【摘要】針對(duì)當(dāng)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(guān)水龍頭，突然來(lái)水而無(wú)人在場(chǎng)的情況下浪費(fèi)大量水資源的現(xiàn)象，本作品提出一種成本較低而實(shí)用的發(fā)條式停水自閉音樂(lè)水龍頭。該水龍頭的關(guān)閉原理是基于八音盒里的發(fā)條結(jié)構(gòu)來(lái)實(shí)現(xiàn)水龍頭開(kāi)關(guān)的自動(dòng)回位，達(dá)到節(jié)水的效果。該水龍頭利用簡(jiǎn)易的機(jī)械結(jié)構(gòu)能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)回位，并且在無(wú)需附加電路的情況下能自動(dòng)播放音樂(lè)，讓使用者在用水的過(guò)程中能放松身心，心情愉快。除此之外，該水龍頭結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，所用的材料成本低廉，可廣泛應(yīng)用于實(shí)際生活中，并帶來(lái)較大的社會(huì)經(jīng)濟(jì)效益。

【關(guān)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(guó)是全球人均水資源最匱乏的國(guó)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(gè)貧水國(guó)家之一。然而，中國(guó)又是世界上用水量最多的國(guó)家，2013年我國(guó)年總用水量6170億立方米，與此同時(shí)，水資源浪費(fèi)現(xiàn)象卻很?chē)?yán)重，每年浪費(fèi)量在1000萬(wàn)立方米以上。生活用水浪費(fèi)現(xiàn)象尤其突出，每年流失量可達(dá)200個(gè)昆明湖蓄水量。其中，水龍頭漏水造成的水浪費(fèi)占很大比例，洗菜、洗手、洗菜時(shí)水龍頭流水都會(huì)造成很大損失。“滴水”在一個(gè)小時(shí)里就可以集到3.6公斤水，一個(gè)月里可集到2.6噸水。如果是連續(xù)成線的小水流，每小時(shí)可集水17公斤，每個(gè)月可集水12噸。如果水龍頭開(kāi)到最大而忘記關(guān)閉，平均每天會(huì)損失掉17.28噸的水，按中國(guó)人均用水量212L/天計(jì)，水龍頭忘記關(guān)閉一天造成的浪費(fèi)可以滿足82個(gè)人一天中對(duì)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(lè)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(gè)開(kāi)發(fā)（度假）區(qū)的公共機(jī)構(gòu)中安裝，并沒(méi)有在居民家庭中進(jìn)行推廣。對(duì)于節(jié)能家電等進(jìn)行補(bǔ)貼，是國(guó)家實(shí)施的一項(xiàng)“節(jié)能產(chǎn)品惠民工程”，但在節(jié)水方面，國(guó)家并沒(méi)有相關(guān)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(yuǎn)地區(qū)的地下水資源后，我國(guó)現(xiàn)實(shí)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(jì)末，全國(guó)600多座城市中，已有400多個(gè)城市存在供水不足問(wèn)題，其中比較嚴(yán)重的缺水城市達(dá)110個(gè)，全國(guó)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(guó)水資源利用率低，水浪費(fèi)現(xiàn)象嚴(yán)重。浪費(fèi)量在1000萬(wàn)立方米以上。

水資源浪費(fèi)會(huì)在多方面給我們帶來(lái)諸多影響。從個(gè)人層面上看，用水的大量浪費(fèi)會(huì)給我們帶來(lái)很多不必要的經(jīng)濟(jì)損失，也會(huì)使日常用水更為短缺，甚至?xí)?lái)停水的情況。從社會(huì)層面分析，會(huì)無(wú)法滿足大量人口的用水需求。從國(guó)家層面分析，水資源地區(qū)分配失衡更為嚴(yán)重，生活生產(chǎn)困難，給國(guó)家經(jīng)濟(jì)帶來(lái)巨大困難等。

