李中秋，史俊杰，李曉俊

西南交通大學(xué)機械工程學(xué)院，四川成都 611756

1 研究背景及意義

1.1 社會背景

如今全世界都正面臨著淡水資源短缺，我國尤為嚴(yán)重。因此，樹立節(jié)水意識，并切實將節(jié)水落實到生活中去已經(jīng)刻不容緩。事實上，隨著人們節(jié)水意識的增強，各大公司已經(jīng)紛紛開發(fā)出了相應(yīng)的節(jié)水產(chǎn)品。水龍頭是其中一種?，F(xiàn)在市面上的節(jié)水水龍頭的原理大致分兩種。一種是普通口徑，水流量沒變化，采用電磁閥控制，加上通過紅外線自動感測做成的自動感應(yīng)節(jié)水模式。另一種改變口徑，減少單位時間的流量，加上自動延時復(fù)位做成的自動延時關(guān)閉的節(jié)水模式。

然而，這兩種水龍頭都有各自的不足之處。前者造價高，目前市場上的感應(yīng)水龍頭價格需在400 元至1000 元之間，有的甚至更貴。而自動延時關(guān)閉水龍頭，自動延時關(guān)閉設(shè)計售價很高，且流量變得很小，生產(chǎn)成本高，不能進行相應(yīng)調(diào)節(jié)，因此不能滿足普通家庭的用水需求。

1.2 研究意義

拓寬節(jié)水的渠道，減少日常生活中使用水龍頭所造成的不必要的浪費，降低節(jié)水成本，幫助緩解水資源危機。

2 設(shè)計方案

2.1 總體設(shè)計方案

自動回復(fù)式檔位水龍頭是將延時復(fù)位的功能和可固定檔位的功能整合起來的一種節(jié)水型水龍頭。本作品在普通家用水龍頭的基礎(chǔ)上加以改造，增加了自動回復(fù)功能和檔位及鎖死裝置，以達到節(jié)約用水的目的。零件爆炸圖如圖1 所示。

圖1

2.2 自動回復(fù)功能

本作品將普通塑料水龍頭的閥桿加長并在其上套一扭轉(zhuǎn)彈簧，彈簧下端插入閥芯上的六角螺母內(nèi)，上端插入閥蓋頂部；當(dāng)轉(zhuǎn)動水龍頭手柄時，由于彈簧會隨著手柄的轉(zhuǎn)動而轉(zhuǎn)動，從而發(fā)生扭轉(zhuǎn)，產(chǎn)生一定的扭矩；當(dāng)用戶松開手后，手柄便會在該扭矩的作用下自動回復(fù)至關(guān)閉狀態(tài)。

2.3 檔位的實現(xiàn)

本作品在普通水龍頭的基礎(chǔ)上設(shè)置了三個檔位，手柄每轉(zhuǎn)過30 度為一檔，其出水量依次增大，其原理是：在閥蓋內(nèi)部嵌入一個橡皮圈，其內(nèi)邊緣為波浪形，使其凹槽處剛好能卡住閥芯上的六角螺母，當(dāng)手柄每轉(zhuǎn)過30°時，六角螺母的棱邊擠壓橡皮圈內(nèi)邊緣的凸起處使之發(fā)生變形并產(chǎn)生一定的摩擦力，從而使人產(chǎn)生費力的感覺，直至六角螺母的棱邊進入下一相鄰的凹槽，即為下一個檔位，依此類推，轉(zhuǎn)過90°時即為最高檔三檔。

2.4 鎖死裝置

當(dāng)用戶需要較大用水量時，為了阻止手柄的自動回復(fù)以保持恒定流量，本作品在殼體上端邊緣處設(shè)置了三個凹槽（以下稱之為銷孔），其位置剛好與三個檔位相對應(yīng)，閥蓋外設(shè)計了一個可以上下移動的嵌入式銷子，當(dāng)用戶需要在某一檔位長時間停留時，可將銷子撥下去使之插入對應(yīng)的銷孔內(nèi)，從而阻止手柄的自動回復(fù)；用完水后，將銷子撥上來，即可關(guān)閉水龍頭。

3 可行性分析

3.1 水龍頭效率分析

3.1.1 水流量調(diào)查

為了客觀地驗證本作品的節(jié)水可行性，我們首先對水龍頭的出水量進行了實地調(diào)查。我們以西南交通大學(xué)天佑齋3 號樓為調(diào)查對象，進行了如下調(diào)查：調(diào)查目的：實地測量學(xué)生宿舍樓寢室內(nèi)水龍頭的最大流量；調(diào)查對象：西南交大天佑齋3 號宿舍樓；調(diào)查設(shè)備：學(xué)生寢室內(nèi)自帶的水表，秒表；調(diào)查方法：打開水龍頭30 秒，記錄打開前后水表的讀數(shù)，計算出單位時間內(nèi)水流量的大小。

調(diào)查結(jié)果如下表所示：

根據(jù)上表可知，計算得天佑齋3 號樓全天各時段各樓層水龍頭流量的平均值為:Q=251.8cm3/s ≈252cm3/s.

3.1.2 基本假設(shè)

1）水龍頭流量252cm3/s；

2）一般性洗手時間10 秒；

3）洗潔劑洗手：25 秒；

4）自來水的密度：1g/cm3。

3.1.3 水龍頭中扭轉(zhuǎn)彈簧的原理分析

本水龍頭利用的是彈簧的扭轉(zhuǎn)力。當(dāng)水龍頭轉(zhuǎn)過90°時，即從關(guān)閉到開啟，彈簧得到彈性勢能。在90°方位處，當(dāng)使用銷子將手柄鎖死時，水龍頭保持恒定流量；當(dāng)撥出銷子以后，鎖死解除，水龍頭內(nèi)部的彈簧收縮，彈簧釋放彈性勢能，水龍頭回歸原位，此時水龍頭就自動回復(fù)關(guān)閉狀態(tài)。

1）經(jīng)過分析與計算，我們得到了扭轉(zhuǎn)彈簧回復(fù)時間關(guān)于扭轉(zhuǎn)角度的函數(shù)關(guān)系（忽略摩擦阻力）：

采用MATLAB 繪圖，可以得到回復(fù)時間與彈簧扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系為：

圖2

圖3

2）經(jīng)過分析與計算，我們得出了扭轉(zhuǎn)彈簧回復(fù)時間與流水量的關(guān)系（忽略摩擦阻力）：

設(shè)在t=0 的時候，流水量為0.252L/s，在t=10 的時候，流水量為0L/s.

采用MATLAB 繪圖，可以得到回復(fù)時間與彈簧扭轉(zhuǎn)角度的關(guān)系如圖3 所示。

3.2 節(jié)水量的分析

從圖2和圖3中可以得出以下結(jié)論：隨著回復(fù)時間的延長，也就是扭轉(zhuǎn)角度就會越來越小，那么流水量就會越來越小，而普通水龍頭在相同的時間內(nèi)流水量一直保持不變，始終最大；據(jù)估計，我們的節(jié)水水龍頭通過逐漸縮小流量，可以節(jié)約大約53%～55%的水量，節(jié)水效果顯著。

[1]閆魯超，李雪芳，陳月娟.編著.3ds Max 2010 入門與提高.北京希望電子出版社，2010.

[2]劉朝儒，等主編.機械制圖.高等教育出版社.

[3]包南珪，汪曼華.編著.扭簧的回復(fù)時間計算，浙江電工器材廠.