新型双调节水水龙头的设计

苏鑫城，蔡伟双，蔡小梦

（韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关512005）

新型双调节水水龙头的设计

苏鑫城，蔡伟双，蔡小梦*

（韶关学院物理与机电工程学院，广东 韶关512005）

摘要：这种新型的水龙头内部设有两个并联的通水孔道，这两个通水孔道的最大出水量有所不同.通过旋转或按压水龙头扳手，可以分别对两个通水孔道的启闭实施控制，与传统的采用陶瓷阀芯的扳手式水龙头相比，该水龙头不但开启闭合快捷方便，而且水量调节更加稳定，方便使用并可带来较好的节水的效益.

关键词：水龙头；节水；阀门

水资源是一种不可替代的战略性自然资源，是改善人类生存环境、实现经济社会可持续发展的重要保障.目前，我国经济社会已处于全面转型阶段，但至今水资源短缺态势仍十分严峻，如何强化水资源保护，加大节水技术/设备研究开发，提高水资源利用率，已经得到国家和全社会的高度关注和重视［1-2］.

水龙头是常见的水工器件.目前普通家用水龙头大多已由采用螺旋式开启的老式水龙头升级为内部采用陶瓷阀芯的扳手式水龙头，该水龙头内部由阀体、静阀片、动阀片和转芯等零件组成.静阀片固定安装在阀体内，动阀片与静阀片各开有通水孔并互相贴合，转芯下端通过拨叉卡接在动阀片上.当转动转芯时，动阀片转动，当动阀片与静阀片的通水孔贯通/错位时，即可达到启闭和调节出水量的目的.受陶瓷静阀片和动阀片的结构限制，转芯的转动最大角度小于90°，导致阀门启闭比较灵敏，但是水量大小的调节比较费事，在使用时，无法快速地调控到理想的出水量，从而造成不必要的水资源浪费.

针对上述问题，根据人们日常用水的习惯，对现有的节水水龙头的阀芯进行了创新设计和优化，研制了新型双调节水水龙头.新型双调节水水龙头可以根据用水的实际需要，通过水龙头扳手的不同动作，实现出水的双调控.它不但保持了陶瓷阀芯的扳手式水龙头原有的优点，而且水量调节更加稳定快捷，方便使用并可带来较好的节水的效益.

1　　新型双调节水水龙头工作原理

所谓新型双调节水水龙头实际上是在传统水龙头陶瓷芯阀的基础上，在其旁侧设置第二个通水孔道，并由自闭截门型启闭机构控制，如图1所示.当旋转水龙头的手柄时，通过转芯，将带动第一个通水孔道水量调节启闭机构中的陶瓷动阀片转动，实现其出水量的启闭和控制，此时最大出水量取决于动阀片与静阀片上扇形通水孔的面积.若下压水龙头的手柄，整个手柄将以销钉为支点，通过压辊、弧形承压片、弹簧等，促使阶梯轴拉杆以及启闭块产生轴向运动，实现第二个通水孔道的启闭.撤去外力时，弹簧将使阶梯轴拉杆自动回位，第二个通水孔道关闭.

新型双调节水水龙头的性能特点是，第一个中央通水孔道的最大出水量较小，为目前市售家用水龙头的最大出水量的30%~70%，在其旁侧设置的第二个通水孔道的最大出水量与目前市售家用水龙头相同.此设计很好解决了目前家用水龙头启闭比较灵敏，但水量调节比较困难，无法快速地调控到理想出水量的难题，方便使用，较好解决了由此造成的水资源浪费.

2　　技术关键及设计制作

由于在新型双调节水水龙头阀体中设置了两个相对独立通水孔道，并配有各自的启闭机构，因此，其内部结构远比传统水龙头紧凑复杂，为了工作进度，笔者为第一个通水孔道选用了目前市售的普通陶瓷芯阀组件，采用胶黏剂封堵了其中静阀片上扇形通水孔的部分面积，由于普通陶瓷芯阀组件在整个阀体中占据的体积较大，这样做虽然会使试制品的整个阀体强度有所削弱，但是，因为陶瓷动阀片与静阀片的通水孔面积减少可使普通陶瓷芯阀组件的直径适当缩小2~3 mm，考虑到今后大批量生产，因此，在技术和经济方面具有合理性.

新型双调节水水龙头设计的重点在于第二个通水孔道及启闭机构的设计.对于启闭块，其形状可以是阶梯型和圆锥形等多种形式，材料可以是橡胶或者其它高分子材料等.考虑到在水压较高、流速较快的情况下，如果采用阶梯型结构，第二个通水孔道的水流路径相对比较复杂，流动阻力较大，容易出现共振共鸣的现象，所以选择了圆锥形的启闭块，该设计的另一个好处是，在相同的轴向压力下，启闭块与阀体之间可以获得更大的接触压力，有利于启闭块与阀体之间密闭.