1.2 國(guó)內(nèi)外研究現(xiàn)狀

為了解決水龍頭的水資源浪費(fèi)現(xiàn)象，目前市面上出現(xiàn)了各種各樣的節(jié)水龍頭。常見(jiàn)的有傳統(tǒng)節(jié)水水龍頭，感應(yīng)水龍頭以及全自動(dòng)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(guò)高是這種情況出現(xiàn)的根本所在。以感應(yīng)式水龍頭（HT-HS03DC1）為例，經(jīng)測(cè)試紅外感應(yīng)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(shí)間約為4.5s，0.1MPa時(shí)，流量為0.115L/s，小于0.15L/s，達(dá)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(jià)高昂，市場(chǎng)售價(jià)普遍在百元以上，且在水壓大于0.35MPa時(shí)，需要另外設(shè)置減壓設(shè)施或調(diào)整沖洗時(shí)間，才能達(dá)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(guó)家質(zhì)檢總局曾針對(duì)節(jié)水性能對(duì)水龍頭等節(jié)水產(chǎn)品展開(kāi)了一場(chǎng)調(diào)查，而這次對(duì)水龍頭的抽查主要是根據(jù)國(guó)家強(qiáng)制性標(biāo)準(zhǔn)——《陶瓷片密封水嘴》，對(duì)產(chǎn)品的管螺紋精度、酸性鹽霧試驗(yàn)、流量等與節(jié)水性能密切相關(guān)的8個(gè)項(xiàng)目進(jìn)行檢驗(yàn)。調(diào)查結(jié)果顯示，抽檢的150個(gè)水龍頭產(chǎn)品中，有32種產(chǎn)品不符合標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定，不合格率高達(dá)21.3%。

針對(duì)市場(chǎng)上老式螺旋水龍頭容易漏水，感應(yīng)水龍頭價(jià)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(jì)高效且應(yīng)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(dòng)回復(fù)的原理，以發(fā)揮一定時(shí)間自動(dòng)關(guān)閉的功能，有力地解決了忘關(guān)水龍頭造成大量水浪費(fèi)的問(wèn)題。

2、設(shè)計(jì)原理

2.1 設(shè)計(jì)思路

本作品的設(shè)計(jì)靈感來(lái)源于日常生活中的八音盒。擰動(dòng)八音盒的發(fā)條，發(fā)條彈簧在實(shí)現(xiàn)機(jī)械能和彈性勢(shì)能的轉(zhuǎn)化過(guò)程中自動(dòng)回位，并帶動(dòng)八音盒里的滾筒和梳齒轉(zhuǎn)動(dòng)使裝置發(fā)出音樂(lè)。為此，聯(lián)想到將八音盒里的自動(dòng)回位裝置組裝在水龍頭上可以讓水龍頭實(shí)現(xiàn)自動(dòng)回位和播放音樂(lè)，用簡(jiǎn)單的結(jié)構(gòu)解決了日常生活中忘關(guān)水龍頭造成浪費(fèi)水的問(wèn)題。

本作品利用發(fā)條彈簧來(lái)帶動(dòng)轉(zhuǎn)筒，把勢(shì)能換成機(jī)械能，再利用轉(zhuǎn)筒上的凸點(diǎn)來(lái)?yè)軇?dòng)音片上的音條，使音條振動(dòng)從而發(fā)出聲響。由于各音條尺寸不同，振動(dòng)頻率不一樣，聲響就對(duì)應(yīng)不同的音符。按照某樂(lè)譜來(lái)制作轉(zhuǎn)筒的凸點(diǎn)分布，則轉(zhuǎn)筒旋轉(zhuǎn)時(shí)以一定的次序和時(shí)間撥動(dòng)音片上的音條，人們就能聽(tīng)到優(yōu)美動(dòng)聽(tīng)的音樂(lè)曲調(diào)。

2.2 主要部件結(jié)構(gòu)說(shuō)明

本作品外觀與市面上普通水龍頭類(lèi)似。使用材料亦為最常見(jiàn)的不銹鋼龍頭與陶瓷閥芯。其特點(diǎn)在于將純機(jī)械的八音盒原理移植至水龍頭上，實(shí)現(xiàn)了水龍頭使用時(shí)的自動(dòng)停水及播放音樂(lè)的功能，同時(shí)增加了卡死裝置，讓本作品還能實(shí)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(shuō)明：

