新型节水龙头的设计

陈义厚 （长江大学机械工程学院，湖北 荆州434025）

我国水资源贫乏，使用节水龙头可以达到节水的目的。水龙头是日常生活中一个不可缺少的家居产品，而一个普通水龙头和一个节水龙头相比，出水量大大不同。当前人们在使用普通水龙头时经常出现停水忘关、关不严等现象。本设计主要源于节约用水、避免浪费的社会需要，设计了具有如下功能的新型节水龙头：①按钮开关，改变了传统旋转式或摇动式开闭水龙头方式，解决了使用过程中关不严、滴水等漏水问题；②分级调节出水量，大小两档水量可供用户根据用水时的具体情况自由选择；③停水自闭，解决用水时突然停水而没关水龙头或停水时打开水龙头见没水而忘记关闭等问题。

1 结构及工作原理

该新型节水龙主要由壳体、连动销、阀盖、弹簧、连杆活塞、轴齿、棘轮、阀座、挡块、密封垫圈等组成［1］，如图1所示。

1.1 按钮式开关

该新型节水龙头采用按钮式开关，其原理来源于棘轮进给机构。零件7、8、9、10、11、13、14、15、16、17、18组成按钮装置。当按柄11被按下去的时候，连杆活塞8下移，使轴齿9与棘轮15啮合旋转一个齿，即使棘轮15逆时针转动一个齿的角度，同时也使扭弹簧16发生扭转变形。止动爪14将棘轮15轮齿卡住，防止棘轮15反转，密封垫片22与活塞连杆8分离，水龙头处于正常大档开启供水状态（图1）。发生此过程时，圆柱形档块18也随连杆活塞8下移，使弹簧7发生压缩变形。当按柄11被再次按下去的时候，连杆活塞8再往下移，使轴齿9与棘轮15再啮合旋转一个齿，使棘轮15再逆时针转动一个齿的角度，同时也使扭弹簧16再次发生扭转变形。止动爪14将棘轮15轮齿卡住，此时水龙头处于正常小档开启供水状态，弹簧7再次由圆柱形档块18的下移而发生压缩变形。要关闭水龙头时，只需再按下按柄11，此时圆柱形档块10随连杆活塞8下移，压下止动爪14后端，使止动爪14逆时针翘起（止动爪14与其轴13之间为松连接），扭弹簧16马上复位，带动棘轮15反转，反向啮合轴齿9，将连杆活塞8往上推动。密封垫片22与活塞连杆8贴紧，水龙头处于关闭状态。发生此过程时弹簧7也要复位，推动圆柱形档块18上移，进而帮助推动连杆活塞8上移，而且此时水压也会帮忙推动连杆活塞8上移，所以关闭水龙头时所作用于按柄11上的力不会大。水龙头关闭时水压力越大密封性能越好。

图1 结构与工作原理

该按钮式开关改变了传统旋转式和摇摆式开关水龙头方式，打破了现行水龙头的启闭结构，变旋转运动为直线运动。按钮式开启和关闭水龙头，解决了使用过程中关不严、滴水及漏水问题。

1.2 分级调节出水量

根据个人的用水习惯及用水时的具体情况分级调节出水量。本设计分为2级调节出水量。如图1所示，当按柄11第一次被按下去的时候，连杆活塞8尾部与密封垫片22分离，水龙头处于开启状态，且此时出水量最大，为大档。当按柄11第二次被按下去的时候，圆台形挡块5靠近密封垫片22，减小连杆活塞8其轴与密封垫片22之间的间隙，即减小通过间隙之间的水流量，进而使水龙头的出水量减小，达到小档。

