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水龙头
序号:
编码:
第八届大学生节能减排社会实践与科技竞赛
作品说明书
作品名称:
家新型节水龙头设计
类别:
❑科技作品类(含实物制作、软件、设计等)
❑社会实践调查报告类
新型节水龙头设计说明书
作品内容简介
随着社会的发展,供水和饮水的问题在中国的广大地域中得到了解决,但是在一部分缺水地区和贫困地区,供水的问题依然十分的严峻。
比如一些中部地区的农村里,采用的供水方式依然不是城市里那种随开随出的长期供水,而是那种定时供水的方式,在这种供水方式下,当用户出门在外或者由于太忙没关水龙头时,容易造成用水浪费。
对该水龙头稍加改造,还可以作为城市家庭自来水管道的总阀门,取代传统阀门,在停水再次供水时即使没关水龙头,该阀门也可自动关闭家庭自来水总管道,防止水的浪费同时避免水漫满屋造成财产损失。
本着节约用水,和减少成本的原则,我们决定设计一款全新的节水型水龙头,旨在减少水资源的浪费,同时我们必须要保证一定的制造成本,使之在农村里贫水地区及城市家庭可以得到普及和应用。
水龙的作用是实现断水后的自动关闭,防止第二次通水后造成水的重复浪费。
摘要:
设计了一款新型的机械式节水龙头,是一种适用于农村定时供送水的环境下,可以在停水时自动关闭的水阀,在停水后即使人们忘记关闭水龙头它也能够实现自动关闭,而再次来水时不至于出现水患的情况,能够有效的节约水资源。
关键词:
节水龙头;自动关闭,家庭节水
1研制背景及意义
1.1背景
随着经济的发展和人口的增加,人类对水资源的需求不断增加,再加上存在对水资源的不合理开采和利用,很多国家和地区出现不同程度的缺水问题。
解决水资源短缺问题,目前看来最有前景的解决办法是开发利用某些不可用水。
比如海水淡化,地下水的开发和采集,以及两极冰川的利用等。
但是对于普通大众来说,节约用水是在平常生活中最现实有效的方法。
因此,我们团队致力于开发一款新型的机械式节水龙头,是一种适用于农村定时供送水的环境下,可以在停水时自动关闭的水阀,在停水后即使人们忘记关闭水龙头它也能够实现自动关闭,而再次来水时不至于出现水患的情况,能够有效的节约水资源。
1.2市场调研
为了更加准确、有效的获得关于水龙头的各类信息、资料。
我们计划采用资料文献查阅、目标人群访谈、调查问卷等进行市场调研。
资料文献查阅。
市场调研中,我们分工合作,两位同学去图书馆查阅文献、专利,两位同学进行网上资料搜集,两位同学咨询、请教老师。
目标人群访谈。
我们设计此款产品的主要面向对象是农村的农民,我们通过电话访谈和面对面的方式对他们进行了访谈调查问卷。
结合以上准备工作,经过组内讨论与研究,结合以往的一些经验,确定了调查问卷的调研方向,制定了调查问卷,确定了调研范围与路线。
我们的市场调研主要包括三个方面:
一是,产品的主要性能,包括了普通水龙头的适用范围,普通节水水龙头的功能原理等。
二是,产品的经济性,包括产品的价格、产品的性价比等。
三是,现有产品的主要类型及价格
通过我们调查问卷,卖场、农村实地调研,发现现有的节水水龙头功能单一,成本较高,根据附加功能不同、机构、材料、品牌等区分度非常大。
1.3现有技术分析
水龙头是日常生活中必备的装置之一,种类繁多,按开启方式来分,可分为旋转式、扳手式、抬启式和感应式等;按阀芯来分,可分为橡胶芯、陶瓷阀芯和不锈钢阀芯等,今后发展方向是智能化。
但是,在停水后能实现自闭功能的很少,比较先进的有感应水龙头,通过电控制可以实现停水自闭,但这是通过电来控制,第一不安全,第二耗费能源。
尽管现在出现了一种机械式自动节水水龙头,但是它的停水自闭控制装置和水龙头是分开的两个装置,在一定程度上使机构变得复杂,在材料上也是一种浪费,是水龙头的成本变高;其次大多数节水龙头的节水装置都在水龙头中有水的环境下,虽然有一定的密封,但是还不是完全可靠。
基于以上问题,我们团队设计出一种机械式节水龙头,除了实现停水自动关闭的基本功能外,还不至于使机械结构过于复杂,有效控制水龙头的成本,还能使主要装置处于没有水的环境下。
1.4需求分析
