (40:1): 4.5 V

2 Motors (40:1): 3.6 V

 

As  a  final note, Figures  9  and  5  indicate  that  reducing voltage  to  3.6 volts,  as done  in  off‐design  testing,  yields  a  flow  rate  around  0.75  gpm, which  is  close  to  the measured flow rate of 0.56 gpm. The discrepancy is due to the fact that the input (latex) hose was kinked for several seconds during this testing. 

Design  for Manufacturing  (DFM)  is an engineering  concept where,  in order  to maximize  the  profit  margin,  manufacturing  cost  of  a  product  is  minimized  without sacrificing product quality.   To facilitate cost reductions, manufacturing costs as well as the costs of assembly and supporting production were estimated for our product. For the final prototype,  the case, wheel arms, and rollers were made from aluminum.   Overall, the pump  is  fairly heavy because of all  the aluminum parts, but  there  is also sufficient stability and rigidity. Also, because these aluminum parts were machined manually, they exactly  matched  (they  were  ‘customized’  for)  our  needs  dimensionally.    However, because of additional machining as well as the welding used to put the case together, the manufacturing cost was increased. Future analysis would focus on making the case both lighter and simpler to manufacture, reducing cost.  

Design for Assembly (DFA) is similar to DFM, but assembly cost and complexity is considered.  The assembly cost could be reduced significantly if the pump were to be mass‐produced. Welding and other machining required to manufacture the parts could be performed by machines or  at  least put on  an  assembly  line,  and  the  assembly  cost would be  reduced  in  the  long  run. Additionally, aspects of  the design  itself  should be improved  to  make  assembly  faster  and  easier.  Sharp  corners  in  the  case  should  be reduced to avoid injury, and a better, faster method of inserting the pump head into the case would have to be developed. Once these improvements would be made, it is likely that up to 95% of the pump could be produced automatically and with repeatability. 

Ethics and environmental concerns always need to be of utmost  importance for the design of all products. However, these concerns are even greater when the product is a pump designed to bring safe drinking water to underdeveloped areas of the world. 

The peristaltic pump design has been described in great detail in this report. One of the most unique features of this pump’s design is that the water never leaves the tube while being pumped. The inlet end of the tube can be placed directly in the water and the outlet  end  of  the  tube  attached directly  to  the  filter. Because  the water  never  touches anything but the tube, this type of pump is generally known for being used in situations where  sanitation or  isolation  is very  important.  In  fact, peristaltic pumps  are  typically used  in  the medical, pharmaceutical,  food, and beverage  industries. The  cleanliness of the peristaltic pump makes it well‐suited for the delivery of water for people to drink. 

Another  important  aspect of  the peristaltic pump  is  that  the  tube, which  is  so important to the cleanliness of the pump, can be completely replaced. With most pumps, if the pump were used inappropriately or if after time it became too contaminated to use, there is no way to replace the contaminated part of the pump. With the peristaltic pump the  tube  can  be  replaced  for  a  very  low  price,  and  is  easy  enough  to  install  that  no professionals would be needed to help the people who are using the pump. 

The peristaltic pump has great ethical implications for pumping clean water for people, however  there  is one  environmental  concern  that needs  to be  addressed.   The current  design  of  the  peristaltic  pump  has  a  very  rudimentary  manual  lubrication system.    This  current  method  means  that  lubrication  could  be  damaging  to  the environment  and  to  the  people  in  the  area,  since  it  is  applied  by  hand  and  could potentially be spread due to centripetal force generated by the spinning gears. Although this  is  a  current  environmental  concern  it  can  be  easily  fixed  with  more  time  for 

10 

development. A possible  improvement would be  to  install an automatic dispenser and housing for the gears, so there is no way the lubrication could be spread. 

The primary mission of  Industrial Design  is  to design  the aspects of a product that relate  to  the user: namely aesthetics and ergonomics.   Aesthetics are  important  for consumers because they differentiate the product visually.   Visually attractive products naturally have a greater appeal to consumers. Aesthetics were not of extreme importance in the design and construction of this pump. A box for the switch was made to enhance appearance  and  painting  the wooden  base  and  aluminum  case was  also  considered.  However, there was no suitable color and type of paint available, so the plan to paint the pump was cancelled.   