本设计利用圆台形档块减小水流量，分2级调节出水量，只需稍做修改还可以做成多级调节出水量。解决了用户根据用水时的具体情况而采用不同用水量的调节问题。

若需要无级调节水流量，只需在水龙头出水嘴部加装一个市面上买得到的水流调节器即可。将挡块15设计成圆台形的目的是在换档的时候，使水流变化较为平稳。

1.3 停水自闭

停水自闭功能是在停水时利用弹簧2释放出来的能量推动活塞26堵死进水口。在水龙头开启的状态下，连动销3被压下顶死活塞26（图2所示为水龙头处于大档开启停水自闭状态）。此时如果来水，水压无法推动活塞26，水龙头处于开启状态亦不会出水，达到了停水自闭的功能。此时若需要用水，只需按2次按钮关闭水龙头，连动销3在连杆活塞8及其作用下向上被拔起，活塞26在水压下被往左推。再次按下按钮开启水龙头，此时连动销3并不会落到图示活塞26槽的位置，而是偏向右边的槽，这样便处于正常供水状态。弹簧4的弹力只需要在停水时能使连动销3自动锁入活塞26左边槽即可。

图2 大档开启停水自闭状态

停水后弹簧2迅速把活塞26推至阻塞位，堵死进水口，水龙头在开启状态下连动销3能自动锁死活塞26，使供水通路关闭。解决了用水时突然停水而没关水龙头或停水时打开水龙头见没水而忘记关闭等造成的水漫金山问题。

2 几个典型零件的设计

2.1 壳体1的结构尺寸设计

壳体1选用铸锡青铜［2，3］材料。这种材料切削加工性能好，适用于成型铸造和离心铸造。其设计尺寸如图3所示。

2.2 活塞26的结构尺寸设计

活塞26选用普通黄铜H62材料。这种材料硬度较低、容易切削且价格便宜，不容易被腐蚀和氧化，经过多次抛光后有利于电镀［4］。其结构图如图4所示。

2.3 棘轮15的结构尺寸设计

轴13、止动爪14、棘轮15和轴17选用铸铝青铜（ZQAL10－3－1.5）材料。这种材料适用于制造高强度、高耐磨性、高耐蚀性的零件，如蜗轮、螺母、轴套、齿轮及制造棒材、管材、铸件和防锈零件等［4］。棘轮的结构如图5 所示。棘轮齿数Z＝8、周节t＝0.25cm 、 模 数m＝0.07962cm、直径D＝2cm、齿厚s＝5mm。

图3 壳体的结构尺寸

图4 活塞的结构尺寸

3 结语

安装本新型节水龙头时只要将其与普通水管相连接即可。使用时同使用按钮式圆珠笔类似，按下去开启，此时水流量最大（大档）；再按下水流量减小（小档）；再按下关闭。若使用时停水，活塞26将被弹簧2推至阻塞位，此时连动销3会被活塞26推动沿斜面上升最终进入活塞26的左边腔锁死活塞26，从而使供水通路关闭。停水过程中，若有人将水龙头开启而未关闭，这时连动销3也会自动锁入活塞26左边腔，使供水通路始终保持关闭状态。

图5 棘轮的结构尺寸

本设计为新型环保节水产品，城乡居民、公共场所和学校政府机关等处均能适用，具有如下特点：①新型节水龙头采用独特、超前的理念专为节水而特殊设计。集传统与高雅、实用与智能相统一，传播绿色环保的节水新文化，体现使用者超前的节约意识；②选材严谨，工艺精细。水龙头内部阀芯采用优质黄铜精密制造，结构科学，智能环保；外部阀体为铜合金制造，坚固耐用，性能可靠；外表层为电镀锌合金，手感舒适，美观大方；③按钮操作使用方便，使用方法与使用按钮式圆珠笔类似，按下去开启（大档），再按下（小档），再按下关闭。停水后忘关或停水时开启后忘关会自动关闭，高效节水，为用户节省水费；④顺水流关闭，垂直密封取代摩擦密封，磨损自补不易滴漏，且停水时会自动关闭供水通路。不需用电也无需感应及其他任何动力，安装方法与普通水龙头完全一样。

［1］陆培文.阀门选用手册 ［M］.北京：机械工业出版社，2001：199～200.

［2］成大先.机械设计手册 ［M］.北京：化学工业出版社，2004：254～255.

［3］刘天模，徐天梓.工程材料 ［M］.北京：机械工业出版社，2001：124～127.

［4］郭芝俊、左宝山.机械便览 ［M］.天津：天津科学技术出版社，2004：157～158.