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        發(fā)條式節(jié)水音樂水龍頭研究

        2016-05-30 18:29:27董珮瑤
        水能經(jīng)濟 2016年3期
        關鍵詞:水龍頭節(jié)水

        【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。

        參考文獻:

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        [6]謝佳婷.水龍頭頻拿“節(jié)水”當噱頭.[N]北京商報,2012.11.15.

        [7] 竺韻德,莊表中.八音琴音片的研究與制造.中國機械工程,1995,(6).

        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。

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