There are numerous types of ergonomic needs.  As for ease of use, this pump is as easy to operate as it can get.   With one hose to suck in water from the reservoir, and another outlet hose, using the pump is as simple as putting the two hoses into respective containers and  flipping  the switch.   The user  interactions  required are minimal during operation, only requiring  flipping  the switch on and off. Maintenance  turned out  to be troublesome. Due to the nature of the pump’s operational mechanism, a lot of lubrication was  required  at  the  gears.   While  pumping water,  the  unit would  slow down  unless further lubrication was applied at the gears.  Further analysis would focus on improving ease of maintenance. 

 Economic Analysis 

See Appendix K for analysis of cost and economics. 

The peristaltic pump is designed to help people in developing countries who do not have access to clean water. More than 1 billion people worldwide lack access to clean water. Because of  contact with unclean water, approximately 25,000 deaths occur  each day. To put this in perspective, in all of the United States of America only 5,500 people die each day from all causes (old‐age, disease, violence, sanitation). This pump was made as inexpensively as possible, while still trying to create a pump that is durable and easy to use.  

This  pump was  designed  and manufactured  by  three  experienced mechanical engineers, whose salary  is $60,000 per year. Taking  into account a  five day work week and  an  eight  hour work day  these  engineers  earned  $28.85  each. This means  that  for every  hour  spent working  on  this  pump  it  costs  $86.55  to  pay  for  all  three  of  these engineers time. 

The  total  cost  of  the  pump  at  100,000  units  per  year,  with  material,  time, manufacturing, and marketing taken into account, is $17.94 per pump. The price should be as low as possible, but some profit needs to be generated if the pumps can continue to be produced. With this in mind we sent a gross margin of 25%. This gross margin is less than most industries, but this margin will result in enough profit to continue producing this pump for at least an addition five years. At this gross margin the selling price of the pump is $23.92. 

This price may not appear  to be very  low, because most  families  in developing countries  that need  this pump would not be  able  to  afford  it on  their own. However, upon  closer  inspection  and  analysis  this  price  is more  than  reasonable.  This  pump  is 

11 

designed  to pump  and  filter  one  gallon  of water per minute. Also,  because  it will  be using solar power,  there are no  restrictions on how often  the pump can be used. With these figures it is not unreasonable to assume that 50 people could use a single pump to filter their water. Even if there was only one pump in an entire village of over 100 people this pump would be able  to handle  the  load, pumping 60 gallons of clean water every hour if necessary. 

The direct cost of the prototype is $41.85, as calculated on the bill of materials in Appendix  I.  Externally  purchased  components  appear  in  Table  I.1  and  components available or manufactured on campus appear  in Table  I.2. Costs  for materials  in  I.2 are estimated.  

 Results 

As mentioned previously, at design point the flow rate was measured to be 1.07 gallons per minute (gpm) during testing. At the off‐design point the predicted flow rate was 1.4 gpm and the actual flow rate was 0.56 gpm, resulting in a 152% margin of error between  the analytical predication and measured performance. This was due simply  to the  fact  that  the  team  believed  it  had  to  use  the  theoretical  predictions  and  not  the corrected curves appearing in Figure 9. Had Figure 9 been used to predict a flow rate of 0.75 gpm, the off‐design margin of error would have been only about 34%. See ‘System Design’ for a more thorough comparison of analytical and experimental results.  Discussion of Results 

Overall,  the prototype worked very well, achieving the highest flow rate  in  the class  during  testing.  However,  there  were  some  problems  experienced  during manufacturing. The design had  to be  continually modified  to deal with problems  and ensure adequate performance, as noted throughout this report. These include having to redesign the entire case to use aluminum instead of plastic, re‐center the holes in the case due to a misaligned weld, remedy a leaking hose connection, and continually grease the gears to counteract higher‐than‐expected friction effects. The tube not being attached to the casing also caused problems during operation. 

Most of  the discrepancy between  theoretical and predicted performance  lies  in the huge amount of friction in the worm‐gear mesh, which was grossly underestimated at the start. The assumption of negligible friction  in gears was clearly wrong. Excessive friction in the gears had a couple consequences. The first was that it made the pump a lot slower.  The pump was not getting close to a competitive flow rate with the high friction in  the gears, so an  improvement was necessary. The  improvement  that made  the most sense was to apply some form of lubricant to the gears to reduce the amount of friction. The  first  lubrication  the  team  tried was WD‐40. However,  this  type of  lubrication only helped reduce friction for one or two revolutions of the gear, because the lubrication was just  too  thin.  The  next  type  of  lubrication  used was  a much  thicker  lubrication  and reduced  the  amount  of  friction  in  the  gears  dramatically  and  lasted  for  several revolutions  before  it  needed  to  be  reapplied.  The  excessive  friction  also  impacted performance prediction, and so a “friction factor” had to be introduced to account for this unexpected effect, as outlined in ‘System Design’. 

