王成城， 張凱

（鄭州科技學(xué)院 機(jī)械工程學(xué)院，鄭州450064）

1 引 言

水龍頭是日常生活中必備的裝置之一，種類繁多，按開啟方式來分，可分為旋轉(zhuǎn)式、扳手式、抬啟式和感應(yīng)式等;按閥芯來分，可分為橡膠芯、陶瓷閥芯和不銹鋼閥芯等,今后發(fā)展方向是智能化［1］。但是，在停水后能實現(xiàn)自閉功能的很少，比較先進(jìn)的有感應(yīng)水龍頭，通過電控制可以實現(xiàn)停水自閉，但這是通過電來控制，第一不安全，第二耗費(fèi)能源。盡管現(xiàn)在出現(xiàn)了一種機(jī)械式自動節(jié)水水龍頭［2］，但是它的停水自閉控制裝置和水龍頭是分開的兩個裝置，在一定程度上使機(jī)構(gòu)變得復(fù)雜，在材料上也是一種浪費(fèi)；其次從用戶方面來說水龍頭方便好用對水龍頭十分重要［3］。

為此，本文構(gòu)思了一種新型的停水自閉水龍頭，控制裝置和水龍頭融為一體；并且改變了傳統(tǒng)球形閥的設(shè)計，用圓柱狀活塞代替，并用水壓密封，用彈簧拉桿自鎖邏輯判斷實現(xiàn)純機(jī)械式停水自閉。

2 水龍頭基本結(jié)構(gòu)

圖1 水龍頭整體效果

圖2 水龍頭整體結(jié)構(gòu)

如圖1 所示，水龍頭的整體效果和普通的水龍頭基本外形類似，整體構(gòu)件如圖2 所示。

彈簧5 的裝配（如圖3），在正常和工作狀態(tài)彈簧5 一直處于拉伸狀態(tài)，彈簧5的一端和外殼1 的凸起a 相連另一端和拉桿6 的凸起b 相連。彈簧3 的裝配（如圖4），它的一端和轉(zhuǎn)動擋板7 相連，另一端和外殼1 相連，在正常情況下，彈簧3 處于原長狀態(tài)，工作狀態(tài)處于拉伸狀態(tài)。

圖3 彈簧5 的裝配

圖4 彈簧3 的裝配

如圖5 活塞a 處的階梯空和如圖6 的轉(zhuǎn)動擋板b 處相配合，這樣使裝配既簡單又牢固。

圖5 活塞剖視

圖6 轉(zhuǎn)動擋板

3 水龍頭工作原理

在有水的情況下，入水口處有正常的水壓，如圖7 所示，轉(zhuǎn)動擋板7 受到水的壓力，為了保證這個壓力，制造時入水口的直徑應(yīng)該比出水口稍小，保證能讓水及時流出。由于杠桿原理，轉(zhuǎn)動短板7 要轉(zhuǎn)動，但是拉桿6 和轉(zhuǎn)動擋板7 接觸是斜面，運(yùn)用斜面自鎖［5］，即當(dāng)斜面達(dá)到一定角度，并且擋板7 對拉桿6 的支持力沿拉桿6 的軸向分力小于兩個斜面之間摩擦力在拉桿6 軸向的分力時，達(dá)到自鎖，此時再大的水壓也推不開拉桿6，這樣就保證了水龍頭在有水的情況下處于關(guān)閉狀態(tài)。

圖7 斜面自鎖

使用時，如圖8 所示，拉開拉桿6，轉(zhuǎn)動擋板7 受到水的壓力，轉(zhuǎn)動，松開手后拉桿6 被轉(zhuǎn)動擋板7 擋住，從而打開水龍頭；關(guān)閉時，如圖9 所示，使手柄4 轉(zhuǎn)動90°，變形凸輪2 剛好把轉(zhuǎn)動短板7 頂?shù)截Q直位置，這時拉桿6剛好達(dá)到自鎖位置，在彈簧5 的拉力下，運(yùn)動至自鎖狀態(tài)，水龍頭關(guān)閉。

