新型雙調節水水龍頭的設計

蘇鑫城，蔡偉雙，蔡小夢

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

新型雙調節水水龍頭的設計

蘇鑫城，蔡偉雙，蔡小夢*

（韶關學院物理與機電工程學院，廣東 韶關512005）

摘要：這種新型的水龍頭內部設有兩個并聯的通水孔道，這兩個通水孔道的最大出水量有所不同.通過旋轉或按壓水龍頭扳手，可以分別對兩個通水孔道的啟閉實施控制，與傳統的采用陶瓷閥芯的扳手式水龍頭相比，該水龍頭不但開啟閉合快捷方便，而且水量調節更加穩定，方便使用并可帶來較好的節水的效益.

關鍵詞：水龍頭；節水；閥門

水資源是一種不可替代的戰略性自然資源，是改善人類生存環境、實現經濟社會可持續發展的重要保障.目前，我國經濟社會已處于全面轉型階段，但至今水資源短缺態勢仍十分嚴峻，如何強化水資源保護，加大節水技術/設備研究開發，提高水資源利用率，已經得到國家和全社會的高度關注和重視［1-2］.

水龍頭是常見的水工器件.目前普通家用水龍頭大多已由采用螺旋式開啟的老式水龍頭升級為內部采用陶瓷閥芯的扳手式水龍頭，該水龍頭內部由閥體、靜閥片、動閥片和轉芯等零件組成.靜閥片固定安裝在閥體內，動閥片與靜閥片各開有通水孔并互相貼合，轉芯下端通過撥叉卡接在動閥片上.當轉動轉芯時，動閥片轉動，當動閥片與靜閥片的通水孔貫通/錯位時，即可達到啟閉和調節出水量的目的.受陶瓷靜閥片和動閥片的結構限制，轉芯的轉動最大角度小于90°，導致閥門啟閉比較靈敏，但是水量大小的調節比較費事，在使用時，無法快速地調控到理想的出水量，從而造成不必要的水資源浪費.

針對上述問題，根據人們日常用水的習慣，對現有的節水水龍頭的閥芯進行了創新設計和優化，研制了新型雙調節水水龍頭.新型雙調節水水龍頭可以根據用水的實際需要，通過水龍頭扳手的不同動作，實現出水的雙調控.它不但保持了陶瓷閥芯的扳手式水龍頭原有的優點，而且水量調節更加穩定快捷，方便使用并可帶來較好的節水的效益.

1　　新型雙調節水水龍頭工作原理

所謂新型雙調節水水龍頭實際上是在傳統水龍頭陶瓷芯閥的基礎上，在其旁側設置第二個通水孔道，并由自閉截門型啟閉機構控制，如圖1所示.當旋轉水龍頭的手柄時，通過轉芯，將帶動第一個通水孔道水量調節啟閉機構中的陶瓷動閥片轉動，實現其出水量的啟閉和控制，此時最大出水量取決于動閥片與靜閥片上扇形通水孔的面積.若下壓水龍頭的手柄，整個手柄將以銷釘為支點，通過壓輥、弧形承壓片、彈簧等，促使階梯軸拉桿以及啟閉塊產生軸向運動，實現第二個通水孔道的啟閉.撤去外力時，彈簧將使階梯軸拉桿自動回位，第二個通水孔道關閉.

新型雙調節水水龍頭的性能特點是，第一個中央通水孔道的最大出水量較小，為目前市售家用水龍頭的最大出水量的30%~70%，在其旁側設置的第二個通水孔道的最大出水量與目前市售家用水龍頭相同.此設計很好解決了目前家用水龍頭啟閉比較靈敏，但水量調節比較困難，無法快速地調控到理想出水量的難題，方便使用，較好解決了由此造成的水資源浪費.

2　　技術關鍵及設計制作

由于在新型雙調節水水龍頭閥體中設置了兩個相對獨立通水孔道，并配有各自的啟閉機構，因此，其內部結構遠比傳統水龍頭緊湊復雜，為了工作進度，筆者為第一個通水孔道選用了目前市售的普通陶瓷芯閥組件，采用膠黏劑封堵了其中靜閥片上扇形通水孔的部分面積，由于普通陶瓷芯閥組件在整個閥體中占據的體積較大，這樣做雖然會使試制品的整個閥體強度有所削弱，但是，因為陶瓷動閥片與靜閥片的通水孔面積減少可使普通陶瓷芯閥組件的直徑適當縮小2~3 mm，考慮到今后大批量生產，因此，在技術和經濟方面具有合理性.

