一种停水自闭式水龙头设计

一种停水自闭式水龙头设计摘要：在实际生活中、由于常常停水而忘记关闭水龙头，结果给生活带来不必要的麻烦，所以就提出了自闭水龙头的设计。停水自动关闭水龙头属于阀门类的产品，在阀体的螺纹孔中拧装有带中心孔的阀柱，孔的下端是圆锥凹腔，凹腔侧壁上有出水孔，阀杆插装在阀柱中，阀杆的下端设计成有一定的锥面，阀杆的下锥端面和阀柱的锥端面配合，阀杆上部安装有扭簧，扭簧的一端固定在阀帽的侧壁上，另一端固定阀柱的侧面上，在开启状态停水时，能通过扭簧的作用下使水龙头自动关闭，从而实现不跑水的目的。本次主要进行水龙头结构的设计，在有水状态时经过水压使锥面摩擦力克服上面的弹簧力，所以在水龙头开启时，扭簧不会复位，在本次设计主要涉及弹簧力的计算，阀杆摩擦力的计算，最终完成整个机械结构的设计。关键词：自闭水龙头，阀体，阀柱，阀杆摩擦力，弹簧力Abstract:Inreallife,becauseoftencutoffthewatersupplyandforgettoturnoffthetap,theresultsgivelifetobringunnecessarytrouble,soweputforwardthedesignself-closingtap.Automaticclosingwatertapbelongstothevalveclassproductswithoutwater,inthethreadholeofthevalvebodyscrewisprovidedwithavalvecolumnwithacenterhole,holeatthelowerendoftheconicalcavityisawateroutlet,thecavitywall,thestemsinsertedinthevalvecolumndesign,lowerstemintoacone,theconevalvestemendandthevalvestemendwithcone,thestemisprovidedwithatorsionspring,oneendofthetorsionspringisfixedinthevalvecaponthesidewalloftheside,theotherendisfixedonthevalvecolumn,inopenwater,canpassundertheactionofthetorsionofthetapoffautomatically,soastorealizethepurposeofnorunningwater.Themaindesigntapstructure,thereiswaterstateafterthehydraulicpressuretoovercomethespringforceontheconicalsurfacefriction,sothetapisopened,thetorsionspringisnotreset,inthecalculationofthemaindesignrelatestothespringforce,calculationofstemfriction,finallycompletedthewholedesignofmechanicalstructure.Keyword：Self-closingfaucet,Valvebody,Valvestem,Valvestemforce,Springforce目录1前言.11.1设计的背景与意义.11.2阀体造型软件的选择.11.3研究的基本内容.21.4课题任务具体要求及预期成果.22总体机械结构设计.42.1阀体结构设计.42.2整体结构设计.52.2.1主要功能分析.52.3阀体材料选择并分析材料的成分特点及机械性能.62.3.1材料的选择的原则.63各项参数的计算.93.1两锥面摩擦力的计算.93.1.1阀杆下表面的压力计算.93.1.2阀杆锥面的摩擦力计算.103.2扭簧的选择及计算.10结论.13参考文献.14致谢.1501前言1.1设计的背景与意义水资源现已成为人类不可缺少的重要物质，是一切生物赖以生存的保证。