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一種機(jī)械式停水自鎖水龍頭的設(shè)計與分析


(1.蘭州工業(yè)學(xué)院,甘肅 蘭州 730050;2.甘肅省高校綠色切削加工技術(shù)及應(yīng)用重點實驗室,甘肅 蘭州 730050)

摘 要:設(shè)計了一種機(jī)械式停水自鎖水龍頭,該水龍頭主要由閥體、閥芯、自鎖桿和閥芯開關(guān)等組成。當(dāng)供水正常時,通過自來水自身的壓力,使閥芯上浮,并到達(dá)工作位置,此時工作狀態(tài)與正常水龍頭一樣;當(dāng)停水時,閥芯依靠自身的重力和彈簧的推力下移,使水龍頭自動關(guān)閉,同時自鎖桿卡入自鎖槽,達(dá)到鎖死目的。

關(guān)鍵詞:水龍頭;停水自鎖;閥芯;閥體;自鎖桿

水資源是一種寶貴的資源,如果白白流失是一種極大的浪費。在日常生活中,當(dāng)自來水供水暫停時,容易出現(xiàn)下列2種情況:1)使用者打開水龍頭發(fā)現(xiàn)沒水,未將水龍頭重新關(guān)好即離開;2)在中途供水中斷時,使用者忘記關(guān)水龍頭即離開。在此2種情況下,當(dāng)供水恢復(fù)時,由于水龍頭處于開起狀態(tài),自來水會長時間外流造成浪費,甚至造成房子地板受淹、家具被毀等損失[1];為此,本文設(shè)計研究一種停水自鎖水龍頭,利用自來水自身的壓力及彈簧的彈力,實現(xiàn)其正常工作和自鎖。其結(jié)構(gòu)簡單、造價低廉,方便安裝更換,整體可靠性高,便于推廣[2-3]。

1 機(jī)械式停水自鎖水龍頭結(jié)構(gòu)

水龍頭總體結(jié)構(gòu)示意圖如圖1所示。其主要由閥體、閥芯、自鎖桿和閥芯開關(guān)等零部件組成[4-5]。

閥體與普通水龍頭一樣,都有進(jìn)水口和出水口,同時設(shè)有1個內(nèi)控口。

閥芯置于閥體內(nèi)壁,其上下兩端都設(shè)有閥芯密封圈,閥芯在水壓、彈簧推力及自身重力的作用下可沿內(nèi)壁自由上下移動。

閥芯與閥芯開關(guān)的裝配關(guān)系如圖2所示。閥芯開關(guān)的外壁與閥芯上端的內(nèi)壁間隙配合,可沿閥芯開關(guān)上下自由移動;閥芯開關(guān)上有長鍵,與閥芯的鍵槽相互配合,轉(zhuǎn)動過程中可傳遞轉(zhuǎn)矩,同時在閥芯下移時,保證兩者在圓周方向的位置保持不變,便于閥芯的復(fù)位;閥芯上端帶有彈簧導(dǎo)桿,導(dǎo)桿上套有推力彈簧,閥芯開關(guān)下端開有與彈簧配合的小孔,正常使用時,在水壓的作用下,通過閥芯和閥芯開關(guān)使彈簧處于壓縮狀態(tài)。自鎖桿一端與閥芯表面接觸,通過自鎖桿彈簧將其壓緊。水龍頭的其他各處均用密封圈密封。

圖1 總體結(jié)構(gòu)示意圖

圖2 閥芯與閥芯開關(guān)的裝配關(guān)系圖

2 工作原理

當(dāng)供水正常時,該水龍頭的使用與普通水龍頭相同。自來水通過內(nèi)控口進(jìn)入閥體下腔,閥芯在水壓力作用下沿閥體內(nèi)壁向上運動,當(dāng)閥芯進(jìn)水孔軸線與閥體進(jìn)水口和出水口軸線在同一直線上時,在閥體內(nèi)壁下側(cè)臺階的作用下,閥芯停止向上運動;同時推力彈簧在彈簧導(dǎo)桿的導(dǎo)向作用下被壓縮在閥芯開關(guān)底部的小孔內(nèi)。此時,閥芯的空間位置被確定,扭動手把,帶動閥芯開關(guān)轉(zhuǎn)動,閥芯開關(guān)在長鍵作用下,將力傳遞給閥芯,帶動閥芯轉(zhuǎn)動。當(dāng)閥芯進(jìn)水孔與閥體進(jìn)水口和出水口接通后,實現(xiàn)通水,水流的大小可由閥芯轉(zhuǎn)動角度來控制;當(dāng)閥芯進(jìn)水孔與閥體進(jìn)水口和出水口不通時,進(jìn)水口和出水口被閥芯外表面封堵,就實現(xiàn)了水閥的關(guān)閉。

當(dāng)水閥處于關(guān)閉或使用過程中停水時,由于閥芯下端水壓為零,在自身重力和推力彈簧的共同作用下,閥芯開始向下移動,移動至一定距離后,自鎖桿在彈簧的作用下卡入閥芯的自鎖槽,閥芯停止運動。此時,閥體的出水口和進(jìn)水口同時被閥芯的外表面封堵,水閥處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)供水正常時,通過自鎖桿和自鎖槽的相互作用,閥芯不能回到工作位置,閥體依舊被關(guān)閉。需要打開水閥時,將自鎖桿向外拔出,使自鎖桿和自鎖槽分離,在水壓的作用下,閥芯回到工作位置,開始正常工作。