12 

The  steadiness,  or  rather  the  unsteadiness,  of  the  tube  running  through  the peristaltic pump also proved to be a problem. The rotating arm  in the peristaltic pump caused the tube to move and shift, and there was also nothing supporting the tube at the top of the pump when the arm was not at the peak point of its rotation. See Figure 10 for an illustration. This problem was easily corrected by adding a wood support for the tube, as visible  in Figures 6 and 7. This wood support was connected  to  the wood base and supported the tube in the pump and limited the amount of shifting. 

Figure 10: Tubing Attachment Problem Illustration 

 Adjustments  made  to  fix  the  few  problems  experienced  would  not  have  a 

significant  impact on manufacturability. For  initial adjustments  to be made, some parts had  to  be  pre‐assembled,  and  final  adjustments  required  assembly  of  the  entire  unit. These aspects would  increase  the  time and cost of manufacturing. However, even with the  adjustments,  approximately  95%  of  the  pump  can  be  completely  manufactured automatically and with repeatability. 

Lastly, the final cost was increased because of these adjustments and because of extra materials. The wood needed to create the support for the tube does not add much cost. However,  the  lubrication  system  for  the  gears will  increase  the  final  cost  of  the pump considerably, mainly because  the  lubrication would have  to be refilled, and so a reasonable amount would need to be shipped with the unit. 

 Conclusion and Recommendations 

We  learned a  lot  from  this project. First and  foremost, we got some experience with the design process in general. Design is a very important aspect of engineering and there are very  few opportunities  for students  to  learn about and experience  the  formal design process. We also learned a lot about technical reports. Preparing this final report and  all  of  the prerequisite  reports  gave us  a  glimpse  into what  kind  of detail will  be necessary for reports we write in the future, as professional engineers. Another thing we learned  from  this project was  the application of knowledge we have acquired  through our mechanical engineering course work. Fluid mechanics was a very useful course, and taught us a lot, but projects like this one allow for students to truly begin to understand and grasp the concepts that were taught in class. We also learned a great deal about the process  that goes on  in order  to create  rapid prototyped parts. Rapid prototyping was something  that no one  in our group had any experience with, and allowed us  to  learn something  completely new. Lastly,  this project gave us  the opportunity  to  learn more about working  as  a  team  to  complete  a  project.  This  is  not  the  first  or  only  class  to 

13 

promote the idea of team projects, but any experience we can get working in teams will help us in the future. 

The only improvements we can suggest would be to encourage more groups to take advantage of  the  resources  that  can be  found  in The Learning Factory. The  rapid prototyping was  a  great  aspect  of  this  project  and  our  group  took  that  aspect  a  step further,  by  also  using  the water‐jet  and  other  tools  in  The  Learning  Factory.  Besides making our pump more professional looking, and much more true to the original design, we  also  learned  about  an  amazing process  that we  otherwise would never have  been exposed to. We think all of the groups should have been encouraged more to pursue this option. The  timeline and expectations/specifications  for  the project were a serious  issue with this assignment, however. In  the future, we might suggest moving the start of the project back a couple weeks to allow more time for both machining and report writing. Also, clearly defining all of  the expectations at  the beginning of  the project would be a great help. 

 References 

Machine Design. Robert L. Norton. 3rd Edition. Prentice Hall. Chapters 11 and 12. 

Design of Machinery, An Introduction to the Synthesis and Analysis of Mechanisms and Machines. Robert L. Norton. 3rd Edition. McGraw Hill. Chapter 9. 

Fluid Mechanics: Fundamentals and Applications. Yunus A. Cengal and John M. Cimbala. McGraw Hill. Chapters 8 and 14. 

