【摘要】針對當前日常生活中因老式螺旋水龍頭和扳手式水龍頭的使用，造成水龍頭容易漏水，或停水后忘關水龍頭，突然來水而無人在場的情況下浪費大量水資源的現(xiàn)象，本作品提出一種成本較低而實用的發(fā)條式停水自閉音樂水龍頭。該水龍頭的關閉原理是基于八音盒里的發(fā)條結(jié)構(gòu)來實現(xiàn)水龍頭開關的自動回位，達到節(jié)水的效果。該水龍頭利用簡易的機械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動回位，并且在無需附加電路的情況下能自動播放音樂，讓使用者在用水的過程中能放松身心，心情愉快。除此之外，該水龍頭結(jié)構(gòu)簡單，所用的材料成本低廉，可廣泛應用于實際生活中，并帶來較大的社會經(jīng)濟效益。

【關鍵詞：】水龍頭，發(fā)條式，停水自閉，節(jié)水

1、研究背景

1.1 研究的目的和意義

我國是全球人均水資源最匱乏的國家之一，人均水資源量只有2300立方米，僅為世界平均水平的1/4。居世界109位，被列為全世界人均水資源13個貧水國家之一。然而，中國又是世界上用水量最多的國家，2013年我國年總用水量6170億立方米，與此同時，水資源浪費現(xiàn)象卻很嚴重，每年浪費量在1000萬立方米以上。生活用水浪費現(xiàn)象尤其突出，每年流失量可達200個昆明湖蓄水量。其中，水龍頭漏水造成的水浪費占很大比例，洗菜、洗手、洗菜時水龍頭流水都會造成很大損失?！暗嗡痹谝粋€小時里就可以集到3.6公斤水，一個月里可集到2.6噸水。如果是連續(xù)成線的小水流，每小時可集水17公斤，每個月可集水12噸。如果水龍頭開到最大而忘記關閉，平均每天會損失掉17.28噸的水，按中國人均用水量212L/天計，水龍頭忘記關閉一天造成的浪費可以滿足82個人一天中對水的需求。推廣節(jié)水水龍頭的節(jié)水器具刻不容緩，但情形不容樂觀。以昆明為例，水嘴節(jié)水裝置（又稱節(jié)水龍頭）只在昆明主城區(qū)、呈貢區(qū)及三個開發(fā)（度假）區(qū)的公共機構(gòu)中安裝，并沒有在居民家庭中進行推廣。對于節(jié)能家電等進行補貼，是國家實施的一項“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”，但在節(jié)水方面，國家并沒有相關的政策。注重節(jié)水的客觀原因有以下幾種：

（1）扣除難以利用的洪水徑流和散布在偏遠地區(qū)的地下水資源后，我國現(xiàn)實可利用的淡水資源量則更少，僅為11000億立方米左右，人均可利用水資源量約為900立方米，并且其分布極不均衡，在水資源匱乏地區(qū)節(jié)水成為緩解矛盾的最有效措施；

（2）到20世紀末，全國600多座城市中，已有400多個城市存在供水不足問題，其中比較嚴重的缺水城市達110個，全國城市缺水總量為60億立方米，節(jié)約水資源更被擺在了突出位置；

（3）我國水資源利用率低，水浪費現(xiàn)象嚴重。浪費量在1000萬立方米以上。

水資源浪費會在多方面給我們帶來諸多影響。從個人層面上看，用水的大量浪費會給我們帶來很多不必要的經(jīng)濟損失，也會使日常用水更為短缺，甚至會帶來停水的情況。從社會層面分析，會無法滿足大量人口的用水需求。從國家層面分析，水資源地區(qū)分配失衡更為嚴重，生活生產(chǎn)困難，給國家經(jīng)濟帶來巨大困難等。

1.2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了解決水龍頭的水資源浪費現(xiàn)象，目前市面上出現(xiàn)了各種各樣的節(jié)水龍頭。常見的有傳統(tǒng)節(jié)水水龍頭，感應水龍頭以及全自動水龍頭等。然而，節(jié)水龍頭卻存在著推而不廣的情況。零部件的質(zhì)量阻礙以及成本過高是這種情況出現(xiàn)的根本所在。以感應式水龍頭（HT-HS03DC1）為例，經(jīng)測試紅外感應龍頭在適用水壓范圍內(nèi)，1次沖洗水量為0.375-1.211L，沖洗時間約為4.5s，0.1MPa時，流量為0.115L/s，小于0.15L/s，達到節(jié)水型水嘴的要求，與普通龍頭相比節(jié)水約23%，但其造價高昂，市場售價普遍在百元以上，且在水壓大于0.35MPa時，需要另外設置減壓設施或調(diào)整沖洗時間，才能達到較理想的沖洗效果和節(jié)水要求。