但是随社会的飞速发展工业化的进程不断加快，经济,人口不断地增长。导致水资源的需求消耗也随之不断提高；以及生活中各种对水的不合理开发与利用造成的水浪费越来越剧烈。因此水资源的供应与需求之间的矛盾形势严峻，这以成为每一个国家每一个社会的难题。这都要求我们不浪费水资源，节约每一滴水，从身边的小事儿做起，用水后记得关水龙头。在实际生活中我们常常在停水后却忘记了关水龙头，当第二次来水时水龙头处在开水状态，造成大量水资源的浪费，对生活也产生了不必要的麻烦，这些都是我们不愿意看到的。在此种背景下，我们提出了自闭水龙头的设计，在停水的状态下，水龙头能够自动关闭。此设计的提出能够解决不少的水资源的浪费问题，而且给我们的生活也减少了不少不便，所以此设计在我们的生活中有一定的意义。1.2阀体造型软件的选择功能强大、易学易用和技术创新是Pro/E的三大特点，使得Pro/E成为领先的、主流的三维CAD解决方案。Pro/E能够提供不同的设计方案、减少设计过程中的错误以及提高产品质量。Pro/E不仅提供如此强大的功能，同时对每个工程师和设计者来说，操作简单方便、易学易用。在目前市场上所见到的三维CAD解决方案中，设计过程最简便、最方便的莫过于Pro/E了。就像美国著名咨询公司所评论的那样：“在基于Windows平台的三维CAD软件中，Pro/E是最著名的品牌，是市场快速增长的领导者。”在无与伦比的设计功能和易学易用的操作，使用Pro/E，整个产品设计是可百分之百可编辑的，零件设计、装配设计和工程图之间的是全相关的。强大的绘图自动化强化性能使得设计师能够以前所未有的速度从大型装配件创造产品级的工程图。新的轻化制图工具使得用户无需加载每一个部件到内存就能创建装配图。只需拖拽并释放一个装配件到工程图中，用户就能够在10秒钟左右生成包括10,000个组件的装配件2D图。许多系统不能创建这样一个大型装配视图。Pro/E野火5还使得设计工程师第一次能够为零件种1类多、数量庞大和配置复杂的多个项目生成一个单一的材料清单，这是加速设计到生产的一个关键环节。其他重要的新的制图自动化包括自动序号标注、孔汇总表和修订跟踪表。省时、提高生产力这样的特性使得产品看起来更好，性能更佳，在市场上也更受欢迎。没有任何其他软件能够与Pro/E的性能相媲美，Pro/E能够比与之竞争的2D产品快10倍地生成工程图注释也是吸引2D软件用户迁移到3D软件的一个重要原因。Pro/E可以动态地查看装配体的所有运动，并且可以对运动的零部件进行动态的干涉检查和间隙检测。用智能零件技术自动完成重复设计。智能零件技术是一种崭新的技术，用来完成诸如将一个标准的螺栓装入螺孔中，而同时按照正确的顺序完成垫片和螺母的装配。镜像部件是Pro/E技术的巨大突破。镜像部件能产生基于已有零部件（包括具有派生关系或与其他零件具有关联关系的零件）的新的零部件。1.3研究的基本内容本课题主要研究水龙头的总体结构设计，包括阀体、阀柱的设计同时一进行弹簧的设计。自闭水龙头的基本构造包括两个方面：机械结构零件的设，以及弹簧的设计，在设计中我们主要运用Pro/E软件进行阀体结构的造型设计。