基于UG NX的马桶节水机构设计研究

赵战锋，唐徐阳

(温州职业技术学院机械工程系，浙江 温州 325035)

随着城镇建设发展和人们生活素质的提高，抽水马桶已成为家庭、宾馆及公共场所的主要卫生洁具。卫生间用水量占家庭用水总量约60%左右，其中抽水马桶的用水量占居民总生活用水量的1/3以上[1－2]。传统抽水马桶通常设有大小2个档位的水量排放，使用时排放出约3或8L水冲入马桶，对于有时水量需求为4到6L时，往往需要对小档位冲刷多次，或按下大档位排出较多的水，造成了水的浪费[3－4]。本研究将传统马桶排水机构的两档级排水改造为基于螺旋凸轮驱动的锥形齿排水，能够实现基于旋转角度进行无级连续排水。在日常生活中，可以根据实际需求排放出合适的水量，节约用水。新机构的整体大小和排水量兼容传统马桶的水箱，可以对现有马桶进行改造或生产新马桶，具有十分重要的经济和社会意义。

UG NX软件是西门子公司的高端计算机工业软件，广泛应用于工业产品、机电设备的设计和制造。它能够无缝结合AutoCAD工程图，进行多实体三维建模，灵活实现机构的三维可视化虚拟装配。本文以UG NX软件作为三维建模工具，在二维装配图和排水量计算基础上设计马桶节水机构。

1 节水机构工作原理

传统马桶的排水机构如图1所示，套管为控制冲水组件，使用时通过压下按键冲水，其排水量由驱动水量大小的2个按键确定，不能实现自由排水。

图1 传统马桶排水机构

针对传统两档级排水机构的局限，本研究设计了改进型的节水机构。其主要特点是:将传统的抽水机构的两档排水按钮，设计成无级连续性排水，可根据实际用水需求控制适合的排放量。其实现的核心在于螺旋曲面凸轮机构。凸轮的驱动设计成旋转手轮，实现180°转动。凸轮的下表面设计成双螺旋曲面，完成旋转运动到轴向直线运动的换向。连续排水的关键是排水组件，其结构设计成锥齿状，如图2所示。凸轮螺旋下降过程中，排水组件锥度啮合逐步打开，马桶存储的水由锥齿间排出，流向排水管。

图2 锥形齿排水组件

无级排水马桶节水机构的详细原理如图3所示，其动态工作过程描述如下:

图3 新型马桶节水机构

a.使用者轻轻转动手轮1，驱动螺旋凸轮2作旋转运动。在凸轮旋转平面的下端设计有滚珠，保证旋转的顺畅并增强其耐磨性。

b.螺旋凸轮2底部曲面设计成倾斜角度为21°的双螺旋线曲面。在凸轮整体作轴向旋转运动时，由螺旋曲面推动调节杆5向下运动，从而实现平面内旋转到竖直方向的直线运动变换。手轮旋转角度与调节杆的竖直位移关系如图4(a)所示。为提高凸轮机构的使用寿命，保证机构的运动平稳，在凸轮螺旋曲面和调节杆的滑动接触面之间，设计了球形定位珠4。

图4 旋转动态变化参数

c.调节杆直线向下运动时，推动排水组件8向下直线运动，推动锥形齿部件下降，如图2(b)所示。

d.排水组件15固定在马桶箱体的下部，属于固定件。其下表面与组件8呈圆锥形轮齿啮合。如图2所示。当排水组件的运动部件向下运动时，锥形齿件排水间隙变大，马桶水及时排出。水量的多少由运动部件的位移和冲水时间确定。此组件是机构无级排水的关键。马桶排水量随旋转角度的无级变化关系如图4(b)所示。

