发条式节水音乐水龙头研究

【摘要】针对当前日常生活中因老式螺旋水龙头和扳手式水龙头的使用，造成水龙头容易漏水，或停水后忘关水龙头，突然来水而无人在场的情况下浪费大量水资源的现象，本作品提出一种成本较低而实用的发条式停水自闭音乐水龙头。该水龙头的关闭原理是基于八音盒里的发条结构来实现水龙头开关的自动回位，达到节水的效果。该水龙头利用简易的机械结构能够实现自动回位，并且在无需附加电路的情况下能自动播放音乐，让使用者在用水的过程中能放松身心，心情愉快。除此之外，该水龙头结构简单，所用的材料成本低廉，可广泛应用于实际生活中，并带来较大的社会经济效益。

【关键词：】水龙头，发条式，停水自闭，节水

1、研究背景

1.1 研究的目的和意义

我国是全球人均水资源最匮乏的国家之一，人均水资源量只有2300立方米，仅为世界平均水平的1/4。居世界109位，被列为全世界人均水资源13个贫水国家之一。然而，中国又是世界上用水量最多的国家，2013年我国年总用水量6170亿立方米，与此同时，水资源浪费现象却很严重，每年浪费量在1000万立方米以上。生活用水浪费现象尤其突出，每年流失量可达200个昆明湖蓄水量。其中，水龙头漏水造成的水浪费占很大比例，洗菜、洗手、洗菜时水龙头流水都会造成很大损失。“滴水”在一个小时里就可以集到3.6公斤水，一个月里可集到2.6吨水。如果是连续成线的小水流，每小时可集水17公斤，每个月可集水12吨。如果水龙头开到最大而忘记关闭，平均每天会损失掉17.28吨的水，按中国人均用水量212L/天计，水龙头忘记关闭一天造成的浪费可以满足82个人一天中对水的需求。推广节水水龙头的节水器具刻不容缓，但情形不容乐观。以昆明为例，水嘴节水装置（又称节水龙头）只在昆明主城区、呈贡区及三个开发（度假）区的公共机构中安装，并没有在居民家庭中进行推广。对于节能家电等进行补贴，是国家实施的一项“节能产品惠民工程”，但在节水方面，国家并没有相关的政策。注重节水的客观原因有以下几种：

（1）扣除难以利用的洪水径流和散布在偏远地区的地下水资源后，我国现实可利用的淡水资源量则更少，仅为11000亿立方米左右，人均可利用水资源量约为900立方米，并且其分布极不均衡，在水资源匮乏地区节水成为缓解矛盾的最有效措施；

（2）到20世纪末，全国600多座城市中，已有400多个城市存在供水不足问题，其中比较严重的缺水城市达110个，全国城市缺水总量为60亿立方米，节约水资源更被摆在了突出位置；

（3）我国水资源利用率低，水浪费现象严重。浪费量在1000万立方米以上。

水资源浪费会在多方面给我们带来诸多影响。从个人层面上看，用水的大量浪费会给我们带来很多不必要的经济损失，也会使日常用水更为短缺，甚至会带来停水的情况。从社会层面分析，会无法满足大量人口的用水需求。从国家层面分析，水资源地区分配失衡更为严重，生活生产困难，给国家经济带来巨大困难等。

1.2 国内外研究现状

为了解决水龙头的水资源浪费现象，目前市面上出现了各种各样的节水龙头。常见的有传统节水水龙头，感应水龙头以及全自动水龙头等。然而，节水龙头却存在着推而不广的情况。零部件的质量阻碍以及成本过高是这种情况出现的根本所在。以感应式水龙头（HT-HS03DC1）为例，经测试红外感应龙头在适用水压范围内，1次冲洗水量为0.375-1.211L，冲洗时间约为4.5s，0.1MPa时，流量为0.115L/s，小于0.15L/s，达到节水型水嘴的要求，与普通龙头相比节水约23%，但其造价高昂，市场售价普遍在百元以上，且在水压大于0.35MPa时，需要另外设置减压设施或调整冲洗时间，才能达到较理想的冲洗效果和节水要求。

另一方面，市面上的节水龙头质量良莠不齐。国家质检总局曾针对节水性能对水龙头等节水产品展开了一场调查，而这次对水龙头的抽查主要是根据国家强制性标准——《陶瓷片密封水嘴》，对产品的管螺纹精度、酸性盐雾试验、流量等与节水性能密切相关的8个项目进行检验。调查结果显示，抽检的150个水龙头产品中，有32种产品不符合标准规定，不合格率高达21.3%。

针对市场上老式螺旋水龙头容易漏水，感应水龙头价格昂贵，按压式水龙头维修困难等现象，本作品提出一种新型经济高效且应用范围广的发条式停水自闭水龙头，基于发条装置自动回复的原理，以发挥一定时间自动关闭的功能，有力地解决了忘关水龙头造成大量水浪费的问题。

2、设计原理

2.1 设计思路

本作品的设计灵感来源于日常生活中的八音盒。拧动八音盒的发条，发条弹簧在实现机械能和弹性势能的转化过程中自动回位，并带动八音盒里的滚筒和梳齿转动使装置发出音乐。为此，联想到将八音盒里的自动回位装置组装在水龙头上可以让水龙头实现自动回位和播放音乐，用简单的结构解决了日常生活中忘关水龙头造成浪费水的问题。

本作品利用发条弹簧来带动转筒，把势能换成机械能，再利用转筒上的凸点来拨动音片上的音条，使音条振动从而发出声响。由于各音条尺寸不同，振动频率不一样，声响就对应不同的音符。按照某乐谱来制作转筒的凸点分布，则转筒旋转时以一定的次序和时间拨动音片上的音条，人们就能听到优美动听的音乐曲调。

