李中秋，史俊杰，李晓俊
西南交通大学机械工程学院，四川成都 611756
1 研究背景及意义
1.1 社会背景
如今全世界都正面临着淡水资源短缺，我国尤为严重。因此，树立节水意识，并切实将节水落实到生活中去已经刻不容缓。事实上，随着人们节水意识的增强，各大公司已经纷纷开发出了相应的节水产品。水龙头是其中一种。现在市面上的节水水龙头的原理大致分两种。一种是普通口径，水流量没变化，采用电磁阀控制，加上通过红外线自动感测做成的自动感应节水模式。另一种改变口径，减少单位时间的流量，加上自动延时复位做成的自动延时关闭的节水模式。
然而，这两种水龙头都有各自的不足之处。前者造价高，目前市场上的感应水龙头价格需在400 元至1000 元之间，有的甚至更贵。而自动延时关闭水龙头，自动延时关闭设计售价很高，且流量变得很小，生产成本高，不能进行相应调节，因此不能满足普通家庭的用水需求。
1.2 研究意义
拓宽节水的渠道，减少日常生活中使用水龙头所造成的不必要的浪费，降低节水成本，帮助缓解水资源危机。
2 设计方案
2.1 总体设计方案
自动回复式档位水龙头是将延时复位的功能和可固定档位的功能整合起来的一种节水型水龙头。本作品在普通家用水龙头的基础上加以改造，增加了自动回复功能和档位及锁死装置，以达到节约用水的目的。零件爆炸图如图1 所示。
图1
2.2 自动回复功能
本作品将普通塑料水龙头的阀杆加长并在其上套一扭转弹簧，弹簧下端插入阀芯上的六角螺母内，上端插入阀盖顶部；当转动水龙头手柄时，由于弹簧会随着手柄的转动而转动，从而发生扭转，产生一定的扭矩；当用户松开手后，手柄便会在该扭矩的作用下自动回复至关闭状态。
2.3 档位的实现
本作品在普通水龙头的基础上设置了三个档位，手柄每转过30 度为一档，其出水量依次增大，其原理是：在阀盖内部嵌入一个橡皮圈，其内边缘为波浪形，使其凹槽处刚好能卡住阀芯上的六角螺母，当手柄每转过30°时，六角螺母的棱边挤压橡皮圈内边缘的凸起处使之发生变形并产生一定的摩擦力，从而使人产生费力的感觉，直至六角螺母的棱边进入下一相邻的凹槽，即为下一个档位，依此类推，转过90°时即为最高档三档。
2.4 锁死装置
当用户需要较大用水量时，为了阻止手柄的自动回复以保持恒定流量，本作品在壳体上端边缘处设置了三个凹槽（以下称之为销孔），其位置刚好与三个档位相对应，阀盖外设计了一个可以上下移动的嵌入式销子，当用户需要在某一档位长时间停留时，可将销子拨下去使之插入对应的销孔内，从而阻止手柄的自动回复；用完水后，将销子拨上来，即可关闭水龙头。
3 可行性分析
3.1 水龙头效率分析
3.1.1 水流量调查
为了客观地验证本作品的节水可行性，我们首先对水龙头的出水量进行了实地调查。我们以西南交通大学天佑斋3 号楼为调查对象，进行了如下调查：调查目的：实地测量学生宿舍楼寝室内水龙头的最大流量；调查对象：西南交大天佑斋3 号宿舍楼；调查设备：学生寝室内自带的水表，秒表；调查方法：打开水龙头30 秒，记录打开前后水表的读数，计算出单位时间内水流量的大小。
调查结果如下表所示：
根据上表可知，计算得天佑斋3 号楼全天各时段各楼层水龙头流量的平均值为:Q=251.8cm3/s ≈252cm3/s.
3.1.2 基本假设
1）水龙头流量252cm3/s；
2）一般性洗手时间10 秒；
3）洗洁剂洗手：25 秒；
4）自来水的密度：1g/cm3。
3.1.3 水龙头中扭转弹簧的原理分析
本水龙头利用的是弹簧的扭转力。当水龙头转过90°时，即从关闭到开启，弹簧得到弹性势能。在90°方位处，当使用销子将手柄锁死时，水龙头保持恒定流量；当拨出销子以后，锁死解除，水龙头内部的弹簧收缩，弹簧释放弹性势能，水龙头回归原位，此时水龙头就自动回复关闭状态。
1）经过分析与计算，我们得到了扭转弹簧回复时间关于扭转角度的函数关系（忽略摩擦阻力）：
采用MATLAB 绘图，可以得到回复时间与弹簧扭转角度的关系为：
图2
图3
2）经过分析与计算，我们得出了扭转弹簧回复时间与流水量的关系（忽略摩擦阻力）：
设在t=0 的时候，流水量为0.252L/s，在t=10 的时候，流水量为0L/s.
采用MATLAB 绘图，可以得到回复时间与弹簧扭转角度的关系如图3 所示。
3.2 节水量的分析
从图2和图3中可以得出以下结论：随着回复时间的延长，也就是扭转角度就会越来越小，那幺流水量就会越来越小，而普通水龙头在相同的时间内流水量一直保持不变，始终最大；据估计，我们的节水水龙头通过逐渐缩小流量，可以节约大约53%～55%的水量，节水效果显着。
[1]闫鲁超，李雪芳，陈月娟.编着.3ds Max 2010 入门与提高.北京希望电子出版社，2010.
[2]刘朝儒，等主编.机械制图.高等教育出版社.
[3]包南珪，汪曼华.编着.扭簧的回复时间计算，浙江电工器材厂.
