新型節(jié)水龍頭的設(shè)計(jì)

陳義厚 （長(zhǎng)江大學(xué)機(jī)械工程學(xué)院，湖北 荊州434025）

我國(guó)水資源貧乏，使用節(jié)水龍頭可以達(dá)到節(jié)水的目的。水龍頭是日常生活中一個(gè)不可缺少的家居產(chǎn)品，而一個(gè)普通水龍頭和一個(gè)節(jié)水龍頭相比，出水量大大不同。當(dāng)前人們?cè)谑褂闷胀ㄋ堫^時(shí)經(jīng)常出現(xiàn)停水忘關(guān)、關(guān)不嚴(yán)等現(xiàn)象。本設(shè)計(jì)主要源于節(jié)約用水、避免浪費(fèi)的社會(huì)需要，設(shè)計(jì)了具有如下功能的新型節(jié)水龍頭：①按鈕開(kāi)關(guān)，改變了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式或搖動(dòng)式開(kāi)閉水龍頭方式，解決了使用過(guò)程中關(guān)不嚴(yán)、滴水等漏水問(wèn)題；②分級(jí)調(diào)節(jié)出水量，大小兩檔水量可供用戶根據(jù)用水時(shí)的具體情況自由選擇；③停水自閉，解決用水時(shí)突然停水而沒(méi)關(guān)水龍頭或停水時(shí)打開(kāi)水龍頭見(jiàn)沒(méi)水而忘記關(guān)閉等問(wèn)題。

1 結(jié)構(gòu)及工作原理

該新型節(jié)水龍主要由殼體、連動(dòng)銷、閥蓋、彈簧、連桿活塞、軸齒、棘輪、閥座、擋塊、密封墊圈等組成［1］，如圖1所示。

1.1 按鈕式開(kāi)關(guān)

該新型節(jié)水龍頭采用按鈕式開(kāi)關(guān)，其原理來(lái)源于棘輪進(jìn)給機(jī)構(gòu)。零件7、8、9、10、11、13、14、15、16、17、18組成按鈕裝置。當(dāng)按柄11被按下去的時(shí)候，連桿活塞8下移，使軸齒9與棘輪15嚙合旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒，即使棘輪15逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒的角度，同時(shí)也使扭彈簧16發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。止動(dòng)爪14將棘輪15輪齒卡住，防止棘輪15反轉(zhuǎn)，密封墊片22與活塞連桿8分離，水龍頭處于正常大檔開(kāi)啟供水狀態(tài)（圖1）。發(fā)生此過(guò)程時(shí)，圓柱形檔塊18也隨連桿活塞8下移，使彈簧7發(fā)生壓縮變形。當(dāng)按柄11被再次按下去的時(shí)候，連桿活塞8再往下移，使軸齒9與棘輪15再嚙合旋轉(zhuǎn)一個(gè)齒，使棘輪15再逆時(shí)針轉(zhuǎn)動(dòng)一個(gè)齒的角度，同時(shí)也使扭彈簧16再次發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。止動(dòng)爪14將棘輪15輪齒卡住，此時(shí)水龍頭處于正常小檔開(kāi)啟供水狀態(tài)，彈簧7再次由圓柱形檔塊18的下移而發(fā)生壓縮變形。要關(guān)閉水龍頭時(shí)，只需再按下按柄11，此時(shí)圓柱形檔塊10隨連桿活塞8下移，壓下止動(dòng)爪14后端，使止動(dòng)爪14逆時(shí)針翹起（止動(dòng)爪14與其軸13之間為松連接），扭彈簧16馬上復(fù)位，帶動(dòng)棘輪15反轉(zhuǎn)，反向嚙合軸齒9，將連桿活塞8往上推動(dòng)。密封墊片22與活塞連桿8貼緊，水龍頭處于關(guān)閉狀態(tài)。發(fā)生此過(guò)程時(shí)彈簧7也要復(fù)位，推動(dòng)圓柱形檔塊18上移，進(jìn)而幫助推動(dòng)連桿活塞8上移，而且此時(shí)水壓也會(huì)幫忙推動(dòng)連桿活塞8上移，所以關(guān)閉水龍頭時(shí)所作用于按柄11上的力不會(huì)大。水龍頭關(guān)閉時(shí)水壓力越大密封性能越好。