e.冲水完成后，用户停止旋动手轮。排水组件在复位弹簧的作用下上移复位，锥形齿排水间隙变小至关闭状态。

f为保证凸轮和排水组件在竖直往复运动中定向准确，稳定可靠，整个节水机构以中心定位轴16，进行定位、导向、支撑。

整个马桶排水机构实现了靠旋转手轮无级排水，从而能够排出与实际需求相当的水量，节约了用水。

2 节水机构关键参数

由于传统马桶在实际生活设施中数量巨大，马桶的水箱整体基本固定，为了更好推广应用新型节水马桶机构，创造社会效益，因此机构的整体参数需要与现有马桶保持尺寸和体积的完全兼容。经对传统马桶的调查，结合其水箱大小和马桶排水的按压距离，设计了直径为40mm、螺旋变化高度为30mm的螺旋凸轮组件(图5中的凸轮)，此距离为驱动手轮在旋转180°过程中的竖直位移变化，同时也是双螺旋曲面的螺距。

图5 三维模型

节水机构的排水服从伯努利方程规律，流速可根据流体在断面移动过程中其位能、压能和动能之和保持恒定的原理进行计算[5]。对于贮水高度差为h的马桶水箱来说，水面顶部总能量和排水处总能量守恒可表示为

式中:z1=h;p1=p2，表示大气压强;u1=0;z2=0;u2表示待求解的排水口流速。

由此，得出

式中:g为重力加速度，取10m/s2来计算;h为水箱水位高度，取为250mm。

由于粘性阻力和排水组件等对水流的阻力影响，实际水流速度总会比式(2)所计算理想值小。实践表明可对理想流速加一个系数进行修正[5]，修正系数记为φ，则实际流速由式(3)计算

由经验和试验确定φ =0.8。

排水量Q是流速与出水口面积的乘积:

出水口面积S的数值由UG NX软件测量锥形齿间面积得到。排水量随旋转角度的变化关系如图4所示。结果既可确保节水机构的大小能够兼容传统马桶的安装，又能满足实际冲水量的变化需求。

3 节水机构三维建模

完成马桶节水机构的原理设计和关键参数的确定后，就可以进行UG NX三维建模造型。建模充分应用软件的空间曲线和多实体建模技术，与二维装配原理图无缝集成。其建模核心过程如下:

a.新建模型文件，导入dwg装配文件到三维建模环境下。通过移动、变换命令将图元放置到合适的位置。结合组件的三维要求，创建空间螺旋线。

b.应用拉伸、旋转、扫掠等命令创建节水机构的组件。在装配管理上，将每个建模完成的组件实体移动到单一固定图层。

c.应用对象显示命令，对创建的组件实体进行颜色和透明度的渲染处理。

d.使用变换命令，对节水机构进行运动分析和干涉检查。在检查过程中及时对模型进行修改。

e.三维建模完成后，创建模型的爆炸视图和零件的工程图，为加工生产做准备。

建模完成的节水机构如图5所示，其功能上实现了排水量无级可变，体积上兼容传统马桶水箱，适合批量改造现有传统马桶和生产新马桶。

4 结束语

传统马桶在社会上数量巨大，带来了水资源的巨大浪费。新设计的马桶无极连续排水机构基于螺旋凸轮和锥形齿排水组件，使用方便、运行平稳，并在整体外形尺寸上兼容传统马桶，可以规模化推广，具有较高的实用价值和广泛的应用前景。如果在生活中广泛使用，既可节约水资源，又能降低居民用水成本，为建设环保型、节约型社会贡献一份力量。

[1] 孙骅，王嘉俊.基于SolidWorks的一种节水马桶系统的结构设计[J].节能与环保，2010(11):39－41.

[2] 戴建，蒋素清.基于Pro/E无档级抽水马桶节水器的三维建模[J].机械工程师，2011(5):42－43.

[3] 李碧桃.家用冲水马桶节水新方法及其装置[J].产品与材料，2008，36(12):37－38.

[4] 任世理，何永梅.冲落式节水型坐便器的研制[J].陶瓷，2006(4):19－21.

[5] 陈长植.工程流体力学[M].武汉:华中科技大学出版社，2008.