2.2 主要部件結构说明

本作品外观与市面上普通水龙头类似。使用材料亦为最常见的不锈钢龙头与陶瓷阀芯。其特点在于将纯机械的八音盒原理移植至水龙头上，实现了水龙头使用时的自动停水及播放音乐的功能，同时增加了卡死装置，让本作品还能实现水流的持续出流，满足多种情况需求。

内部主要部件包括发条轴、发条弹簧、音筒、音片、陶瓷阀芯、锁死扭杆及支撑板。以下为该作品的主要部件说明：

（1）发条弹簧：是本作品的内部结构重点，位于支撑板上方。一端固定，另一端在受到力矩作用时产生弯曲弹性变形，使发条逐渐盘到中间的方形发条轴上，从而在自身平面内产生扭转。在力矩作用消失后，发条在自身内力作用下慢慢松开，回复到初始位置。

（2）音筒及音片：为主要的发音构件，位于支撑板上方。音片为梳齿结构，由长短不一的多个钢制簧片组成，固结于转轴上，能随着转轴一起转动。音筒为固结于分隔板之上，以转轴为中心轴的空心圆筒，在圆筒内壁有按照节奏规律分布的凸点。当转轴转动时，凸点激发簧片产生自由振动，发出动听的乐声。

（3）陶瓷阀芯：位于支撑板下方，通过转轴与发条弹簧等结构相连，转芯能随着转轴一起转动。当旋转转芯的时候，转芯下端的拨叉带动动阀片转动，使得动阀片上的出水通孔与静阀片上的进水通孔相互对应，让水从转芯上的通孔流出，之后在发条弹簧内力带动下恢复至原来位置，实现自动停水。

（4）锁死装置：此部分用于阻止水龙头开关自动回位，可达到连续出水的效果。该部分由凹槽，锁死扭杆组成。凹槽位于水龙头上表面不旋转部分。锁死扭杆位于转轴上端。正常使用时，扭杆能随转轴一起转动。需要大量用水时，只要在水龙头处于出流状态时将扭杆倾斜，固定在凹槽内，就能利用扭杆与凹槽间的作用力与发条弹簧内力产生的力矩平衡，使水龙头保持在当前出流状态，在结束使用后，只用将扭杆竖直，水龙头又能恢复到能自动回位的正常工作状态。

2.3 作品的合理性阐述论证

2.3.1 技术可行性

房屋停水后人们时常忘记关闭水龙头，当突然来水时会造成水资源浪费问题。新型发条式停水自闭龙头就可以防止这种情况的发生。

该停水自闭龙头所需要的材料为简易的不锈钢发条以及能产生音乐的钢制滚筒和簧片，这些材料在市场上均有售，结构较简单且制作改装难度较低。

2.3.2 使用可行性

新型发条式停水自闭龙头结构简单，安装、维修、更换都很方便。该停水自闭龙头采用不锈钢材料焊接性、抗磨性和抗疲劳性能均优于市面上常见的铜铁制品，可大大延长使用寿命。在使用过程中伴有优美的音乐，令人心情愉悦。

2.3.3 经济可行性

目前市面上感应水龙头价格为二百元左右，且需消耗电能，不经济。新型发条式停水自闭龙头采用的不锈钢发条价格低廉，市面上售价2元/条左右。由于该水龙头内的发条装置耐磨性强且抗疲劳性能较好，使用寿命较长，无需经常维修或更换。表1 为新型发条式自闭音乐水龙头成本预算。

3、创新特色

目前市场上有各式各样的新型节水型水龙头。开关自动回位也已经有人通过弹簧实现，但是利用八音盒里的发条来改装成水龙头开关实属首例。以下为发条式停水自闭水龙头的特色。

3.1 纯机械装置实现停水自闭

目前市面上节水龙头实现自动控制出水的装置都存在种种缺点，尤其是在成本经济方面。本产品通过对发条的创新性使用，使得成本大大降低。发条造价低廉，在生活中广泛可见，并且包含有各种尺寸，适用于各种型号大小的水龙头。同时不用附加电路，低碳环保。

3.2 使用时可自动播放音乐

生活水平的提高对水龙头这一常见装置提出了更高的要求。本装置创新性地将八音盒工作原理运用于水龙头之上，利用自动回位时产生的旋转带动簧片，与凸点接触后产生震动，演奏出美妙的音乐。使得使用者拥有更好的人机交互体验。

3.3 结构简单，制作成本低

目前市场上各类智能水龙头价格飙升，难以广泛应用于日常生活中，再者市场上水龙头结构复杂难以维修，更换则需要更加昂贵的费用，而该作品结构简单，成本低廉，价格实惠，维修简单方便，凭简易的结构便能实现目前市场上诸多智能水龙头的功能。

4、应用前景

水资源的节约目前已成为社会关注的热点问题，市场上也出现了电子感应式节水水龙头、按压式节水水龙头等新型水龙头，但是价格昂贵且难以维修维护，因此其应用并未普及到各家各户，而只限于餐厅、影院等公共消费场所。新型发条式停水自闭龙头应运而生。

新型发条式停水自闭龙头较按压式水龙头而言回位时间稍长，更好地满足人们的使用需求。此外，新型发条式停水自闭龙头有阻止回位的装置，可根据需要使水龙头持续出水，十分人性化。

新型发条式停水自闭龙头所需材料常见，在市场上有售，价格实惠且无需经常性维修或更换，适合普及到各家各户。

新型发条式停水自闭龙头的回位装置可在日常的使用中有效地节省水资源，符合可持续发展的趋势。

参考文献：

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作者简介：董珮瑶，女，（1995.06—），天津人，武汉大学，本科在读，研究方向：水利水电工程。