在材料选择方面，通过对比，选用了金属加外包低硬度聚氨酯弹性体.热塑性聚氨脂是一种新型的有机高分子合成材料,突出的特点是耐磨性优异、弹性好、耐老化性优于橡胶，耐低温，有良好的耐油、耐化学药品和耐环境性能［3］.

新型双调节水水龙头设计的难点在于阶梯拉伸轴的密封.由于目前的水龙头在出水口一般会安装起泡器，增大了流动阻力，因此，在两个阀芯出口至水龙头出口的整个流程在阀体开启时基本处于微正压状态，如果在阶梯拉伸轴与阀体之间没有采取密封措施，水将从它们之间的间隙中溢出.本设计中阶梯拉伸轴的轴径只有6 mm，因此，在众多的轴向密封方法中［4］，采用O型密封圈轴向密封可能是唯一经济可行的.受制于阀体上部空间的限制，回位弹簧的尺寸和弹性力有限，因此，要求阶梯拉伸轴在沿轴向运动时，阻力必须得到控制，以保证其运动的灵活性.这就要求O型密封圈除了满足密封要求以外，需要尽量降低O型密封圈与孔壁的运动摩擦阻力.为此，我们采用的方法包括：（1）提高拉伸轴和孔的动配合精度，适当增大阶梯拉伸轴的长度，插入至阀体底部座套内，以提高阶梯拉伸轴轴向运动的稳定性，防止机械卡滞情况的发生；（2）采用中低硬度材质的O型密封圈，降低机械加工精度对O型密封圈与孔壁摩擦力的敏感性，通过实验，优化拉伸轴上O型密封圈安置沟槽的尺寸与精度.

为保证装配精度和使用寿命，阀体宜采用黄铜铸造+机械加工工艺，阶梯拉伸轴等部件采用304不锈钢制作，水龙头的外壳则购买目前市售的产品，降低了制作成本.

图1　水龙头内部结构

3　　结语

新型双调节水水龙头以其内部阀芯的独特设计，实现了中小水量大小的精准快速调节和大流量的迅即开启，可以更好地满足控制出水量的使用需求.根据产品的性能特点，新型双调节水水龙头特别适合用于家庭厨房和卫生间涮洗等场合，经初步试用对比，与普通家用水龙头相比，在上述应用场合，新型双调节水水龙头可节水15%左右.以三口之家为例，若每月用水总量为20~30 t，家庭厨房和卫生间涮洗水龙头用水占比为10%计算，则每月可节水300~450 kg，一年可以节省3.6~5.4 t水，按广州1 t自来水3.8元钱计算，一家三口每年可以节省用水水费超过10元，具有较明显的节水效果.只要合理控制生产成本，每个新型双调水节水龙头的生产成本至多提高10～15元，按照前述的家庭节水计算，不到2年的使用期，即可收回成本.具有显著环保价值和广阔的市场前景.

参考文献:

［1］陈志凯.中国水资源的可持续利用问题［D］．北京：中国水利水电科学研究院，2003.

［2］陈文科.转型中国水危机的多维思考［J］.江汉论坛：2013(2)：63-70.

［3］佚名.聚氨脂入门大学堂［J］.聚氨酯，2010(10)：26-34.

［4］成大先.机械设计手册：第二卷［M］.3版.北京：化学工业出版，1993.

（责任编辑：李婉）

中图分类号：TH122

文献标识码：A

文章编号：1007-5348（2015）08-0034-03

［收稿日期］2015-04-10

［基金项目］2014年韶关学院大学生创新创业训练计划校级立项项目（Sycxcy2014-071）.

［作者简介］苏鑫城（1994-），男，广东潮州人，韶关学院物理与机电工程学院学生；研究方向：机械原理设计.*通讯作者

Design of a New Double Adjusting Stopcock with Water Saving Function

SHU Xin-cheng,CAI Wei-shuang,CAI Xiao-meng*
（Institute of Physics and Mechanical＆Electrical Engineering,Shaoguan University，Shaoguan 512005,Guangdong,China）

Abastract：This paper introduces design and production process of a new double adjusting stopcock with water saving function.There are two parallel water pore passages in the new-style stopcock.Maximal water flow of two water pore passages is different.When the lever of the stopcock is rotated or pressed,opening and closing of two water pore passages may be controlled separately.Compared with traditional lever-style stopcock with ceramic valve core，the opening and closing of the new-style stopcock is quick and convenient,also the regulation of its water rate becomes more stable.As a result,it brings more convenience for our life and has a good watersaving benefits.

Key words：stopcock;water saving;valve