Product Design and Development. Karl T. Ulrich and Steven D. Eppinger. 3rd Edition. McGraw Hill. Chapters 3‐7,10‐12, and 14. 

http://en.wikipedia.org/wiki/Peristaltic_pump 

http://www.ethoswater.com/index.cfm?objectid=6406649E‐F1F6‐6035‐B59D53E360F38354 

http://www.mcmaster.com/ 

http://www.colepalmer.com/ 

14 

Appendix A: Gantt Chart 

 

 

0

0

0

0

1

0

0

1

0

0

1

6

8

6

8

8

12

12

10

14

7

5

0

1

20

19

8

1

2/14 2/24 3/6 3/16 3/26 4/5 4/15 4/25 5/5 5/15

0.1 Begin Project

1.1 Search literature for any regulatory requirements

1.2 Generate concept requirements

1.3 Find products currently on the market

1.4 Create a list of customer needs

1.5 Revise Problem Statement based on needs

2.1 Functionally decompose the project

2.2 External Search (patents/current products)

2.3 Generate concepts

2.4 Select promising concept(s)

3.1 Analyses of concepts / Proposal & Motor Selection

3.2 Perform simulations

3.3 Material selection/availability

3.4 Component selection/availability

3.5 CAD Drawings (Checked with INSIGHT)

3.6 System Design Report

4.1 Purchase materials and off the shelf components

4.2 Machine/manufacture components

4.3 Assemble Prototype

5.1 Develop testing protocol

5.2 Perform tests

5.3 Competition

6.1 Preparation of first progress report

6.2 Preparation of project proposal

6.3 Preparation of second progress report

6.4 Preparation of final report

6.5 Preparation of final presentation (Poster)

7.0 End Project

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendix B: Needs‐metrics Matrix 

 

 

Metric 

1) Pressure attained 

2) Current and Voltage N

ecessary 

3) Total cost 

4) Total M

ass 

5) Tim

e requ

ired to activate/de

activ

ate 

6) Pum

ps at least 1 gallon pe

r minute 

7) Total time requ

ired to set‐up 

8) W

ater con

tamination test 

9) Total time before fa

ilure  

10) B

ending strength 

Need                       

1) Is self priming    •                   

2) Runs using supplied batteries (solar power)      •                 

3) Is affordable for impoverished countries        •               

4) Can be transported easily          •             

5) Can easily be turned on/off            •           

6) Pumps water at adequate rate              •         

7) Can be set‐up easily                •       

8) Keeps water clean                   •     

9) Lasts a long time                    •   

10) Is durable                      • 

 

 

Appendix C: External Search Results (Patents) 

 

US 7,001,153 B2 

PERISTALTIC INJECTOR PUMP LEAK MONITOR 

William M. McDowell, Garden Grove, Calif. (US); and John T. Nguyen, San Dimas, Calif. (US) 

Assigned to Blue‐White Industries, Huntington Beach, Calif. (US) 

Filed on Jun. 30, 2003, as Appl. No. 10/610,364. 

Prior Publication US 2004/0265154 A1, Dec. 30, 2004 

Int. Cl. F04B 53/04 (2006.01); F04B 43/12 (2006.01)  

U.S. Cl. 417—63  18 Claims

 

   

1. A peristaltic pump having a pump leak monitor, comprising: a pump housing defining an interior volume, said interior volume having a bottom end portion configured for capturing and containing a fluid; a flexible tube disposed within said interior volume of said housing; a plurality of rollers mounted on a rotatable carrier for carrying said rollers in a  substantially circular path, said rollers being positioned for engagement with said tube; a pair of electrical contacts disposed a long said bottom end portion of said interior volume and positioned for immersion in the fluid; a measurement device electrically coupled to said pair of electrical contacts and adapted for measuring a conductivity of the fluid; and a processor for comparing the measured conductivity of the fluid with a stored range of conductivity. 

 

 

 

US 6,901,911 B2 

PUMP AND HYDRAULIC SYSTEM WITH LOW PRESSURE PRIMING AND OVER PRESSURIZATION AVOIDANCE FEATURES 

Michael D. Anderson, East Peoria, Ill. (US); Dennis H. Gibson, Chillicothe, Ill. (US); Michael E. Pickell, Metamora, Ill. (US); Jerry A. Wear, East Peoria, Ill. (US); and 

Matthew D. Friede, Fort Wayne, Ind. (US) 

Assigned to Caterpillar Inc, Peoria, Ill. (US) 

Filed on Jul. 31, 2002, as Appl. No. 10/212,136. 