1.4课题任务具体要求及预期成果具体任务：(1)资料收集、方案确定及总装图设计；(2)各参数的设计计算；(3)运用CAD、Pro/E软件完成自闭水龙头的总体设计及二维设计；(4)设计及选择；(5)计图纸和编写设计说明书；预期效果：本毕业设计是为机制专业学生在学完基础理论课、技术基础课和专业课的础上，所设置的一个重要的实践性教学环节。其目的是：2(1)综合运用本专业所学课程的理论和生产实际知识，进行一次机械产品设计的实际训练，使学生树立正确的设计思想，培养和提高学生独立工作的能力和创新意识。(2)巩固与扩充“机械制图、机械设计基础、机械制造技术等课程所学的内容，学会机械产品设计的方法和步骤，掌握机械产品设计的一般规律。提高运用课程的理论与生产实际知识来分析和解决机械产品设计问题的能力。(3)固学生对AutoCAD、Pro/E软件等的综合应用能力。(4)有关设计能力，如计算能力、绘图能力等，熟悉设计资料（手册、图册等）的使用，熟悉标准和规范等。掌握经验估算等机械产品设计的基本技能。(5)完成毕业设计说明书，绘制相应零件图、装配图。32总体机械结构设计2.1阀体结构设计在本次机械设计中，我们所选择的阀体结构设计是采用铸造模具铸造而成的，在阀体上面我们留有快速连接的螺纹接头，螺纹接头的设计和阀体采用一体铸造而成的，在铸造完成后在采取加工螺纹；阀体的主要铸造结构如下图2.1所示：图2.1阀体结构图在阀体的腔体内，阀柱的下端面刚好将阀体的下面腔体堵死，如果水流出来要经过阀柱的缺口A处，所以阀体下面的台阶是铸造时就铸造出来的，在加工时只需要将阀体的下端口面按照一定的要求加工就行了，在加工中保证下加工面平整，平面度要好，以免和阀柱配合时漏水。42.2整体结构设计在阀体的螺纹孔中拧装有带中心孔的阀柱，孔的下端是圆锥凹腔，凹腔侧壁上有出水孔，阀杆插装在阀柱中，阀杆的下端设计成有一定的锥面，阀杆的下锥端面和阀柱的锥端面配合，阀杆上部安装有扭簧，扭簧的一端固定在阀帽的侧壁上，另一端固定阀柱的侧面上，在开启状态停水时，能通过扭簧的作用下使水龙头自动关闭，主要结构功能如图2.2图2.2水龙头整体图1阀体2.阀柱3.阀杆4.压缩弹簧5.扭簧6、阀帽7.螺帽8.固定键2.2.1主要功能分析在上图的状态中是放水状态，放水状态时，扭簧5处于扭卷状态，在水压5的作用下阀杆3被水压冲击上推，压缩弹簧4受压，阀杆4的外锥面和阀柱2的内锥面相接触，两个锥面之前产生一定的摩擦力，使扭簧5不能转动阀帽和阀杆动作，A、B两个出水孔始终相对放水；一旦出现停水现象，水压消失，在弹簧3的作用下，阀杆3被压缩回来，两锥面的摩擦力消失，这时扭簧5转动阀帽和阀杆转动，从而使两个出水孔A和B相对位置错位，出水通道被堵死；一旦来水时，也不会出现跑水现象；如果需要放水，则需用手动扭转螺帽6，使A和B位置相对，为了使放水孔A和B两孔相对准确性，在阀帽和阀柱上面有固定的位置转动。2.3阀体材料选择并分析材料的成分特点及机械性能2.3.1材料的选择的原则(1)材料的工艺性能材料的加工工艺性能主要有：铸造、压力加工、切削加工、热处理和焊接等性能。其加工工艺性能的好坏直影响到零件的质量、生产效率及成本。所以，材料的工艺性能也是选材的重要依据之一。铸造性能：一般是指熔点低,结晶温度范围小的合金才具有良好的铸造性能。如：合金中共晶成分铸造性最好。压力加工性能：指钢材承受冷热变形的能力。冷变形性能好的标志是成型性良好、加工表面质量高，不易产生裂纹；而热变形性能好的标志是接受热变形的能力好，抗氧化性高，可变形的温度范围大及热脆倾向小等。