王成城， 張凱

（鄭州科技學院 機械工程學院，鄭州450064）

1 引 言

水龍頭是日常生活中必備的裝置之一，種類繁多，按開啟方式來分，可分為旋轉式、扳手式、抬啟式和感應式等;按閥芯來分，可分為橡膠芯、陶瓷閥芯和不銹鋼閥芯等,今后發(fā)展方向是智能化［1］。但是，在停水后能實現自閉功能的很少，比較先進的有感應水龍頭，通過電控制可以實現停水自閉，但這是通過電來控制，第一不安全，第二耗費能源。盡管現在出現了一種機械式自動節(jié)水水龍頭［2］，但是它的停水自閉控制裝置和水龍頭是分開的兩個裝置，在一定程度上使機構變得復雜，在材料上也是一種浪費；其次從用戶方面來說水龍頭方便好用對水龍頭十分重要［3］。

為此，本文構思了一種新型的停水自閉水龍頭，控制裝置和水龍頭融為一體；并且改變了傳統(tǒng)球形閥的設計，用圓柱狀活塞代替，并用水壓密封，用彈簧拉桿自鎖邏輯判斷實現純機械式停水自閉。

2 水龍頭基本結構

圖1 水龍頭整體效果

圖2 水龍頭整體結構

如圖1 所示，水龍頭的整體效果和普通的水龍頭基本外形類似，整體構件如圖2 所示。

彈簧5 的裝配（如圖3），在正常和工作狀態(tài)彈簧5 一直處于拉伸狀態(tài)，彈簧5的一端和外殼1 的凸起a 相連另一端和拉桿6 的凸起b 相連。彈簧3 的裝配（如圖4），它的一端和轉動擋板7 相連，另一端和外殼1 相連，在正常情況下，彈簧3 處于原長狀態(tài)，工作狀態(tài)處于拉伸狀態(tài)。

圖3 彈簧5 的裝配

圖4 彈簧3 的裝配

如圖5 活塞a 處的階梯空和如圖6 的轉動擋板b 處相配合，這樣使裝配既簡單又牢固。

圖5 活塞剖視

圖6 轉動擋板

3 水龍頭工作原理

在有水的情況下，入水口處有正常的水壓，如圖7 所示，轉動擋板7 受到水的壓力，為了保證這個壓力，制造時入水口的直徑應該比出水口稍小，保證能讓水及時流出。由于杠桿原理，轉動短板7 要轉動，但是拉桿6 和轉動擋板7 接觸是斜面，運用斜面自鎖［5］，即當斜面達到一定角度，并且擋板7 對拉桿6 的支持力沿拉桿6 的軸向分力小于兩個斜面之間摩擦力在拉桿6 軸向的分力時，達到自鎖，此時再大的水壓也推不開拉桿6，這樣就保證了水龍頭在有水的情況下處于關閉狀態(tài)。

圖7 斜面自鎖

使用時，如圖8 所示，拉開拉桿6，轉動擋板7 受到水的壓力，轉動，松開手后拉桿6 被轉動擋板7 擋住，從而打開水龍頭；關閉時，如圖9 所示，使手柄4 轉動90°，變形凸輪2 剛好把轉動短板7 頂到豎直位置，這時拉桿6剛好達到自鎖位置，在彈簧5 的拉力下，運動至自鎖狀態(tài)，水龍頭關閉。

圖8 使用狀態(tài)一

圖9 使用狀態(tài)二

為了保證正常工作狀態(tài)，通常有以下兩種需要水龍頭自閉的情況。

3.1 停水過程中人為開啟后自閉

在停水過程中，入水口一直沒有水壓，當拉動拉桿6時，在彈簧3 的微弱拉力下，水龍頭關閉狀態(tài)不變，如圖10所示。如圖11 所示，拉桿6 在彈簧5 的拉力下處于自鎖狀態(tài)，無論是否轉動手柄4，都不影響自鎖狀態(tài)，繼而保持了關閉狀態(tài)。這樣確保了有人在不知道是否有水的情況下隨意拉動拉桿6 或者轉動手柄4，水龍頭都能保持關閉狀態(tài)。

圖10 停水狀態(tài)一

圖11 停水狀態(tài)二

3.2 使用過程中停水后自閉

有水的情況下，工作狀態(tài)如圖12 所示，擋桿6 被轉動擋板7 頂住，水龍頭處于開啟狀態(tài)；若突然停水，瞬時狀態(tài)如圖13 所示，在彈簧3 的拉力下，使拉桿6 剛好處于自鎖位置，為確保此功能的實現，條件是：使拉桿6 的頂端和轉動擋板7 的半圓形側面的粗糙度較小，使這兩個工作面比較光滑，即摩擦力很小，小于彈簧3 的拉力；然后如圖14 所示在彈簧5 的拉力下達到自鎖位置關閉水龍頭。

圖12 突然停水狀態(tài)一

圖13 突然停水狀態(tài)二

4 水龍頭的密封

4.1 密封圈

根據小Y 形密封圈（如圖15 中的1 所示）和唇型密封圈的啟發(fā)［6］，特意對它進行改進，如圖16、圖17所示。圖16 中的1 和2 是對小Y 型密封圈和唇形密封圈的結合，圖17 中的1 結構受的壓力越大，密封性越好，起到雙重密封的作用。

圖14 突然停水狀態(tài)三

圖15 小Y 形密封圈

圖16 密封圈

4.2 活塞

如圖18 所示為活塞的基本外觀，其材料選用丁苯橡膠，既有很高的耐磨性，又有很好的耐老化性［7-9］。當關閉水龍頭后，薄壁凸臺3 的外壁4 和進水口的內壁重合，此時內壁充滿高壓水，這樣會給內壁1 一個壓力，使密封更緊密；倒角2 和進水口的倒角重合，又進一步確保了密封。

對于上端蓋的密封，采用牙型為等腰三角形的管螺紋，利用其本身變形就可以確保連接的密封性，不需要任何填料［10］。

圖17 密封圈外觀

圖18 活塞

5 結 論

本產品通過簡單機構實現純機械自鎖，利用水壓以及杠桿結構實現邏輯順序判斷達到節(jié)水目的，解決了停水忘關水龍頭的問題，特制的活塞和密封圈保證了水龍頭本身的密封性，具有很高的可行性和實用性。此設計專利號為ZL201320204730.4。

［1］ 蘇志軍，尹玉杰，張清雙.閥門制造工藝［M］.北京：化學工業(yè)出版社，2010.

［2］ 翁海珊，王晶.第一屆全國大學生機械創(chuàng)新設計大賽決賽作品集［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 馬佳，孟妍，袁濤衛(wèi).浴水龍頭產品情感化設計要素［J］.重慶科技學院報，2009（8）：186，188.

［4］ 許萍，劉曉東.水龍頭與節(jié)約用水［J］.北京建筑工程學院學報，2002（9）：81-83.

［5］ 孫恒，等.機械原理［M］.北京：高等教育出版社，2011.

［6］ 左健民.液壓與氣動傳動［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2012.

［7］ 黃志昌，等.液壓與氣動技術［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［8］ 支道光.機械零件材料與熱處理工藝選擇［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2007.

［9］ 王章忠，機械工程材料［M］.北京：機械工業(yè)出版社，2011.

［10］ 濮良貴，紀名剛.機械設計［M］.北京：高等教育出版社，2012.