Prior Publication US 2004/0020463 A1, Feb. 05, 2004 

Int. Cl.7F02M 37/04 

U.S. Cl. 123—446  18 Claims

 1. A liquid pump comprising: a pump body having disposed therein an outlet area, at least 

one pumping chamber and an inlet area; a check valve separating the outlet area from the at least one pumping chamber; at least one pump piston moveably positioned in said pump body; and an electro‐hydraulic controller attached to said pump body and being moveable between a first position at which said pump piston displaces fluid in a large proportion to said outlet area relative to said inlet area, and a second position at which said pump piston displaces fluid in a small proportion to said outlet area relative to said inlet area, and including a mechanical biaser operable to bias said electro‐hydraulic controller toward said first position, and including a biasing hydraulic surface oriented in opposition to said mechanical biaser for hydraulic biasing toward said second position, and including a control hydraulic surface oriented in opposition to said biasing hydraulic surface; said control hydraulic surface is exposed to fluid pressure in a control volume fluidly connected to said outlet area; said biasing hydraulic surface is exposed to fluid pressure in a biasing volume fluidly connected to said outlet area; and said control volume and said biasing volume are fluidly connected to said outlet area via a pressure reduction valve that is located downstream from the check valve.  

 

US 6,953,321 B2 

CENTRIFUGAL PUMP WITH CONFIGURED VOLUTE 

Aleksander S. Roudnev, De Forest, Wis. (US); Ronald J. Bourgeois, Sun Prairie, Wis. (US); and Ricardo Augusto Abarca Melo, Santiago (Chile) 

Assigned to Weir Slurry Group, Inc., Madison, Wis. (US) 

Filed on Dec. 31, 2002, as Appl. No. 10/335,584. 

Prior Publication US 2004/0126228 A1, Jul. 01, 2004 

Int. Cl.7F04D 7/04 

U.S. Cl. 415—197  19 Claims

   

1. A centrifugal pump of the volute type comprising a pump casing with a suction side and a drive side, a circular portion extending between a cutwater region and a throat region, a discharge nozzle extending tangentially from the circular portion, and an impeller positioned within the pump casing and a drive shaft axially connected to the impeller for rotating the impeller within the pump casing about an axis, the pump casing having a contoured volute region formed along the outer periphery of the circular portion of the pump casing extending from the cutwater region to the throat region of the pump casing, the contour of the volute region, in axial cross section, being such that in a section of the circular portion extending from beyond said cutwater to said throat region the drive side of the casing is formed with two radii of curvature separated by a convex portion, the suction side of the casing is formed with a single radius of curvature and said outer periphery of said pump casing extending between said drive side and said suction side is curved relative to said axis and the curvature of said curved outer periphery changes about the arc of the circular portion extending from said cutwater region to said throat region. 

 

Appendix D: Pump Examples 

 

Flexible Impeller pump from McMaster Carr: 

    

Gear pump from McMaster Carr: 

    

Jet Pump from McMaster Carr: 

    

Peristaltic Pump from Cole‐Parmer: 

 Centrifugal Pump from Cole‐Parmer:  

 

 

Appendix E: Concept Screening and Selection 

Explanation of Criteria 

1. Minimum 1 gpm – Will the pump deliver at least one gallon of water per minute? 

2. Low friction – How much friction is there in the pump? Less friction is desirable. 

3. Weight – How heavy is the pump? This is related to the amount and the types of materials used to construct the pump. 

4. Estimated Cost – How much will it cost to construct the pump? This is related to the types of materials used, and the difficulty of the construction. 

5. Complexity – How complex is the pump? Simpler pump will be easier, quicker, and generally more inexpensive to build. 

6. Design Time – How much time will be required to finish concept generating / selecting processes, design the concept and actually start manufacturing? The longer design time equals overall longer production time and cost. 

7. Sanitation – How clean will the water run through pump be? Lubricating oil can significantly contaminate the water running through the pump. 

8. Vibration / Noise – How bad is the vibration and noise produced by the pump under operation? 

9. Maintenance – How easy is the pump maintenance? This depends on the complexity of the pump and other factors. 

10. Durability – How long will the pump last? Will any part of the pump be needed to be replaced? 

11. Self‐Priming – Does the pump have the ability to purge air and create a vacuum, allowing the water to begin flowing, without requiring the pump to be filled with water beforehand? 

12. Risk of failure – Is the pump prone to critical failure of parts from exceeding stress? Can any part of the pump fail to cause malfunctioning? 

 

Table E.1: Concept Screening Matrix 

 

  Concepts (Pump types) 

Selection Criteria  A:  Piston  B:  Peristaltic  C:  Centrifugal 

Minimum 1 gpm 

Low friction 

Weight 

Estimated Cost 

Complexity 

Design Time 

Sanitation 

Vibration / Noise 

Maintenance 

Durability 

Self‐Priming 

Risk of failure 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

‐ 

Sum +’s 

Sum 0’s 

Sum –‘s 

15 

Net Score 

Rank 

      Continue? 

