發條式節水音樂水龍頭研究

【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象，本作品提出一種成本較低而實用的發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條結構來實現水龍頭開關的自動回位，達到節水的效果。該水龍頭利用簡易的機械結構能夠實現自動回位，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，該水龍頭結構簡單，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濟效益。

【關鍵詞：】水龍頭，發條式，停水自閉，節水

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。“滴水”在一個小時里就可以集到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。推廣節水水龍頭的節水器具刻不容緩，但情形不容樂觀。以昆明為例，水嘴節水裝置（又稱節水龍頭）只在昆明主城區、呈貢區及三個開發（度假）區的公共機構中安裝，并沒有在居民家庭中進行推廣。對于節能家電等進行補貼，是國家實施的一項“節能產品惠民工程”，但在節水方面，國家并沒有相關的政策。注重節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的地下水資源后，我國現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，在水資源匱乏地區節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，水資源地區分配失衡更為嚴重，生活生產困難，給國家經濟帶來巨大困難等。

1.2 國內外研究現狀

為了解決水龍頭的水資源浪費現象，目前市面上出現了各種各樣的節水龍頭。常見的有傳統節水水龍頭，感應水龍頭以及全自動水龍頭等。然而，節水龍頭卻存在著推而不廣的情況。零部件的質量阻礙以及成本過高是這種情況出現的根本所在。以感應式水龍頭（HT-HS03DC1）為例，經測試紅外感應龍頭在適用水壓范圍內，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，達到節水型水嘴的要求，與普通龍頭相比節水約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整沖洗時間，才能達到較理想的沖洗效果和節水要求。

另一方面，市面上的節水龍頭質量良莠不齊。國家質檢總局曾針對節水性能對水龍頭等節水產品展開了一場調查，而這次對水龍頭的抽查主要是根據國家強制性標準——《陶瓷片密封水嘴》，對產品的管螺紋精度、酸性鹽霧試驗、流量等與節水性能密切相關的8個項目進行檢驗。調查結果顯示，抽檢的150個水龍頭產品中，有32種產品不符合標準規定，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象，本作品提出一種新型經濟高效且應用范圍廣的發條式停水自閉水龍頭，基于發條裝置自動回復的原理，以發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。擰動八音盒的發條，發條彈簧在實現機械能和彈性勢能的轉化過程中自動回位，并帶動八音盒里的滾筒和梳齒轉動使裝置發出音樂。為此，聯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自動回位和播放音樂，用簡單的結構解決了日常生活中忘關水龍頭造成浪費水的問題。

本作品利用發條彈簧來帶動轉筒，把勢能換成機械能，再利用轉筒上的凸點來撥動音片上的音條，使音條振動從而發出聲響。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筒的凸點分布，則轉筒旋轉時以一定的次序和時間撥動音片上的音條，人們就能聽到優美動聽的音樂曲調。

2.2 主要部件結構說明

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，讓本作品還能實現水流的持續出流，滿足多種情況需求。

內部主要部件包括發條軸、發條彈簧、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）發條彈簧：是本作品的內部結構重點，位于支撐板上方。一端固定，另一端在受到力矩作用時產生彎曲彈性變形，使發條逐漸盤到中間的方形發條軸上，從而在自身平面內產生扭轉。在力矩作用消失后，發條在自身內力作用下慢慢松開，回復到初始位置。

（2）音筒及音片：為主要的發音構件，位于支撐板上方。音片為梳齒結構，由長短不一的多個鋼制簧片組成，固結于轉軸上，能隨著轉軸一起轉動。音筒為固結于分隔板之上，以轉軸為中心軸的空心圓筒，在圓筒內壁有按照節奏規律分布的凸點。當轉軸轉動時，凸點激發簧片產生自由振動，發出動聽的樂聲。

（3）陶瓷閥芯：位于支撐板下方，通過轉軸與發條彈簧等結構相連，轉芯能隨著轉軸一起轉動。當旋轉轉芯的時候，轉芯下端的撥叉帶動動閥片轉動，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，讓水從轉芯上的通孔流出，之后在發條彈簧內力帶動下恢復至原來位置，實現自動停水。

（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部分。鎖死扭桿位于轉軸上端。正常使用時，扭桿能隨轉軸一起轉動。需要大量用水時，只要在水龍頭處于出流狀態時將扭桿傾斜，固定在凹槽內，就能利用扭桿與凹槽間的作用力與發條彈簧內力產生的力矩平衡，使水龍頭保持在當前出流狀態，在結束使用后，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。

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。新型發條式停水自閉龍頭就可以防止這種情況的發生。

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

2.3.2 使用可行性

新型發條式停水自閉龍頭結構簡單，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美的音樂，令人心情愉悅。

2.3.3 經濟可行性

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

3、創新特色

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

3.1 純機械裝置實現停水自閉

目前市面上節水龍頭實現自動控制出水的裝置都存在種種缺點，尤其是在成本經濟方面。本產品通過對發條的創新性使用，使得成本大大降低。發條造價低廉，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，利用自動回位時產生的旋轉帶動簧片，與凸點接觸后產生震動，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 結構簡單，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構復雜難以維修，更換則需要更加昂貴的費用，而該作品結構簡單，成本低廉，價格實惠，維修簡單方便，憑簡易的結構便能實現目前市場上諸多智能水龍頭的功能。

4、應用前景

水資源的節約目前已成為社會關注的熱點問題，市場上也出現了電子感應式節水水龍頭、按壓式節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。新型發條式停水自閉龍頭應運而生。

新型發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，新型發條式停水自閉龍頭有阻止回位的裝置，可根據需要使水龍頭持續出水，十分人性化。

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

新型發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省水資源，符合可持續發展的趨勢。

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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。