3 閥芯受力分析

閥芯上移和下移時受力情況如圖3和圖4所示。圖中,FN是推力彈簧的彈力;f1是自鎖桿與閥芯的摩擦力;f是密封圈與閥體內(nèi)壁的摩擦力;G是閥芯的重力;Fp是自來水的壓力。

圖3 閥芯上移時受力 圖4 閥芯下移時受力
分析圖 分析圖

閥芯采用銅芯,質(zhì)量為0.55 kg,粗略計算銅芯的重力為:G=0.55×10=5.5 (N)。

為保證閥芯正常上下移動,當(dāng)閥芯移動至最高位置時,FN=34.5 N;當(dāng)閥芯移動至鎖緊位置時,FN=24.5 N。

設(shè)自鎖桿彈簧彈力為10 N,不銹鋼與銅之間的摩擦因數(shù)一般為0.15~0.2,取摩擦因數(shù)為0.2,則f1=10×0.2=2 (N)。

設(shè)定鑄鐵與橡膠密封圈之間的預(yù)緊力為5 N,摩擦因數(shù)一般為0.5~0.8,取摩擦因數(shù)為0.8,則f=5×0.8=4 (N)。

按照國家管網(wǎng)供水壓力服務(wù)規(guī)范要求,城市供水服務(wù)壓力為0.14 MPa,一般城市目前管網(wǎng)平均壓力達(dá)到0.30 MPa以上,遠(yuǎn)遠(yuǎn)高于國家標(biāo)準(zhǔn)??紤]到管道壓力損失和用水情況引起的波動,計算過程中取水壓力為0.1 MPa,這樣可以保證水壓波動和用水高峰時的欠壓下亦能正常使用[6-7]。

閥芯下端圓柱的直徑為40 mm,所以下端圓柱面積為:S=π×0.02=0.001 256 (m2),故自來水對閥芯的壓力為:Fp=0.1×106×0.001 256=125.6 (N)。

閥芯上移時,所受力合力方向向上,合力大小為:F=Fp-G-f-f1-FN=79.6 (N),足以保證閥芯上移并正常工作。

停水時,閥芯下移,所受合力方向向下,合力大小為:F′=FN+G-f1-f=24 (N),足以保證停水時閥芯下移并鎖死。

4 結(jié)語

本設(shè)計通過彈簧和自鎖桿實現(xiàn)了純機(jī)械自鎖,利用水壓和彈簧實現(xiàn)了與普通水龍頭一樣的功能,解決了停水忘關(guān)水龍頭的問題,特制的閥芯使工作過程更加可靠,具有很好的實用性和推廣價值。在水資源日趨寶貴的今天,使用此停水自閉水龍頭結(jié)構(gòu)簡單,使用方便,能實現(xiàn)停水自動關(guān)閉,節(jié)約了水資源,減少了損失。

參考文獻(xiàn):

[1] 許萍,劉曉東.水龍頭與節(jié)約用水[J].北京建筑工程學(xué)院學(xué)報,2002(9):81-83.

[2] 姚仁華,陳勇棠. 一種新型一體化機(jī)械式無水自關(guān)水閥設(shè)計[J]. 裝備制造技術(shù), 2014(2):216-218.

[3] 鄭立揚, 趙愿軍. 一種停水自閉水龍頭的發(fā)明構(gòu)思[J].液壓與氣動,2009(11):61-62.

[4] 于春宇,孫靈?。畽C(jī)械式停水自閉水龍頭[G]//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. 北京:高等教育出版社,2006.

[5] 韋建軍. 一種高可靠性的停水自鎖式水閥設(shè)計[J]. 液壓與氣動, 2009(1):82-83.

[6] 李亞蜂,蔣白懿.建筑給水排水設(shè)計規(guī)范[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社,2004.

[7] 陳耀宗,姜文源,葫鶴鈞.建筑給水排水設(shè)計手冊[M]. 北京:中國建筑工業(yè)出版社,2005.

* 甘肅省教育廳項目(2014A-118)

責(zé)任編輯 鄭練

Design and Analysis of a Mechanical Self-locking Tap Water

SHEN Jiancheng1,2, YAN Huiping1,2, LIN Xiaojun1,2, YI Xiangbin1,2, SHI Zhicheng1

(1.Lanzhou Institute of Technology, Lanzhou 730050, China; 2.Key Laboratory of Green Cutting Technology and Application, Gansu Province, Lanzhou 730050, China)

Abstract:Design a mechanical locking water tap which is mainly composed of valve bodies, valve core, valve core switch, self-locking rod and so on. When the tap water supply is normal, the valve core is floating through the pressure of tap water to the working position, then the work state is together with the good tap. When cut off water, the automatic closing is relied on the gravity of valve core and the pushing force of the spring. At the same time, the self-locking rod gets into the self-locking groove to achieve the purpose of locking.

Key words:tap water, self-locking, valve body, valve, self-locking rod

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