‐7 

#3 

Yes 

+3 

#1 

Yes 

#2 

Yes 

 

Note:  There are only three concepts, and all three were continued in order for the concept scoring matrix (Table 2) to select a concept. 

 

Here, weightings for each of the aforementioned criteria are determined by AHP (Analytical Hierarchy Process) methodology. 

 

Table E.2: Preferences on Objectives 

  

Table E.3: Weights on Objectives 

  

The weighting factors appearing in the “Average” column above correspond to the values appearing in Table E.4 for the “Weight” column.

 

Table E.4:  Concept Scoring Matrix 

 Concepts (Pump Types)   

A:  Piston  B:  Peristaltic  C:  Centrifugal Selection Criteria 

Weight  Rating  Weighted Score 

Rating  Weighted Score 

Rating  Weighted Score 

Minimum 1 gpm 

22.0%  5  1.10  5  1.10  5  1.10 

Low friction  11.2%  1  0.11  3  0.34  4  0.45 Weight  7.3%  2  0.15  4  0.29  3  0.22 Estimated Cost  4.6%  2  0.09  4  0.18  3  0.14 Complexity  7.1%  2  0.14  3  0.21  3  0.21 Design Time  14.0%  3  0.42  4  0.56  2  0.28 Sanitation  2.6%  2  0.05  5  0.13  4  0.10 Vibration / Noise 

2.0%  2  0.04  2  0.04  4  0.08 

Maintenance  1.8%  3  0.05  5  0.09  4  0.07 Durability  1.8%  2  0.04  3  0.05  3  0.05 Self‐Priming  12.7%  4  0.51  4  0.51  1  0.13 Risk of failure  12.8%  2  0.26  3  0.39  2  0.26 

Total  2.70  3.51  3.09            

Rank #  #3  #1  #2 

  

Continue?  No  Yes, develop  No 

 

 

Appendix F: Equations for Tabulating Theoretical Performance 

Note: Unit conversions will not be discussed but they play an essential role in obtaining the correct solution! 

• Flow Rate 

For a variety of D and d, create a table in Excel with the following columns: V (volume displaced per revolution), N (rotational speed), Q (flow rate). Variables V and Q may be found as follows: 

NVQ

DdV

•=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

22

 

 

• Required Power (Head loss) 

For a variety of D and d and a set ν (kinematic viscosity), create a table in Excel with the following columns: N, Q, v (average fluid velocity), Re (Reynold’s number), f (friction factor), hL (head loss), WHP (work horsepower). Variables v, Re, f, hL, and WHP may be found as follows: 

ν

π

vD

dQv

=

⎟⎠⎞

⎜⎝⎛

=

Re

2

2

  

 

L

L

gQhWHPg

vdLfh

ρ=

⎟⎟⎠

⎞⎜⎜⎝

⎛⎟⎠⎞

⎜⎝⎛=

2

2

 

Note that f is found using the Swamee‐Jain equation as opposed to the more common Colebrook equation or Moody chart. This is because the Swamee‐Jain equation is of explicit form, which is much easier to program into Excel. Differences between the equations are unlikely to cause a significant change in performance prediction. 

 

• Required Power (Friction loss) 

Draw the friction forces and torques on the arm: 

 

 In general, torque is defined by: 

rF •=τ  

And so, in this case: 

21221121 22 NrNrrFrFtotal μμτττ +=+=+=  

When only one roller is in contact with the tubing: 

21221121 NrNrrFrFtotal μμτττ +=+=+=  

This creates a time‐varying torque. Bearing friction and axle friction coefficients are estimated to be 0.015 and 0.2, respectively. N is estimated to be about 12 lb (estimated using a handheld force meter). Plotting this torque over time for one complete cycle (time for each half‐cycle is normalized to 1) and estimating the curves to be sine waves: 

Friction Torque for One Cycle (D=3)

0

0.01

0.02

0.03

0.04

0.05

0.06

0.07

0 0.5 1 1.5 2

t (Each half-cycle normalized to 1)

Torq

ue (f

t-lb) Total Torque

Average Torque

 

 

To determine the ratio of the sine curve to the constant curve, consider the geometry of the arm when the roller (assumed to be 1” diameter) is just beginning to contact the tubing: 

 

°=−°°=

°==⇒= −

2.1062180 ;8.732

9.36)8.0(cos5.20.2)cos( 1

θθ

θθ 

The ratio of 73.8: 106.2 is equivalent to the ratio of length of arc in contact with the tubing and that not in contact. When normalized to 1, these values are 0.41 and 0.59, which are the relative times for each part of the curve, as plotted above. The values of torque plotted above are just representative (for D=3 in.) The equation for the sine curve is:  )7.7sin()()/2sin()()2sin()( minmaxminmaxminmax tTTTtTTftTTT −=−=−= ππ . 