经过我们在几家大型超市和水龙头商店中的调研,我们得出现在的人民大多使用普通水龙头或者电子控制的水龙头,虽然电子控制的水龙头比较方便,但是消耗电力等资源较大而且比较贵。
至于普通的水龙头的话,会导致水的浪费。
所以很多人都表示希望能拥有这样一种产品。
另外,许多人希望本产品能具备以下几个特点:
1、可以和普通水龙头一样控制水的开闭
2、在打开水龙头后能再一次断水后保持关闭状态
3、实现简单的纯机械结构,方便操作
4、不会大幅度提高水龙头的成本。
1.5设计意义
为解决上述问题,经过多方调查研究,我们设计了一款具有能够实现普通水龙头功能,同时还能实现节水功能的产品。
使用此产品,节能环保,符合当前社会提倡的可持续发展原则。
它的独特功能极大满足限时供水地区的特殊人群的要求。
产品预计批量生产成本为50元左右,为一般家庭所能接受。
有着广泛的应用前景。
2设计方案
2.1总体设计
2.1.1设计目标
我们团队此次课程设计的主要目标是生产新型节水龙头,主要市场是按时段供水的农村地区:
在供水区间,通过扭动把手打开开关,开始蓄水,在停止供水的时候可以实现开关的自动关闭,并通过一定的自锁机构保证即使下次通水的时候开关不会自动打开。
通过前期市场调研、查阅资料,经过我们讨论得到以下方案:
第一,采用电子反馈系统,每当总闸停止供水时,安装在用户水管处的压力感应器反馈到水龙头,将水龙头关闭。
第二,通过机械结构,通过停止供水时,水管内压力的变化,控制开关底部的活塞,再次将水管堵住,并通过一定的结构固定住,即使水再次通水,也无法将活塞打开,这样就可以实现我们组预想的功能。
根据我们组收集的资料以及我们做的调查总结得到:
第一套方案非常便捷,更加可靠,但是相对的成本比较高,而且实施起来,难度相对的较大,感应器等设备相对的比较庞大,不利于保持水龙头的规格;相对的第二套方案,可靠性上,跟第一套相比相差不大,但是成本比较低,实施起来相对简单,不需要对原有的水管进行改装,就可以实现。
经过我们实地的考察以及问卷统计,发现在一些农村地区,由于并不是自来水厂24小时供水,而是采取分时段供水的方式,所以我们的设计方案的市场还是比较大的,并且实用性也很高。
2.1.2设计原理
本产品大部分结构采用机械结构,我们产品的设计原理是:
拧开把手之后,在水流的冲击力作用下,通过杠杆原理,改变力的方向,实现水龙头开启;当水流停止之后,通过弹簧的胡克效应以及自锁效应保证开关的关闭。
原理简图如图1:
图1原理简图
2.2主要结构
2.2.1把手和把手连接杆
图2把手
图3把手连接杆
将图2和图3的两个机构配合在一起,可以组成水龙头的控制器——把手,通过转动把手,可以实现水龙头的供水。
在把手的设计过程中,我们主要考虑到水龙头是在农村地区使用,因此要保证在一定的弯曲应力下,把手不会折断。
我们还将把手的舒适度以及最大的工作效率考虑进来。
把手是水龙头中的重要机构,在水龙头的运行过程中起到重要的作用。
在水龙头机构中,通过把手的圆周运动,带动把手下端与之相连的档杆控制水龙头的开闭。
把手与主体的连接部分出于方便安装的考虑,我们选择使用八菱柱。
水龙头把手的工作条件一般是在农村里,外部环境比较恶劣,容易长期遭受风吹日常,而且使用率很高,所以需要比较高的强度和耐用度。
把手的零件图如图4所示:
图4把手的二维图
2.2.2顶盖
图5顶盖
通过顶盖可以阻挡灰尘,防止对水龙头里饮用水产生污染,并且可以将把手与壳体更加紧固的联系在一起,防止产生松动。
顶盖是水龙头的组成部分,在水龙头的防尘和稳固中起到重要的作用。
在水龙头机构中,通过顶盖将把手与外壳连接在一起,在外壳的内壁采用螺纹连接,让外壳与把手之间的连接更加稳固。
水龙头的使用环境必须考虑到防水,但是在设计计算的过程中,对于精度的要求并不是很高。
顶盖的零件图如图6:
图6顶盖二维图
2.2.3外壳
图7外壳
将机械结构与水管联系在一起,并对执行结构和控制结构起到限制和固定的作用。
外壳是水龙头结构中最重要的零件之一,是水龙头的基本零件。
在水龙头结构中,水流通过管道经过外壳流出,外壳是水流的承载体。
在外壳零件内部,安装有橡胶阀门、挡板,在外壳顶部,有顶盖、密封圈、把手等零件。