圖1 結(jié)構(gòu)與工作原理

該按鈕式開(kāi)關(guān)改變了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式和搖擺式開(kāi)關(guān)水龍頭方式，打破了現(xiàn)行水龍頭的啟閉結(jié)構(gòu)，變旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)為直線運(yùn)動(dòng)。按鈕式開(kāi)啟和關(guān)閉水龍頭，解決了使用過(guò)程中關(guān)不嚴(yán)、滴水及漏水問(wèn)題。

1.2 分級(jí)調(diào)節(jié)出水量

根據(jù)個(gè)人的用水習(xí)慣及用水時(shí)的具體情況分級(jí)調(diào)節(jié)出水量。本設(shè)計(jì)分為2級(jí)調(diào)節(jié)出水量。如圖1所示，當(dāng)按柄11第一次被按下去的時(shí)候，連桿活塞8尾部與密封墊片22分離，水龍頭處于開(kāi)啟狀態(tài)，且此時(shí)出水量最大，為大檔。當(dāng)按柄11第二次被按下去的時(shí)候，圓臺(tái)形擋塊5靠近密封墊片22，減小連桿活塞8其軸與密封墊片22之間的間隙，即減小通過(guò)間隙之間的水流量，進(jìn)而使水龍頭的出水量減小，達(dá)到小檔。

本設(shè)計(jì)利用圓臺(tái)形檔塊減小水流量，分2級(jí)調(diào)節(jié)出水量，只需稍做修改還可以做成多級(jí)調(diào)節(jié)出水量。解決了用戶根據(jù)用水時(shí)的具體情況而采用不同用水量的調(diào)節(jié)問(wèn)題。

若需要無(wú)級(jí)調(diào)節(jié)水流量，只需在水龍頭出水嘴部加裝一個(gè)市面上買得到的水流調(diào)節(jié)器即可。將擋塊15設(shè)計(jì)成圓臺(tái)形的目的是在換檔的時(shí)候，使水流變化較為平穩(wěn)。

1.3 停水自閉

停水自閉功能是在停水時(shí)利用彈簧2釋放出來(lái)的能量推動(dòng)活塞26堵死進(jìn)水口。在水龍頭開(kāi)啟的狀態(tài)下，連動(dòng)銷3被壓下頂死活塞26（圖2所示為水龍頭處于大檔開(kāi)啟停水自閉狀態(tài)）。此時(shí)如果來(lái)水，水壓無(wú)法推動(dòng)活塞26，水龍頭處于開(kāi)啟狀態(tài)亦不會(huì)出水，達(dá)到了停水自閉的功能。此時(shí)若需要用水，只需按2次按鈕關(guān)閉水龍頭，連動(dòng)銷3在連桿活塞8及其作用下向上被拔起，活塞26在水壓下被往左推。再次按下按鈕開(kāi)啟水龍頭，此時(shí)連動(dòng)銷3并不會(huì)落到圖示活塞26槽的位置，而是偏向右邊的槽，這樣便處于正常供水狀態(tài)。彈簧4的彈力只需要在停水時(shí)能使連動(dòng)銷3自動(dòng)鎖入活塞26左邊槽即可。

圖2 大檔開(kāi)啟停水自閉狀態(tài)

停水后彈簧2迅速把活塞26推至阻塞位，堵死進(jìn)水口，水龍頭在開(kāi)啟狀態(tài)下連動(dòng)銷3能自動(dòng)鎖死活塞26，使供水通路關(guān)閉。解決了用水時(shí)突然停水而沒(méi)關(guān)水龍頭或停水時(shí)打開(kāi)水龍頭見(jiàn)沒(méi)水而忘記關(guān)閉等造成的水漫金山問(wèn)題。

2 幾個(gè)典型零件的設(shè)計(jì)