Since neither maximum nor minimum friction are representative of the actual friction during operation, an average value (integrated over time) must be found. This is plotted on the graph above. In reality, the motor may “hunt” for an operating point due to the varying torque, but approximating torque by the average should provide adequate predictions. 

Returning to the original goal of finding power lost to friction, for each D, create a table in Excel with the following columns: T (average friction torque, as found above), and N. Variable Pfric may be found as follows: 

NTvFPfric •=•=  

Total power may then be calculated by summing Pfric and WHP, found above. 

 

• Motor Power 

For various values of R and N = {0 : 12000}, create a table in Excel with the following columns: N, BHP (brake horsepower), I (current; determined by manufacturer’s curve), NG (geared speed; dependent on R). Variables BHP and NG may be found as follows: 

NRNNBHP

G •=•= τ

 

Plot provided BHP and I as a function of NG to create motor power curves for each R. 

 

Appendix G: Theoretical Performance Graphs 

Figure G.1 

Flow Rate: d=0.25" (ID)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Flow

Rat

e (g

pm)

D=6 in.D=5 in.D=4 in.D=3 in.

 Figure G.2 

Flow Rate: d=0.3125" (ID)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Flow

Rat

e (g

pm)

D=6 in.D=5 in.D=4 in.D=3 in.

 Figure G.3 

Flow Rate: d=0.375" (ID)

0

0.5

1

1.5

2

2.5

3

3.5

0 50 100 150 200 250 300 350

Rotation Speed (rpm)

Flow

Rat

e (g

pm)

D=6 in.D=5 in.D=4 in.D=3 in.

 

 

Figure G.4 

d = 0 . 2 5 " ( ID )P u m p R e q u i r e m e n t s ( R e q 'd S y s t e m H e a d + F r ic t io n )

0

1

2

3

4

5

6

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

R o t a t i o n S p e e d ( r p m )

Pow

er (W

)

D = 6 in .D = 5 in .D = 4 in .D = 3 in .M o t o r : 5 : 1M o t o r : 1 0 : 1M o t o r : 2 0 : 1M o t o r : 3 0 : 1M o t o r : 4 0 : 1M o t o r : 5 0 : 1

 Figure G.5 

d = 0 .3 1 2 5 " ( I D )P u m p R e q u i r e m e n t s ( R e q 'd S y s t e m H e a d + F r i c t i o n )

0

1

2

3

4

5

6

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

R o t a t io n S p e e d ( r p m )

Pow

er (W

)

D = 6 in .D = 5 in .D = 4 in .D = 3 in .M o to r : 5 :1M o to r : 1 0 :1M o to r : 2 0 :1M o to r : 3 0 :1M o to r : 4 0 :1M o to r : 5 0 :1

 Figure G.6 

d = 0 . 3 7 5 " ( I D )P u m p R e q u i r e m e n t s ( R e q 'd S y s t e m H e a d + F r i c t i o n )

0

1

2

3

4

5

6

0 5 0 1 0 0 1 5 0 2 0 0 2 5 0 3 0 0 3 5 0

R o t a t i o n S p e e d ( r p m )

Pow

er (W

)

D = 6 in .D = 5 in .D = 4 in .D = 3 in .M o t o r : 5 : 1M o t o r : 1 0 : 1M o t o r : 2 0 : 1M o t o r : 3 0 : 1M o t o r : 4 0 : 1M o t o r : 5 0 : 1

 

 

Figure G.7             Figure G.8 

5:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current

10:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current

 Figure G.9             Figure G.10 

20:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current30:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current

 Figure G.11             Figure G.12 

40:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current

50:1

0

1

2

3

4

5

6

0 50 100 150 200 250 300 350

Speed (rpm)

Pow

er (W

)

0

1

2

3

4

5

6

7

Cur

rent

(A)

Pow er

Current

 

Appendix H: CAD Models 

 

Figure H.1: Welded Aluminum‐Sheet Casing (4 Pieces) 

 Figure H.2: Original Casing Design 

  

 

 

 

 

Figure H.3: Hose Connector 

 Figure H.4: Arm 

 Figure H.5: Roller 

  

 

 

 

 

Figure H.6: Arm Assembly 

  

Figure H.7: Casing and Arm Assembly 

 