切削加工性能：刀具的磨损、动力消耗及零件表面光洁度等是评定金属材料切削加工性能好坏的标志，也是合理选择材料的重要依据之一。可焊性：衡量材料焊接性能的优劣是以焊缝区强度不低于基体金属和不产生裂纹为标志。热处理：是指钢材在热处理过程中所表现的行为。如过热倾向、淬透性、回火脆性、氧化脱碳倾向以及变形开裂倾向等来衡量热处理工艺性能的优劣。总之，良好的加工工艺性可以大减少加工过程的动力、材料消耗、缩短加工周期及降低废品率等。优良的加工工艺性能是降低产品成本的重要途径。6（2）材料的使用性能材料的使用性能指的是零件在使用时所应具备的材料性能，包括机械性能、物理性能和化学性能。对大多数零件而言，机械性能是主要的必能指标，表现机械性能的参数主要有强度极限b、弹性极限e、屈服强度s或0.2、伸长率、断面收缩率、冲击韧性ak及硬度HRC或HBS等。这些参数中的强度是机械性能的主要性能指标，只有在强度满足要求的情况下，才能保证零件正常工作，且经久耐用。在材料力学的学习中，已经发现，在设计计算零件的危险截面尺寸或校核安全程度时所用的许用应力，都要根据材料强度数据推出。表（2.1）：几类典型零件的工作条件失效形式及主要机械性能指标可以看出，在设计机械零件和选材时，应根据零件的工作条件，损坏形式，找出对应材料机械性能的要求，这是材料选择的基本出发点。（3）材料的经济性能典型零件工作条件失效形式主要力学性能指标重要螺栓承受交变拉应力过量塑性变形或由疲劳而造成破断0.2、HBS-1p重要传动齿轮承受交变弯曲应力、交变接触压应力、齿面受滚动摩擦冲击载荷齿面过度磨损、疲劳麻点、齿的折断-1、bb、HRC、接触疲劳强度曲轴轴类承受交变弯曲应力、扭转应力、冲击载荷颈部摩擦、过度磨损、疲劳破断而失效0.2、-1、HRC弹簧交变应力、振动弹性丧失或疲劳破断sb、e、-1p滚动轴承点线接触下的交变压应力、滚动摩擦过度磨损、疲劳破断而失效bc、-1、HRC7每台机器产品成本的高低是劳动生产率和重要标志。产品的成本主要包括：原料成本、加工费用、成品率以及生产管理费用等。材料的选择也要着眼于经济效益，根据国家资源，结合国内生产实际加以考虑。此外，还应考虑零件的寿命及维修费，若选用新材料还要考虑研究试验费。作为一个机械设计人员，在选材时必须了解我国工业发展趋势，按国家标准，结合我国资源和生产条件，从实际出发全面考虑各方面因素。对于以上的分析，从泵壳的使用场合和工作情况选择材料，零件的工作条件包括:载荷性质静载荷，冲击载荷、循环载荷；应力情况工作应力的种类、大小、分布、残余应力及应力集中；工作介质有无腐蚀性氛围，润滑剂等；环境温度高温、低温、常温和交变温度。从工件的可铸造性来分析和确定，本阀体的材料选择ZAL100。83各项参数的计算3.1两锥面摩擦力的计算3.1.1阀杆下表面的压力计算在水压的作用下，阀杆所处的压力是由于在开始放水时，水流对阀杆的压力，在放水时，有B孔跑出去的水目前忽略不计：在正常的家庭一般的自来水压力为0.7Mpa左右，一般的楼层较低的，会在1Mpa，目前我们的计算按照0.7来计算，具体面积尺寸参照下图，如图3.1图3.1阀杆锥面图由上图所示在计算水压面积时，水的作用是指向四周的，所以在计算中不能单纯的计算作用的底面积，我们要计算全部的面积，从上图可以看出，我们可以将锥形的内圆面积简化为一个直径为12，高为12mm的圆柱体：则面积为：.（3.1）2rDhA则式中h圆柱体的高度h=12mmD圆柱的直径D=12mm则222.5614.3.1mr9所以压力:NPAF6.3952.7.0式中：P压强p=0.7Mpa3.1.2阀杆锥面的摩擦力计算滑动摩擦力和静摩擦力的求解方法是不一样的，在求解摩擦力大小时，一定要分清是静摩擦力，还是滑动摩擦力滑动摩擦力大小的计算1公式法：根据F=FN计算（1）根据物体的受力情况，求出对物体的正压力FN.