另一方面，市面上的節(jié)水龍頭質(zhì)量良莠不齊。國家質(zhì)檢總局曾針對節(jié)水性能對水龍頭等節(jié)水產(chǎn)品展開了一場調(diào)查，而這次對水龍頭的抽查主要是根據(jù)國家強制性標準——《陶瓷片密封水嘴》，對產(chǎn)品的管螺紋精度、酸性鹽霧試驗、流量等與節(jié)水性能密切相關的8個項目進行檢驗。調(diào)查結(jié)果顯示，抽檢的150個水龍頭產(chǎn)品中，有32種產(chǎn)品不符合標準規(guī)定，不合格率高達21.3%。

針對市場上老式螺旋水龍頭容易漏水，感應水龍頭價格昂貴，按壓式水龍頭維修困難等現(xiàn)象，本作品提出一種新型經(jīng)濟高效且應用范圍廣的發(fā)條式停水自閉水龍頭，基于發(fā)條裝置自動回復的原理，以發(fā)揮一定時間自動關閉的功能，有力地解決了忘關水龍頭造成大量水浪費的問題。

2、設計原理

2.1 設計思路

本作品的設計靈感來源于日常生活中的八音盒。擰動八音盒的發(fā)條，發(fā)條彈簧在實現(xiàn)機械能和彈性勢能的轉(zhuǎn)化過程中自動回位，并帶動八音盒里的滾筒和梳齒轉(zhuǎn)動使裝置發(fā)出音樂。為此，聯(lián)想到將八音盒里的自動回位裝置組裝在水龍頭上可以讓水龍頭實現(xiàn)自動回位和播放音樂，用簡單的結(jié)構(gòu)解決了日常生活中忘關水龍頭造成浪費水的問題。

本作品利用發(fā)條彈簧來帶動轉(zhuǎn)筒，把勢能換成機械能，再利用轉(zhuǎn)筒上的凸點來撥動音片上的音條，使音條振動從而發(fā)出聲響。由于各音條尺寸不同，振動頻率不一樣，聲響就對應不同的音符。按照某樂譜來制作轉(zhuǎn)筒的凸點分布，則轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時以一定的次序和時間撥動音片上的音條，人們就能聽到優(yōu)美動聽的音樂曲調(diào)。

2.2 主要部件結(jié)構(gòu)說明

本作品外觀與市面上普通水龍頭類似。使用材料亦為最常見的不銹鋼龍頭與陶瓷閥芯。其特點在于將純機械的八音盒原理移植至水龍頭上，實現(xiàn)了水龍頭使用時的自動停水及播放音樂的功能，同時增加了卡死裝置，讓本作品還能實現(xiàn)水流的持續(xù)出流，滿足多種情況需求。

內(nèi)部主要部件包括發(fā)條軸、發(fā)條彈簧、音筒、音片、陶瓷閥芯、鎖死扭桿及支撐板。以下為該作品的主要部件說明：

（1）發(fā)條彈簧：是本作品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重點，位于支撐板上方。一端固定，另一端在受到力矩作用時產(chǎn)生彎曲彈性變形，使發(fā)條逐漸盤到中間的方形發(fā)條軸上，從而在自身平面內(nèi)產(chǎn)生扭轉(zhuǎn)。在力矩作用消失后，發(fā)條在自身內(nèi)力作用下慢慢松開，回復到初始位置。

（2）音筒及音片：為主要的發(fā)音構(gòu)件，位于支撐板上方。音片為梳齒結(jié)構(gòu)，由長短不一的多個鋼制簧片組成，固結(jié)于轉(zhuǎn)軸上，能隨著轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。音筒為固結(jié)于分隔板之上，以轉(zhuǎn)軸為中心軸的空心圓筒，在圓筒內(nèi)壁有按照節(jié)奏規(guī)律分布的凸點。當轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動時，凸點激發(fā)簧片產(chǎn)生自由振動，發(fā)出動聽的樂聲。

（3）陶瓷閥芯：位于支撐板下方，通過轉(zhuǎn)軸與發(fā)條彈簧等結(jié)構(gòu)相連，轉(zhuǎn)芯能隨著轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。當旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)芯的時候，轉(zhuǎn)芯下端的撥叉帶動動閥片轉(zhuǎn)動，使得動閥片上的出水通孔與靜閥片上的進水通孔相互對應，讓水從轉(zhuǎn)芯上的通孔流出，之后在發(fā)條彈簧內(nèi)力帶動下恢復至原來位置，實現(xiàn)自動停水。