圖8 使用狀態(tài)一

圖9 使用狀態(tài)二

為了保證正常工作狀態(tài)，通常有以下兩種需要水龍頭自閉的情況。

3.1 停水過程中人為開啟后自閉

在停水過程中，入水口一直沒有水壓，當(dāng)拉動拉桿6時，在彈簧3 的微弱拉力下，水龍頭關(guān)閉狀態(tài)不變，如圖10所示。如圖11 所示，拉桿6 在彈簧5 的拉力下處于自鎖狀態(tài)，無論是否轉(zhuǎn)動手柄4，都不影響自鎖狀態(tài)，繼而保持了關(guān)閉狀態(tài)。這樣確保了有人在不知道是否有水的情況下隨意拉動拉桿6 或者轉(zhuǎn)動手柄4，水龍頭都能保持關(guān)閉狀態(tài)。

圖10 停水狀態(tài)一

圖11 停水狀態(tài)二

3.2 使用過程中停水后自閉

有水的情況下，工作狀態(tài)如圖12 所示，擋桿6 被轉(zhuǎn)動擋板7 頂住，水龍頭處于開啟狀態(tài)；若突然停水，瞬時狀態(tài)如圖13 所示，在彈簧3 的拉力下，使拉桿6 剛好處于自鎖位置，為確保此功能的實現(xiàn)，條件是：使拉桿6 的頂端和轉(zhuǎn)動擋板7 的半圓形側(cè)面的粗糙度較小，使這兩個工作面比較光滑，即摩擦力很小，小于彈簧3 的拉力；然后如圖14 所示在彈簧5 的拉力下達(dá)到自鎖位置關(guān)閉水龍頭。

圖12 突然停水狀態(tài)一

圖13 突然停水狀態(tài)二

4 水龍頭的密封

4.1 密封圈

根據(jù)小Y 形密封圈（如圖15 中的1 所示）和唇型密封圈的啟發(fā)［6］，特意對它進(jìn)行改進(jìn)，如圖16、圖17所示。圖16 中的1 和2 是對小Y 型密封圈和唇形密封圈的結(jié)合，圖17 中的1 結(jié)構(gòu)受的壓力越大，密封性越好，起到雙重密封的作用。

圖14 突然停水狀態(tài)三

圖15 小Y 形密封圈

圖16 密封圈

4.2 活塞

如圖18 所示為活塞的基本外觀，其材料選用丁苯橡膠，既有很高的耐磨性，又有很好的耐老化性［7-9］。當(dāng)關(guān)閉水龍頭后，薄壁凸臺3 的外壁4 和進(jìn)水口的內(nèi)壁重合，此時內(nèi)壁充滿高壓水，這樣會給內(nèi)壁1 一個壓力，使密封更緊密；倒角2 和進(jìn)水口的倒角重合，又進(jìn)一步確保了密封。

對于上端蓋的密封，采用牙型為等腰三角形的管螺紋，利用其本身變形就可以確保連接的密封性，不需要任何填料［10］。

圖17 密封圈外觀

圖18 活塞

5 結(jié) 論

本產(chǎn)品通過簡單機(jī)構(gòu)實現(xiàn)純機(jī)械自鎖，利用水壓以及杠桿結(jié)構(gòu)實現(xiàn)邏輯順序判斷達(dá)到節(jié)水目的，解決了停水忘關(guān)水龍頭的問題，特制的活塞和密封圈保證了水龍頭本身的密封性，具有很高的可行性和實用性。此設(shè)計專利號為ZL201320204730.4。

［1］ 蘇志軍，尹玉杰，張清雙.閥門制造工藝［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，2010.

［2］ 翁海珊，王晶.第一屆全國大學(xué)生機(jī)械創(chuàng)新設(shè)計大賽決賽作品集［M］.北京：高等教育出版社，2006.

［3］ 馬佳，孟妍，袁濤衛(wèi).浴水龍頭產(chǎn)品情感化設(shè)計要素［J］.重慶科技學(xué)院報，2009（8）：186，188.

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［5］ 孫恒，等.機(jī)械原理［M］.北京：高等教育出版社，2011.

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［7］ 黃志昌，等.液壓與氣動技術(shù)［M］.北京：電子工業(yè)出版社，2010.

［8］ 支道光.機(jī)械零件材料與熱處理工藝選擇［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

［9］ 王章忠，機(jī)械工程材料［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2011.

［10］ 濮良貴，紀(jì)名剛.機(jī)械設(shè)計［M］.北京：高等教育出版社，2012.