（1）發(fā)條彈簧：是本作品的內(nèi)部結(jié)構(gòu)重點(diǎn)，位于支撐板上方。一端固定，另一端在受到力矩作用時(shí)產(chǎn)生彎曲彈性變形，使發(fā)條逐漸盤(pán)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(kāi)，回復(fù)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(zhǎng)短不一的多個(gè)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(dòng)。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(diǎn)。當(dāng)轉(zhuǎn)軸轉(zhuǎn)動(dòng)時(shí)，凸點(diǎn)激發(fā)簧片產(chǎn)生自由振動(dòng)，發(fā)出動(dòng)聽(tīng)的樂(lè)聲。

（3）陶瓷閥芯：位于支撐板下方，通過(guò)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(dòng)。當(dāng)旋轉(zhuǎn)轉(zhuǎn)芯的時(shí)候，轉(zhuǎn)芯下端的撥叉帶動(dòng)動(dòng)閥片轉(zhuǎn)動(dòng)，使得動(dòng)閥片上的出水通孔與靜閥片上的進(jìn)水通孔相互對(duì)應(yīng)，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(dòng)下恢復(fù)至原來(lái)位置，實(shí)現(xiàn)自動(dòng)停水。

（4）鎖死裝置：此部分用于阻止水龍頭開(kāi)關(guān)自動(dòng)回位，可達(dá)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(shí)，扭桿能隨轉(zhuǎn)軸一起轉(zhuǎn)動(dòng)。需要大量用水時(shí)，只要在水龍頭處于出流狀態(tài)時(shí)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(dāng)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(fù)到能自動(dòng)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(shù)可行性

房屋停水后人們時(shí)常忘記關(guān)閉水龍頭，當(dāng)突然來(lái)水時(shí)會(huì)造成水資源浪費(fèi)問(wèn)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(jiǎn)易的不銹鋼發(fā)條以及能產(chǎn)生音樂(lè)的鋼制滾筒和簧片，這些材料在市場(chǎng)上均有售，結(jié)構(gòu)較簡(jiǎn)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(jiǎn)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(jiàn)的銅鐵制品，可大大延長(zhǎng)使用壽命。在使用過(guò)程中伴有優(yōu)美的音樂(lè)，令人心情愉悅。

2.3.3 經(jīng)濟(jì)可行性

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

3、創(chuàng)新特色

目前市場(chǎng)上有各式各樣的新型節(jié)水型水龍頭。開(kāi)關(guān)自動(dòng)回位也已經(jīng)有人通過(guò)彈簧實(shí)現(xiàn)，但是利用八音盒里的發(fā)條來(lái)改裝成水龍頭開(kāi)關(guān)實(shí)屬首例。以下為發(fā)條式停水自閉水龍頭的特色。

3.1 純機(jī)械裝置實(shí)現(xiàn)停水自閉

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

3.2 使用時(shí)可自動(dòng)播放音樂(lè)

生活水平的提高對(duì)水龍頭這一常見(jiàn)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(yùn)用于水龍頭之上，利用自動(dòng)回位時(shí)產(chǎn)生的旋轉(zhuǎn)帶動(dòng)簧片，與凸點(diǎn)接觸后產(chǎn)生震動(dòng)，演奏出美妙的音樂(lè)。使得使用者擁有更好的人機(jī)交互體驗(yàn)。

3.3 結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，制作成本低

目前市場(chǎng)上各類(lèi)智能水龍頭價(jià)格飆升，難以廣泛應(yīng)用于日常生活中，再者市場(chǎng)上水龍頭結(jié)構(gòu)復(fù)雜難以維修，更換則需要更加昂貴的費(fèi)用，而該作品結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，成本低廉，價(jià)格實(shí)惠，維修簡(jiǎn)單方便，憑簡(jiǎn)易的結(jié)構(gòu)便能實(shí)現(xiàn)目前市場(chǎng)上諸多智能水龍頭的功能。

4、應(yīng)用前景

水資源的節(jié)約目前已成為社會(huì)關(guān)注的熱點(diǎn)問(wèn)題，市場(chǎng)上也出現(xiàn)了電子感應(yīng)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(jià)格昂貴且難以維修維護(hù)，因此其應(yīng)用并未普及到各家各戶，而只限于餐廳、影院等公共消費(fèi)場(chǎng)所。新型發(fā)條式停水自閉龍頭應(yīng)運(yùn)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(shí)間稍長(zhǎng)，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(jiàn)，在市場(chǎng)上有售，價(jià)格實(shí)惠且無(wú)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(shì)。

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