陳義厚 （長江大學(xué)機械工程學(xué)院，湖北 荊州434025）

我國水資源貧乏，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不可缺少的家居產(chǎn)品，而一個普通水龍頭和一個節(jié)水龍頭相比，出水量大大不同。當(dāng)前人們在使用普通水龍頭時經(jīng)常出現(xiàn)停水忘關(guān)、關(guān)不嚴(yán)等現(xiàn)象。本設(shè)計主要源于節(jié)約用水、避免浪費的社會需要，設(shè)計了具有如下功能的新型節(jié)水龍頭：①按鈕開關(guān)，改變了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式或搖動式開閉水龍頭方式，解決了使用過程中關(guān)不嚴(yán)、滴水等漏水問題；②分級調(diào)節(jié)出水量，大小兩檔水量可供用戶根據(jù)用水時的具體情況自由選擇；③停水自閉，解決用水時突然停水而沒關(guān)水龍頭或停水時打開水龍頭見沒水而忘記關(guān)閉等問題。

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 按鈕式開關(guān)

該新型節(jié)水龍頭采用按鈕式開關(guān)，其原理來源于棘輪進(jìn)給機構(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被按下去的時候，連桿活塞8下移，使軸齒9與棘輪15嚙合旋轉(zhuǎn)一個齒，即使棘輪15逆時針轉(zhuǎn)動一個齒的角度，同時也使扭彈簧16發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。止動爪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啟供水狀態(tài)（圖1）。發(fā)生此過程時，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)一個齒，使棘輪15再逆時針轉(zhuǎn)動一個齒的角度，同時也使扭彈簧16再次發(fā)生扭轉(zhuǎn)變形。止動爪14將棘輪15輪齒卡住，此時水龍頭處于正常小檔開啟供水狀態(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，只需再按下按柄11，此時圓柱形檔塊10隨連桿活塞8下移，壓下止動爪14后端，使止動爪14逆時針翹起（止動爪14與其軸13之間為松連接），扭彈簧16馬上復(fù)位，帶動棘輪15反轉(zhuǎn)，反向嚙合軸齒9，將連桿活塞8往上推動。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)生此過程時彈簧7也要復(fù)位，推動圓柱形檔塊18上移，進(jìn)而幫助推動連桿活塞8上移，而且此時水壓也會幫忙推動連桿活塞8上移，所以關(guān)閉水龍頭時所作用于按柄11上的力不會大。水龍頭關(guān)閉時水壓力越大密封性能越好。

圖1 結(jié)構(gòu)與工作原理

該按鈕式開關(guān)改變了傳統(tǒng)旋轉(zhuǎn)式和搖擺式開關(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)運動為直線運動。按鈕式開啟和關(guān)閉水龍頭，解決了使用過程中關(guān)不嚴(yán)、滴水及漏水問題。

1.2 分級調(diào)節(jié)出水量

根據(jù)個人的用水習(xí)慣及用水時的具體情況分級調(diào)節(jié)出水量。本設(shè)計分為2級調(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候，連桿活塞8尾部與密封墊片22分離，水龍頭處于開啟狀態(tài)，且此時出水量最大，為大檔。當(dāng)按柄11第二次被按下去的時候，圓臺形擋塊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)計利用圓臺形檔塊減小水流量，分2級調(diào)節(jié)出水量，只需稍做修改還可以做成多級調(diào)節(jié)出水量。解決了用戶根據(jù)用水時的具體情況而采用不同用水量的調(diào)節(jié)問題。

若需要無級調(diào)節(jié)水流量，只需在水龍頭出水嘴部加裝一個市面上買得到的水流調(diào)節(jié)器即可。將擋塊15設(shè)計成圓臺形的目的是在換檔的時候，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利用彈簧2釋放出來的能量推動活塞26堵死進(jìn)水口。在水龍頭開啟的狀態(tài)下，連動銷3被壓下頂死活塞26（圖2所示為水龍頭處于大檔開啟停水自閉狀態(tài)）。此時如果來水，水壓無法推動活塞26，水龍頭處于開啟狀態(tài)亦不會出水，達(dá)到了停水自閉的功能。此時若需要用水，只需按2次按鈕關(guān)閉水龍頭，連動銷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。再次按下按鈕開啟水龍頭，此時連動銷3并不會落到圖示活塞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能使連動銷3自動鎖入活塞26左邊槽即可。

圖2 大檔開啟停水自閉狀態(tài)

停水后彈簧2迅速把活塞26推至阻塞位，堵死進(jìn)水口，水龍頭在開啟狀態(tài)下連動銷3能自動鎖死活塞26，使供水通路關(guān)閉。解決了用水時突然停水而沒關(guān)水龍頭或停水時打開水龍頭見沒水而忘記關(guān)閉等造成的水漫金山問題。

2 幾個典型零件的設(shè)計

2.1 殼體1的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

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)計尺寸如圖3所示。

2.2 活塞26的結(jié)構(gòu)尺寸設(shè)計

活塞26選用普通黃銅H62材料。這種材料硬度較低、容易切削且價格便宜，不容易被腐蝕和氧化，經(jīng)過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

軸13、止動爪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

安裝本新型節(jié)水龍頭時只要將其與普通水管相連接即可。使用時同使用按鈕式圓珠筆類似，按下去開啟，此時水流量最大（大檔）；再按下水流量減小（小檔）；再按下關(guān)閉。若使用時停水，活塞26將被彈簧2推至阻塞位，此時連動銷3會被活塞26推動沿斜面上升最終進(jìn)入活塞26的左邊腔鎖死活塞26，從而使供水通路關(guān)閉。停水過程中，若有人將水龍頭開啟而未關(guān)閉，這時連動銷3也會自動鎖入活塞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)計為新型環(huán)保節(jié)水產(chǎn)品，城鄉(xiāng)居民、公共場所和學(xué)校政府機關(guān)等處均能適用，具有如下特點：①新型節(jié)水龍頭采用獨特、超前的理念專為節(jié)水而特殊設(shè)計。集傳統(tǒng)與高雅、實用與智能相統(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；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，按下去開啟（大檔），再按下（小檔），再按下關(guān)閉。停水后忘關(guān)或停水時開啟后忘關(guān)會自動關(guān)閉，高效節(jié)水，為用戶節(jié)省水費；④順?biāo)麝P(guān)閉，垂直密封取代摩擦密封，磨損自補不易滴漏，且停水時會自動關(guān)閉供水通路。不需用電也無需感應(yīng)及其他任何動力，安裝方法與普通水龍頭完全一樣。

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

［2］成大先.機械設(shè)計手冊 ［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：機械工業(yè)出版社，2001：124～127.

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