趙戰(zhàn)鋒，唐徐陽(yáng)

(溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035)

隨著城鎮(zhèn)建設(shè)發(fā)展和人們生活素質(zhì)的提高，抽水馬桶已成為家庭、賓館及公共場(chǎng)所的主要衛(wèi)生潔具。衛(wèi)生間用水量占家庭用水總量約60%左右，其中抽水馬桶的用水量占居民總生活用水量的1/3以上[1－2]。傳統(tǒng)抽水馬桶通常設(shè)有大小2個(gè)檔位的水量排放，使用時(shí)排放出約3或8L水沖入馬桶，對(duì)于有時(shí)水量需求為4到6L時(shí)，往往需要對(duì)小檔位沖刷多次，或按下大檔位排出較多的水，造成了水的浪費(fèi)[3－4]。本研究將傳統(tǒng)馬桶排水機(jī)構(gòu)的兩檔級(jí)排水改造為基于螺旋凸輪驅(qū)動(dòng)的錐形齒排水，能夠?qū)崿F(xiàn)基于旋轉(zhuǎn)角度進(jìn)行無(wú)級(jí)連續(xù)排水。在日常生活中，可以根據(jù)實(shí)際需求排放出合適的水量，節(jié)約用水。新機(jī)構(gòu)的整體大小和排水量兼容傳統(tǒng)馬桶的水箱，可以對(duì)現(xiàn)有馬桶進(jìn)行改造或生產(chǎn)新馬桶，具有十分重要的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)意義。

UG NX軟件是西門子公司的高端計(jì)算機(jī)工業(yè)軟件，廣泛應(yīng)用于工業(yè)產(chǎn)品、機(jī)電設(shè)備的設(shè)計(jì)和制造。它能夠無(wú)縫結(jié)合AutoCAD工程圖，進(jìn)行多實(shí)體三維建模，靈活實(shí)現(xiàn)機(jī)構(gòu)的三維可視化虛擬裝配。本文以UG NX軟件作為三維建模工具，在二維裝配圖和排水量計(jì)算基礎(chǔ)上設(shè)計(jì)馬桶節(jié)水機(jī)構(gòu)。

1 節(jié)水機(jī)構(gòu)工作原理

傳統(tǒng)馬桶的排水機(jī)構(gòu)如圖1所示，套管為控制沖水組件，使用時(shí)通過(guò)壓下按鍵沖水，其排水量由驅(qū)動(dòng)水量大小的2個(gè)按鍵確定，不能實(shí)現(xiàn)自由排水。

圖1 傳統(tǒng)馬桶排水機(jī)構(gòu)

針對(duì)傳統(tǒng)兩檔級(jí)排水機(jī)構(gòu)的局限，本研究設(shè)計(jì)了改進(jìn)型的節(jié)水機(jī)構(gòu)。其主要特點(diǎn)是:將傳統(tǒng)的抽水機(jī)構(gòu)的兩檔排水按鈕，設(shè)計(jì)成無(wú)級(jí)連續(xù)性排水，可根據(jù)實(shí)際用水需求控制適合的排放量。其實(shí)現(xiàn)的核心在于螺旋曲面凸輪機(jī)構(gòu)。凸輪的驅(qū)動(dòng)設(shè)計(jì)成旋轉(zhuǎn)手輪，實(shí)現(xiàn)180°轉(zhuǎn)動(dòng)。凸輪的下表面設(shè)計(jì)成雙螺旋曲面，完成旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)到軸向直線運(yùn)動(dòng)的換向。連續(xù)排水的關(guān)鍵是排水組件，其結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)成錐齒狀，如圖2所示。凸輪螺旋下降過(guò)程中，排水組件錐度嚙合逐步打開(kāi)，馬桶存儲(chǔ)的水由錐齒間排出，流向排水管。

圖2 錐形齒排水組件

無(wú)級(jí)排水馬桶節(jié)水機(jī)構(gòu)的詳細(xì)原理如圖3所示，其動(dòng)態(tài)工作過(guò)程描述如下:

圖3 新型馬桶節(jié)水機(jī)構(gòu)

a.使用者輕輕轉(zhuǎn)動(dòng)手輪1，驅(qū)動(dòng)螺旋凸輪2作旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)。在凸輪旋轉(zhuǎn)平面的下端設(shè)計(jì)有滾珠，保證旋轉(zhuǎn)的順暢并增強(qiáng)其耐磨性。

b.螺旋凸輪2底部曲面設(shè)計(jì)成傾斜角度為21°的雙螺旋線曲面。在凸輪整體作軸向旋轉(zhuǎn)運(yùn)動(dòng)時(shí)，由螺旋曲面推動(dòng)調(diào)節(jié)桿5向下運(yùn)動(dòng)，從而實(shí)現(xiàn)平面內(nèi)旋轉(zhuǎn)到豎直方向的直線運(yùn)動(dòng)變換。手輪旋轉(zhuǎn)角度與調(diào)節(jié)桿的豎直位移關(guān)系如圖4(a)所示。為提高凸輪機(jī)構(gòu)的使用壽命，保證機(jī)構(gòu)的運(yùn)動(dòng)平穩(wěn)，在凸輪螺旋曲面和調(diào)節(jié)桿的滑動(dòng)接觸面之間，設(shè)計(jì)了球形定位珠4。

圖4 旋轉(zhuǎn)動(dòng)態(tài)變化參數(shù)

c.調(diào)節(jié)桿直線向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，推動(dòng)排水組件8向下直線運(yùn)動(dòng)，推動(dòng)錐形齒部件下降，如圖2(b)所示。

d.排水組件15固定在馬桶箱體的下部，屬于固定件。其下表面與組件8呈圓錐形輪齒嚙合。如圖2所示。當(dāng)排水組件的運(yùn)動(dòng)部件向下運(yùn)動(dòng)時(shí)，錐形齒件排水間隙變大，馬桶水及時(shí)排出。水量的多少由運(yùn)動(dòng)部件的位移和沖水時(shí)間確定。此組件是機(jī)構(gòu)無(wú)級(jí)排水的關(guān)鍵。馬桶排水量隨旋轉(zhuǎn)角度的無(wú)級(jí)變化關(guān)系如圖4(b)所示。

e.沖水完成后，用戶停止旋動(dòng)手輪。排水組件在復(fù)位彈簧的作用下上移復(fù)位，錐形齒排水間隙變小至關(guān)閉狀態(tài)。

f為保證凸輪和排水組件在豎直往復(fù)運(yùn)動(dòng)中定向準(zhǔn)確，穩(wěn)定可靠，整個(gè)節(jié)水機(jī)構(gòu)以中心定位軸16，進(jìn)行定位、導(dǎo)向、支撐。

整個(gè)馬桶排水機(jī)構(gòu)實(shí)現(xiàn)了靠旋轉(zhuǎn)手輪無(wú)級(jí)排水，從而能夠排出與實(shí)際需求相當(dāng)?shù)乃?，?jié)約了用水。

2 節(jié)水機(jī)構(gòu)關(guān)鍵參數(shù)

由于傳統(tǒng)馬桶在實(shí)際生活設(shè)施中數(shù)量巨大，馬桶的水箱整體基本固定，為了更好推廣應(yīng)用新型節(jié)水馬桶機(jī)構(gòu)，創(chuàng)造社會(huì)效益，因此機(jī)構(gòu)的整體參數(shù)需要與現(xiàn)有馬桶保持尺寸和體積的完全兼容。經(jīng)對(duì)傳統(tǒng)馬桶的調(diào)查，結(jié)合其水箱大小和馬桶排水的按壓距離，設(shè)計(jì)了直徑為40mm、螺旋變化高度為30mm的螺旋凸輪組件(圖5中的凸輪)，此距離為驅(qū)動(dòng)手輪在旋轉(zhuǎn)180°過(guò)程中的豎直位移變化，同時(shí)也是雙螺旋曲面的螺距。