2.1 殼體1的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

殼體1選用鑄錫青銅［2，3］材料。這種材料切削加工性能好，適用于成型鑄造和離心鑄造。其設(shè)計(jì)尺寸如圖3所示。

2.2 活塞26的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

活塞26選用普通黃銅H62材料。這種材料硬度較低、容易切削且價(jià)格便宜，不容易被腐蝕和氧化，經(jīng)過(guò)多次拋光后有利于電鍍［4］。其結(jié)構(gòu)圖如圖4所示。

2.3 棘輪15的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計(jì)

軸13、止動(dòng)爪14、棘輪15和軸17選用鑄鋁青銅（ZQAL10－3－1.5）材料。這種材料適用于制造高強(qiáng)度、高耐磨性、高耐蝕性的零件，如蝸輪、螺母、軸套、齒輪及制造棒材、管材、鑄件和防銹零件等［4］。棘輪的結(jié)構(gòu)如圖5 所示。棘輪齒數(shù)Z＝8、周節(jié)t＝0.25cm 、 模 數(shù)m＝0.07962cm、直徑D＝2cm、齒厚s＝5mm。

圖3 殼體的結(jié)構(gòu)尺寸

圖4 活塞的結(jié)構(gòu)尺寸

3 結(jié)語(yǔ)

安裝本新型節(jié)水龍頭時(shí)只要將其與普通水管相連接即可。使用時(shí)同使用按鈕式圓珠筆類似，按下去開(kāi)啟，此時(shí)水流量最大（大檔）；再按下水流量減?。ㄐn）；再按下關(guān)閉。若使用時(shí)停水，活塞26將被彈簧2推至阻塞位，此時(shí)連動(dòng)銷3會(huì)被活塞26推動(dòng)沿斜面上升最終進(jìn)入活塞26的左邊腔鎖死活塞26，從而使供水通路關(guān)閉。停水過(guò)程中，若有人將水龍頭開(kāi)啟而未關(guān)閉，這時(shí)連動(dòng)銷3也會(huì)自動(dòng)鎖入活塞26左邊腔，使供水通路始終保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖5 棘輪的結(jié)構(gòu)尺寸

本設(shè)計(jì)為新型環(huán)保節(jié)水產(chǎn)品，城鄉(xiāng)居民、公共場(chǎng)所和學(xué)校政府機(jī)關(guān)等處均能適用，具有如下特點(diǎn)：①新型節(jié)水龍頭采用獨(dú)特、超前的理念專為節(jié)水而特殊設(shè)計(jì)。集傳統(tǒng)與高雅、實(shí)用與智能相統(tǒng)一，傳播綠色環(huán)保的節(jié)水新文化，體現(xiàn)使用者超前的節(jié)約意識(shí)；②選材嚴(yán)謹(jǐn)，工藝精細(xì)。水龍頭內(nèi)部閥芯采用優(yōu)質(zhì)黃銅精密制造，結(jié)構(gòu)科學(xué)，智能環(huán)保；外部閥體為銅合金制造，堅(jiān)固耐用，性能可靠；外表層為電鍍鋅合金，手感舒適，美觀大方；③按鈕操作使用方便，使用方法與使用按鈕式圓珠筆類似，按下去開(kāi)啟（大檔），再按下（小檔），再按下關(guān)閉。停水后忘關(guān)或停水時(shí)開(kāi)啟后忘關(guān)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉，高效節(jié)水，為用戶節(jié)省水費(fèi)；④順?biāo)麝P(guān)閉，垂直密封取代摩擦密封，磨損自補(bǔ)不易滴漏，且停水時(shí)會(huì)自動(dòng)關(guān)閉供水通路。不需用電也無(wú)需感應(yīng)及其他任何動(dòng)力，安裝方法與普通水龍頭完全一樣。

［1］陸培文.閥門(mén)選用手冊(cè) ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：199～200.

［2］成大先.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè) ［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2004：254～255.

［3］劉天模，徐天梓.工程材料 ［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2001：124～127.

［4］郭芝俊、左寶山.機(jī)械便覽 ［M］.天津：天津科學(xué)技術(shù)出版社，2004：157～158.