新型雙調節水水龍頭設計的重點在于第二個通水孔道及啟閉機構的設計.對于啟閉塊，其形狀可以是階梯型和圓錐形等多種形式，材料可以是橡膠或者其它高分子材料等.考慮到在水壓較高、流速較快的情況下，如果采用階梯型結構，第二個通水孔道的水流路徑相對比較復雜，流動阻力較大，容易出現共振共鳴的現象，所以選擇了圓錐形的啟閉塊，該設計的另一個好處是，在相同的軸向壓力下，啟閉塊與閥體之間可以獲得更大的接觸壓力，有利于啟閉塊與閥體之間密閉.

在材料選擇方面，通過對比，選用了金屬加外包低硬度聚氨酯彈性體.熱塑性聚氨脂是一種新型的有機高分子合成材料,突出的特點是耐磨性優異、彈性好、耐老化性優于橡膠，耐低溫，有良好的耐油、耐化學藥品和耐環境性能［3］.

新型雙調節水水龍頭設計的難點在于階梯拉伸軸的密封.由于目前的水龍頭在出水口一般會安裝起泡器，增大了流動阻力，因此，在兩個閥芯出口至水龍頭出口的整個流程在閥體開啟時基本處于微正壓狀態，如果在階梯拉伸軸與閥體之間沒有采取密封措施，水將從它們之間的間隙中溢出.本設計中階梯拉伸軸的軸徑只有6 mm，因此，在眾多的軸向密封方法中［4］，采用O型密封圈軸向密封可能是唯一經濟可行的.受制于閥體上部空間的限制，回位彈簧的尺寸和彈性力有限，因此，要求階梯拉伸軸在沿軸向運動時，阻力必須得到控制，以保證其運動的靈活性.這就要求O型密封圈除了滿足密封要求以外，需要盡量降低O型密封圈與孔壁的運動摩擦阻力.為此，我們采用的方法包括：（1）提高拉伸軸和孔的動配合精度，適當增大階梯拉伸軸的長度，插入至閥體底部座套內，以提高階梯拉伸軸軸向運動的穩定性，防止機械卡滯情況的發生；（2）采用中低硬度材質的O型密封圈，降低機械加工精度對O型密封圈與孔壁摩擦力的敏感性，通過實驗，優化拉伸軸上O型密封圈安置溝槽的尺寸與精度.

為保證裝配精度和使用壽命，閥體宜采用黃銅鑄造+機械加工工藝，階梯拉伸軸等部件采用304不銹鋼制作，水龍頭的外殼則購買目前市售的產品，降低了制作成本.

圖1　水龍頭內部結構

3　　結語

新型雙調節水水龍頭以其內部閥芯的獨特設計，實現了中小水量大小的精準快速調節和大流量的迅即開啟，可以更好地滿足控制出水量的使用需求.根據產品的性能特點，新型雙調節水水龍頭特別適合用于家庭廚房和衛生間涮洗等場合，經初步試用對比，與普通家用水龍頭相比，在上述應用場合，新型雙調節水水龍頭可節水15%左右.以三口之家為例，若每月用水總量為20~30 t，家庭廚房和衛生間涮洗水龍頭用水占比為10%計算，則每月可節水300~450 kg，一年可以節省3.6~5.4 t水，按廣州1 t自來水3.8元錢計算，一家三口每年可以節省用水水費超過10元，具有較明顯的節水效果.只要合理控制生產成本，每個新型雙調水節水龍頭的生產成本至多提高10～15元，按照前述的家庭節水計算，不到2年的使用期，即可收回成本.具有顯著環保價值和廣闊的市場前景.

參考文獻:

［1］陳志凱.中國水資源的可持續利用問題［D］．北京：中國水利水電科學研究院，2003.

［2］陳文科.轉型中國水危機的多維思考［J］.江漢論壇：2013(2)：63-70.

［3］佚名.聚氨脂入門大學堂［J］.聚氨酯，2010(10)：26-34.

［4］成大先.機械設計手冊：第二卷［M］.3版.北京：化學工業出版，1993.

（責任編輯：李婉）

中圖分類號：TH122

文獻標識碼：A

文章編號：1007-5348（2015）08-0034-03

［收稿日期］2015-04-10

［基金項目］2014年韶關學院大學生創新創業訓練計劃校級立項項目（Sycxcy2014-071）.

［作者簡介］蘇鑫城（1994-），男，廣東潮州人，韶關學院物理與機電工程學院學生；研究方向：機械原理設計.*通訊作者

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