（2）由公式F=FN求出滑动摩擦力，其中户为动摩擦因数2二力平衡法：物体处于平衡状态（匀速、静正），根据二力平衡条件求解静摩擦力的计算（1）平衡条件法求解静摩擦力如同水平面上放一静止的物体，当人用水平推力推物体时，此物体静止不动，据二力平衡条件，说明静摩擦力的大小等于推力的大小，（2）静摩擦力是一种被动力，它随外力的变化而变化，静摩擦力的取值范围：OFFmax，与物体间的正压力无关，因此不能用公式F=FN求解3最大静摩擦力Fmax。：大小等于物体刚刚滑动时沿接触面方向的外力，是静摩擦力的最大值，大于滑动摩擦力，一般情况认为二者相等，最大静摩擦力Fmax。与正压力有关，公式为Fmax=静FN，静为物体间的静摩擦因数，比动摩擦因数略大在两个锥面的配合中，没有产生相对的位移，所以属于静摩擦，在计算摩擦力的时候就要以静摩擦力的公式计算；在两个相对的零件选材时也要选择相对应的材料，所以选择钢对青铜，所以摩擦系数；2.0则两锥面的摩擦力为：NF179635.所以在摩擦力的作用下使上面的扭簧能够保持该位置，上面的压缩弹簧是靠水压压在上面下不来的。3.2扭簧的选择及计算10在扭簧的选择中我们要选择力能够大于阀帽和阀杆相对与阀柱的摩擦力，又要小于有水流时阀锥面的摩擦力；弹簧扭转的时候材料是拉伸或者剪切状态比如谈到的扭转度计算，因此这个可扭转的角度限制最后是因为材料的失效而造成的，当材料发生塑性变形时无法恢复原来状态。因此最后归结为材料的抗拉强度跟抗剪强度，当然用第四强度理论计算得到的应力为材料可承受的最大强度，结合弹簧的长度，便可以计算出最大允许扭转角度.此弹簧材料的选择，由于有水的地方，所以弹簧不能够生锈，所以我们选择不锈钢的材料。对于弹簧参数的计算，按照下图3.2如图所示：3.2扭簧的变形受力图首先进行弹簧直径的计算，如下公式：.（3.2）312bpnKTd式中bp弹簧的许用弯曲应力查表得bp=624Mpab75.0所以4C-1=4.52C-4.521.41CC=2.3,以弹簧的摩擦计算，阀杆的半径为R5，摩擦力为79.12N最大扭矩nT，所以最大扭矩应该小于此力的0.5：所以mNn79125.0.11所以选择T=5000N所以钢丝的直径为：mKTdbpn45.01624.33.5231所以圆整，d=0.5mm弹簧的刚度NDnET.76835.0126744/工作中最大的转角5所以以上弹簧计算复合设计需求。12结论一段紧张繁忙的时间后，我们的毕业设计也即将结束，虽然设计困难重重，但也不无乐趣。通过这次严格的考验，使我们增益不少，不仅对所学知识有了进一步的巩固，而且对各门功课更有了深刻的认识，解决了许多平时学习中遗留下来的难点和疑点，也更丰富了自己的知识面，对本专业的特点和设计的思维方式及各个方面的能力都有更进一步的认识和提高，尤其是理论联系实际的能力大大增强，为将来的工作打下了坚实的基础。这次设计，在有水状态时经过水压使锥面摩擦力克服上面的弹簧力，所以在水龙头开启时，扭簧不会复位，在本次设计主要涉及弹簧力的计算，阀杆摩擦力的计算，最终完成整个机械结构的设计。总之，这次设计使我受益匪浅，认识和了解了自己的不足之处，使我明白了学无止境的道理，当然，在本次设计中也出现了许多的问题，如对理论知识的理解不深，实际应用能力不强，动手能力差、实践经验不足等，有的问题在设计过程中已经解决，但许多的问题还需要在今后的工作和学习中进一步提高。由于知识水平有限，在计算、设计及分析过程