（4）鎖死裝置：此部分用于阻止水龍頭開關自動回位，可達到連續(xù)出水的效果。該部分由凹槽，鎖死扭桿組成。凹槽位于水龍頭上表面不旋轉(zhuǎn)部分。鎖死扭桿位于轉(zhuǎn)軸上端。正常使用時，扭桿能隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動。需要大量用水時，只要在水龍頭處于出流狀態(tài)時將扭桿傾斜，固定在凹槽內(nèi)，就能利用扭桿與凹槽間的作用力與發(fā)條彈簧內(nèi)力產(chǎn)生的力矩平衡，使水龍頭保持在當前出流狀態(tài)，在結(jié)束使用后，只用將扭桿豎直，水龍頭又能恢復到能自動回位的正常工作狀態(tài)。

2.3 作品的合理性闡述論證

2.3.1 技術可行性

房屋停水后人們時常忘記關閉水龍頭，當突然來水時會造成水資源浪費問題。新型發(fā)條式停水自閉龍頭就可以防止這種情況的發(fā)生。

該停水自閉龍頭所需要的材料為簡易的不銹鋼發(fā)條以及能產(chǎn)生音樂的鋼制滾筒和簧片，這些材料在市場上均有售，結(jié)構(gòu)較簡單且制作改裝難度較低。

2.3.2 使用可行性

新型發(fā)條式停水自閉龍頭結(jié)構(gòu)簡單，安裝、維修、更換都很方便。該停水自閉龍頭采用不銹鋼材料焊接性、抗磨性和抗疲勞性能均優(yōu)于市面上常見的銅鐵制品，可大大延長使用壽命。在使用過程中伴有優(yōu)美的音樂，令人心情愉悅。

2.3.3 經(jīng)濟可行性

目前市面上感應水龍頭價格為二百元左右，且需消耗電能，不經(jīng)濟。新型發(fā)條式停水自閉龍頭采用的不銹鋼發(fā)條價格低廉，市面上售價2元/條左右。由于該水龍頭內(nèi)的發(fā)條裝置耐磨性強且抗疲勞性能較好，使用壽命較長，無需經(jīng)常維修或更換。表1 為新型發(fā)條式自閉音樂水龍頭成本預算。

3、創(chuàng)新特色

目前市場上有各式各樣的新型節(jié)水型水龍頭。開關自動回位也已經(jīng)有人通過彈簧實現(xiàn)，但是利用八音盒里的發(fā)條來改裝成水龍頭開關實屬首例。以下為發(fā)條式停水自閉水龍頭的特色。

3.1 純機械裝置實現(xiàn)停水自閉

目前市面上節(jié)水龍頭實現(xiàn)自動控制出水的裝置都存在種種缺點，尤其是在成本經(jīng)濟方面。本產(chǎn)品通過對發(fā)條的創(chuàng)新性使用，使得成本大大降低。發(fā)條造價低廉，在生活中廣泛可見，并且包含有各種尺寸，適用于各種型號大小的水龍頭。同時不用附加電路，低碳環(huán)保。

3.2 使用時可自動播放音樂

生活水平的提高對水龍頭這一常見裝置提出了更高的要求。本裝置創(chuàng)新性地將八音盒工作原理運用于水龍頭之上，利用自動回位時產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)帶動簧片，與凸點接觸后產(chǎn)生震動，演奏出美妙的音樂。使得使用者擁有更好的人機交互體驗。

3.3 結(jié)構(gòu)簡單，制作成本低

目前市場上各類智能水龍頭價格飆升，難以廣泛應用于日常生活中，再者市場上水龍頭結(jié)構(gòu)復雜難以維修，更換則需要更加昂貴的費用，而該作品結(jié)構(gòu)簡單，成本低廉，價格實惠，維修簡單方便，憑簡易的結(jié)構(gòu)便能實現(xiàn)目前市場上諸多智能水龍頭的功能。

4、應用前景

水資源的節(jié)約目前已成為社會關注的熱點問題，市場上也出現(xiàn)了電子感應式節(jié)水水龍頭、按壓式節(jié)水水龍頭等新型水龍頭，但是價格昂貴且難以維修維護，因此其應用并未普及到各家各戶，而只限于餐廳、影院等公共消費場所。新型發(fā)條式停水自閉龍頭應運而生。

新型發(fā)條式停水自閉龍頭較按壓式水龍頭而言回位時間稍長，更好地滿足人們的使用需求。此外，新型發(fā)條式停水自閉龍頭有阻止回位的裝置，可根據(jù)需要使水龍頭持續(xù)出水，十分人性化。

新型發(fā)條式停水自閉龍頭所需材料常見，在市場上有售，價格實惠且無需經(jīng)常性維修或更換，適合普及到各家各戶。

新型發(fā)條式停水自閉龍頭的回位裝置可在日常的使用中有效地節(jié)省水資源，符合可持續(xù)發(fā)展的趨勢。

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作者簡介：董珮瑤，女，（1995.06—），天津人，武漢大學，本科在讀，研究方向：水利水電工程。