自動回復式檔位水龍頭

李中秋，史俊杰，李曉俊

西南交通大學機械工程學院，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，我國尤為嚴重。因此，樹立節水意識，并切實將節水落實到生活中去已經刻不容緩。事實上，隨著人們節水意識的增強，各大公司已經紛紛開發出了相應的節水產品。水龍頭是其中一種。現在市面上的節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節水模式。另一種改變口徑，減少單位時間的流量，加上自動延時復位做成的自動延時關閉的節水模式。

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。而自動延時關閉水龍頭，自動延時關閉設計售價很高，且流量變得很小，生產成本高，不能進行相應調節，因此不能滿足普通家庭的用水需求。

1.2 研究意義

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

2 設計方案

2.1 總體設計方案

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

圖1

2.2 自動回復功能

本作品將普通塑料水龍頭的閥桿加長并在其上套一扭轉彈簧，彈簧下端插入閥芯上的六角螺母內，上端插入閥蓋頂部；當轉動水龍頭手柄時，由于彈簧會隨著手柄的轉動而轉動，從而發生扭轉，產生一定的扭矩；當用戶松開手后，手柄便會在該扭矩的作用下自動回復至關閉狀態。

2.3 檔位的實現

本作品在普通水龍頭的基礎上設置了三個檔位，手柄每轉過30 度為一檔，其出水量依次增大，其原理是：在閥蓋內部嵌入一個橡皮圈，其內邊緣為波浪形，使其凹槽處剛好能卡住閥芯上的六角螺母，當手柄每轉過30°時，六角螺母的棱邊擠壓橡皮圈內邊緣的凸起處使之發生變形并產生一定的摩擦力，從而使人產生費力的感覺，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，轉過90°時即為最高檔三檔。

2.4 鎖死裝置

當用戶需要較大用水量時，為了阻止手柄的自動回復以保持恒定流量，本作品在殼體上端邊緣處設置了三個凹槽（以下稱之為銷孔），其位置剛好與三個檔位相對應，閥蓋外設計了一個可以上下移動的嵌入式銷子，當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的銷孔內，從而阻止手柄的自動回復；用完水后，將銷子撥上來，即可關閉水龍頭。

3 可行性分析

3.1 水龍頭效率分析

3.1.1 水流量調查

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

調查結果如下表所示：

根據上表可知，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

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 水龍頭中扭轉彈簧的原理分析

本水龍頭利用的是彈簧的扭轉力。當水龍頭轉過90°時，即從關閉到開啟，彈簧得到彈性勢能。在90°方位處，當使用銷子將手柄鎖死時，水龍頭保持恒定流量；當撥出銷子以后，鎖死解除，水龍頭內部的彈簧收縮，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關閉狀態。

1）經過分析與計算，我們得到了扭轉彈簧回復時間關于扭轉角度的函數關系（忽略摩擦阻力）：

采用MATLAB 繪圖，可以得到回復時間與彈簧扭轉角度的關系為：

圖2

圖3

2）經過分析與計算，我們得出了扭轉彈簧回復時間與流水量的關系（忽略摩擦阻力）：

設在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，可以得到回復時間與彈簧扭轉角度的關系如圖3 所示。

3.2 節水量的分析

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

[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.扭簧的回復時間計算，浙江電工器材廠.