圖5 三維模型

節(jié)水機(jī)構(gòu)的排水服從伯努利方程規(guī)律，流速可根據(jù)流體在斷面移動(dòng)過(guò)程中其位能、壓能和動(dòng)能之和保持恒定的原理進(jìn)行計(jì)算[5]。對(duì)于貯水高度差為h的馬桶水箱來(lái)說(shuō)，水面頂部總能量和排水處總能量守恒可表示為

式中:z1=h;p1=p2，表示大氣壓強(qiáng);u1=0;z2=0;u2表示待求解的排水口流速。

由此，得出

式中:g為重力加速度，取10m/s2來(lái)計(jì)算;h為水箱水位高度，取為250mm。

由于粘性阻力和排水組件等對(duì)水流的阻力影響，實(shí)際水流速度總會(huì)比式(2)所計(jì)算理想值小。實(shí)踐表明可對(duì)理想流速加一個(gè)系數(shù)進(jìn)行修正[5]，修正系數(shù)記為φ，則實(shí)際流速由式(3)計(jì)算

由經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)確定φ =0.8。

排水量Q是流速與出水口面積的乘積:

出水口面積S的數(shù)值由UG NX軟件測(cè)量錐形齒間面積得到。排水量隨旋轉(zhuǎn)角度的變化關(guān)系如圖4所示。結(jié)果既可確保節(jié)水機(jī)構(gòu)的大小能夠兼容傳統(tǒng)馬桶的安裝，又能滿足實(shí)際沖水量的變化需求。

3 節(jié)水機(jī)構(gòu)三維建模

完成馬桶節(jié)水機(jī)構(gòu)的原理設(shè)計(jì)和關(guān)鍵參數(shù)的確定后，就可以進(jìn)行UG NX三維建模造型。建模充分應(yīng)用軟件的空間曲線和多實(shí)體建模技術(shù)，與二維裝配原理圖無(wú)縫集成。其建模核心過(guò)程如下:

a.新建模型文件，導(dǎo)入dwg裝配文件到三維建模環(huán)境下。通過(guò)移動(dòng)、變換命令將圖元放置到合適的位置。結(jié)合組件的三維要求，創(chuàng)建空間螺旋線。

b.應(yīng)用拉伸、旋轉(zhuǎn)、掃掠等命令創(chuàng)建節(jié)水機(jī)構(gòu)的組件。在裝配管理上，將每個(gè)建模完成的組件實(shí)體移動(dòng)到單一固定圖層。

c.應(yīng)用對(duì)象顯示命令，對(duì)創(chuàng)建的組件實(shí)體進(jìn)行顏色和透明度的渲染處理。

d.使用變換命令，對(duì)節(jié)水機(jī)構(gòu)進(jìn)行運(yùn)動(dòng)分析和干涉檢查。在檢查過(guò)程中及時(shí)對(duì)模型進(jìn)行修改。

e.三維建模完成后，創(chuàng)建模型的爆炸視圖和零件的工程圖，為加工生產(chǎn)做準(zhǔn)備。

建模完成的節(jié)水機(jī)構(gòu)如圖5所示，其功能上實(shí)現(xiàn)了排水量無(wú)級(jí)可變，體積上兼容傳統(tǒng)馬桶水箱，適合批量改造現(xiàn)有傳統(tǒng)馬桶和生產(chǎn)新馬桶。

4 結(jié)束語(yǔ)

傳統(tǒng)馬桶在社會(huì)上數(shù)量巨大，帶來(lái)了水資源的巨大浪費(fèi)。新設(shè)計(jì)的馬桶無(wú)極連續(xù)排水機(jī)構(gòu)基于螺旋凸輪和錐形齒排水組件，使用方便、運(yùn)行平穩(wěn)，并在整體外形尺寸上兼容傳統(tǒng)馬桶，可以規(guī)?；茝V，具有較高的實(shí)用價(jià)值和廣泛的應(yīng)用前景。如果在生活中廣泛使用，既可節(jié)約水資源，又能降低居民用水成本，為建設(shè)環(huán)保型、節(jié)約型社會(huì)貢獻(xiàn)一份力量。

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