关于水龙头的所有零件都是在外壳的基础上实现其功能的。
外壳属于壳体类零件,材料为铸造铜合金。
由于水龙头内部阀门采用了新型的挡板—活塞式阀门,所以在外壳竖直部分设计了圆头键槽以便挡板支撑销的安装定位;同时为了实现其停水自闭功能,外壳上还设计了常闭式控制销与挡板共同实现水流的通过,因此在外壳上还要钻孔。
1、外壳两螺纹连接部分,由于要保证密封性所以要求质量高,密封性好。
2、控制销孔,要保证控制销能够正常工作及寿命,孔的表面质量高,表面粗糙度小。
3、键槽,为了便于安装,键槽精度要求高,保证间隙配合。
2.2.4执行器
图8转动挡板
节水水龙头中最主要和核心的结构,下部分是可以和水管配合的活塞,将水流堵住。
中间是杠杆,通过杠杆改变力的方向,从而实现水流力的方向与控制方向的转换。
在执行器的顶部是一个凹槽,通过一个与壳体相连接的销可以使水流来时,不会将活塞冲开。
2.2.5销
图9销
联接作用,以及控制作用,通过将销子顶部的结构与执行器凹槽的配合,可以实现控制功能。
零件的主要功能是在水管突然停水时,销受到拉杆的作用力而向里运动,卡住转动挡板的转动,从而阻挡水的流动。
由此可知,销的受力主要是凸台处所受的剪切应力,其他表面加工精度可不作较高要求,但凸台斜面粗糙度必须要低。
图10销二维图
2.3水龙头装配体
目前最终的机械结构图。
工作过程为首先,在供水时段,将开关打开,销子作用在执行器凹槽的突出位置,由于水流的力量可以保持活塞一直打开。
当供水结束时,可以通过弹簧将销子恢复到凹槽中,使得水龙头关闭,并且在下次供水时,不手动控制销子,水龙头不能打开。
图11水龙头装配体
2.4改进后作为管道阀门
对该水龙头稍加改造,还可以作为城市家庭自来水管道的总阀门,取代传统阀门,在停水再次供水时即使没关水龙头,该阀门也可自动关闭家庭自来水总管道,防止水的浪费同时避免水漫满屋造成财产损失。
图12阀门装配体
3工作原理及性能分析
水龙头总共有四种工作情况:
1、水管中有水,水龙头关闭状态。
这时水龙头关闭,且拉杆带动销卡住挡板的转动,水龙头处于双重关闭状态,若要打开水龙头,需旋开水龙头把手,拉动拉杆;
2、水管中有水,水龙头打开状态。
这时如果想要关闭水龙头,旋闭水龙头把手即可;如果水管中突然停水,由于挡板底部缺乏水压,挡板上部在弹簧的拉动下旋转,拉杆带动销卡住挡板,使水龙头处于关闭状态;
3、水管中没有水,水龙头关闭状态。
这时打开水龙头,需要旋开水龙头把手,拉动拉杆。
并且在松开拉杆后,拉杆仍会带动销卡住挡板;
4、水管中没水,水龙头打开。
由于水管中没有水,挡板底部缺乏水压,挡板上部在弹簧的拉动下旋转,;拉杆带动销卡住挡板,使水龙头处于关闭状态。
因此这种状态不存在。
由于水资源的浪费是在停水时水龙头打开(第四种状态),在来水时未及时关闭而形成。
而本项目的设计使得第四种状态不可能存在,所以也防止了水资源的浪费,达到了目的。
3.2强度校核
在设计变速器的过程中,我们需要考虑的压强问题一般是水压对杠杆的压力问题,此外由于我们采取的特殊结构,我们还需要考虑弹簧的可以承受的压力问题,已经杠杆的受力问题。
杠杆采用的材料是不锈钢0Cr18Ni9,通过固溶处理,可以达到137MP的许用应力。
弹簧的材料是弹簧钢,通过淬火,许用应力为471MP。
根据国家标准,自来水的水压为0.28MP
确定水压:
供水水管:
p=p=´
受力为:
水龙头的接触面面积:
杠杆处压强:
由此校核得到第一个强度项目满足条件。
校核杠杆另一头的弹簧强度。
齿向载荷分布系数杠杆两头的长度比例为1:
1
确定弹簧处强度:
确定弹簧的疲劳强度:
弹簧强度也满足条件。
3.3难点解决
整个设计过程的难点解决在于如何通过机械结构实现控制水龙头的开关,如何巧妙的杠杆原理融入到水龙头简单紧凑的结构中去,并保证所需的功能能够顺利的完成。
对于自锁机构的设计确实比较困难,我们思索了好久,才将弹簧以及斜面和销结合在一起,成功的形成自锁机构,保证在不转动把手时,水流不能将活塞打开。
参考文献
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