 

 Appendix I: Bill of Materials 

 Table I.1: Externally Purchased Components  

Component  Material  Cost Per Unit  Quantity  Total Cost Pump Tubing  Latex  $0.97/ft.  2.5 ft.  $2.43 

Source: McMaster.com, Item No. 5234K51 Bearings (8x16x5 mm) 

Steel  $0.99/ea.  2  $1.98 

Source: Bocabearings.com, Item No. 99MR688‐2RS Spacers: ¼” x 0.14 x½” ½” x 0.375 x 5/8” 

 Nylon Nylon 

 $0.28/ea $0.28/ea 

 1 1 (cut to fit) 

 $0.28 $0.28 

Source: Lowe’s, Item No. 136911 and 136990 DC Motor  N/A  $1.59/ea.  2  $3.18 

Source: Jameco.com, Item No. 232080 Materials Total:  $4.97 Motors Total:  $3.18 

 Table I.2: Internally Available Components  

Component  Material  Quantity  Source  Est. Cost Hose Splice  ABS Plastic  0.171 cu. in.  Learning Factory  

(Stratasys FDM 2000) $1.40 ($8/cu. in.) 

Casing: Middle  ½” Al Sheet  2 x 1.94 cu. in.  Learning Factory  (Omax 2626 water jet) 

$3.88 ($1/cu. in.) 

Casing: Side  1/8” Al Sheet  2 x 1.28 cu. in.  Learning Factory  (Omax 2626 water jet) 

$2.56 ($1/cu. in.) 

Arm  1/8” Al Sheet  2 x 0.16 cu. in.  Learning Factory  (Omax 2626 water jet) 

$0.32 ($1/cu. in.) 

Rollers  Al Round  2 x 0.27 cu. in.  Learning Factory  (Machined on lathe) 

$0.54 ($1/cu. in.) 

Spacer:  3/8” x 0.15 x ¼” 

Nylon  2  ME Instrument Room (Erector Set spacer) 

$0.50 

Small Washers  Nylon  2  Learning Factory  $0.25 #8 Hex Nuts  Steel  4  Learning Factory  $0.50 Rod (5/16”)  Steel  1.25 in.  Learning Factory  $0.75 Thread post/bolt  Steel  1  ME Instrument Room  $0.50 Hose Clamp  Steel  2  Learning Factory  $0.50 Switch/Wiring  N/A  N/A  ME Instrument Room  $1.00 Output Tubing  Plastic  3 ft.  Instructor Provided  $1.00 Rechargeable Batteries & Case 

N/A  1 case, 4 batteries 

Instructor Provided  $20.00 

Estimated Total:  $33.70 

Total from Table I.1 + I.2:  $41.85 

 

Appendix J: Machined Parts Drawings 

 

 

 

 

 

 

 

 

Appendix K: Economic Analysis 

 

 

Figure K.1 

Present Value of Payments

0.00

500000.00

1000000.00

1500000.00

2000000.00

2500000.00

3000000.00

3500000.00

0 1 2 3 4 5 6Year

Cum

ulat

ive

Valu

e ($

)

10% 15% 20% Cumulative Value 

 

Appendix L: Pump and Motor Reference 

 

Pumps I.  Positive displacement pump – force fluid from one sealed chamber to another 

by decreasing the volume of the first chamber and increasing the volume of the second.  The intake and outlet pressures usually don’t affect the flow rate.  Human heart is an excellent example of this type. 

Reciprocating type:   

Pumpjack, stirrup pump, inductive pump, piston pump, diaphragm pump 

Rotary type:   

Screw pump, gear pump, lobe pump, mono pump, peristaltic pump, progressive cavity pump 

 

II.  Dynamic pump – uses the momentum of the fluid to move it from inlet to outlet 

Centrifugal (rotary) type:   

Impeller inside a stationary cavity forces fluid to rotate and move from inlet to outlet with its own momentum.  Includes turbo pump, submersible pump, and axial flow pump 

Reciprocating (linear) type:   

Well pump – high pressure water is injected from the bottom of the well and pushes water upwards 

Ejector pump – a boiler is discharged into a tube, then sucks water vapors from a sealed tank 

 

Motors  I.  Pneumatic motor – converts energy of compressed air into mechanical 

II.  Hydraulic motor – converts energy of pressurized liquid flow into mechanical 

III.  Electric motor – converts electricity into mechanical 

Types: DC motors, universal motors, AC motors, stepper motors, brushless DC motors, linear motors, nano motors