可調(diào)延時自閉水嘴的閥芯設(shè)計與優(yōu)化

周林

（福建西河衛(wèi)浴科技有限公司，福建 廈門 361021）

可調(diào)延時自閉水嘴的閥芯設(shè)計與優(yōu)化

周林

（福建西河衛(wèi)浴科技有限公司，福建 廈門 361021）

為了達到節(jié)約用水的目的，也為了實現(xiàn)可調(diào)延時自閉水嘴的可靠穩(wěn)定性能，設(shè)計出一種多口閥芯。通過對此多口閥芯的定流量進行控制，就可以實現(xiàn)可調(diào)延時自閉水嘴節(jié)約用水的要求，符合實用、節(jié)約的要求。特別是當閥芯入口與地面的夾角為25°時，自閉水嘴的功能特性最好。本文主要對此夾角下的可調(diào)延時自閉水嘴的閥芯進行設(shè)計，以期優(yōu)化閥芯。

可調(diào)；延時；自閉水嘴；閥芯

本文主要根據(jù)孔板節(jié)流的原理，具體分析了可以達到節(jié)水效果的閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且對水嘴的流場性能進行分析，然后還利用一定的技術(shù)手段對水嘴內(nèi)部流場性能進行仿真模擬測試，進一步分析水嘴內(nèi)部流場特性，并且優(yōu)化了閥芯入口與水平面的夾角，最終達到節(jié)約用水的目的。

1 可調(diào)延時自閉水嘴的結(jié)構(gòu)和工作原理

此可調(diào)延時自閉水嘴從上到下、從里到外分別由手輪、主軸、卷簧、齒輪、行星輪、卡擺、卡槽、推桿、復(fù)位彈簧、閥芯、閥套以及外殼構(gòu)成，其具體的三維結(jié)構(gòu)圖如圖1所示。

圖1 可調(diào)延時自閉水嘴的三維結(jié)構(gòu)示意圖

在手輪上有兩個具有延時刻度的小孔，具體的操作過程也比較簡單，只需要將手輪上具有延時刻度的小孔移動至極限位置時松開，在延時機構(gòu)和復(fù)位機構(gòu)的作用下，這樣具有延時刻度的小孔在復(fù)位時，達到水嘴自動關(guān)閉的效果。另外，在手輪轉(zhuǎn)動的同時，主軸、卡槽會隨之而轉(zhuǎn)動，這時候，轉(zhuǎn)動的卡槽會壓制推桿以及復(fù)位彈簧，在推桿離開卡槽時，閥芯的入口與閥套上的開口二者互相重合，這時候水流量最大，水嘴全部開啟。除此以外，在主軸轉(zhuǎn)動的前提下帶動卷簧蓄勢能量，卷簧還會產(chǎn)生一種反向的力矩。在手輪松開后，卷簧的反向力矩會進一步帶動卡槽的轉(zhuǎn)動，延時機構(gòu)控制著卡槽轉(zhuǎn)動的速度，在推桿位于卡槽的槽口時，在復(fù)位彈簧的推動下，推桿會進入卡槽內(nèi)部，這時候閥芯也回到了原來的位置，水嘴呈關(guān)閉狀態(tài)。

目前為止，具有可調(diào)延時自閉功能的水嘴有兩種，一是感應(yīng)式，二是機械式。其中，機械式可調(diào)延時自閉水嘴工作的核心部件是閥芯，閥芯本身就控制著水嘴的流量大小、開關(guān)方式以及水嘴的穩(wěn)定性能和工作壽命。以下來進一步介紹閥芯的結(jié)構(gòu)特征以及工作方式。

2 閥芯結(jié)構(gòu)設(shè)計

2.1 閥芯結(jié)構(gòu)形式

在閥芯的結(jié)構(gòu)形式中，在閥芯的側(cè)面開有一個水流入口，目的是保證水嘴流量的恒定并且將水壓、水質(zhì)對于閥芯性能的影響降到最低。閥芯可以控制水嘴的流量大小，在閥芯的側(cè)面開設(shè)入口以及窗口，通過控制這些入口和窗口的數(shù)量和尺寸就可以實現(xiàn)對水嘴流量的控制。另外，由于閥芯的尺寸和受力情況的影響，閥芯的入口和窗口不宜開設(shè)過多，一般為2個或者4個，呈對稱式分布。其中，對于兩個入口及窗口數(shù)的閥芯半剖結(jié)構(gòu)示意圖如圖2所示。

圖2 2口閥芯半剖結(jié)構(gòu)示意圖

2.2 閥芯參數(shù)

閥芯的具體參數(shù)如圖2所示，以下將進一步討論閥芯參數(shù)和流量之間的聯(lián)系。閥芯是可調(diào)延時自閉水嘴中起主導(dǎo)作用的元件，閥芯對于水嘴而言就是一個起到節(jié)流作用的孔板，就其中的深入分析可以借助流體力學(xué)的方法來進行流量的大小分析。設(shè)水嘴入口為截面1，閥芯入口為截面2，由流體力學(xué)的方法可得連續(xù)方程：

式中，u1、u2代表截面1和截面2處流體的平均速率。

水嘴入口的實際面積為：

式中，d1代表水嘴入口的直徑大小。

閥芯入口的實際面積為：

式中：n代表閥芯側(cè)面所開設(shè)的入口及窗口數(shù)；

a代表窗口的橫截面寬度；

b代表窗口的橫截面高度。

由于閥芯入口的實際面積和閥芯窗口的橫截面高度是兩個相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)函數(shù)，因此，對于每一個橫截面高度而言，都有一個實際面積與之對應(yīng)，而對于每一個實際面積而言，又都有一個具體的額定流量與之對應(yīng)。國家制定了對于水嘴流量相應(yīng)的規(guī)定，其中特別指出在壓力為（0．2± 0．02） MPa的范圍之內(nèi)時，水嘴流量切不可超過9L/min。在此閥芯的具體設(shè)計中，設(shè)定水嘴流量為7L/min，兩個截面之間的壓力差值為1kPa，這個時候閥芯內(nèi)部的管道直徑最小，為11mm。如果閥芯的橫截面寬度太大，就會導(dǎo)致閥芯的強度降低，因此在設(shè)計閥芯截面寬度時不宜過大，此設(shè)計選取橫截面寬度為8mm。

將水嘴流量方程和Matlab編程結(jié)合起來，就會得到在閥芯開設(shè)窗口個數(shù)不相同時，可調(diào)延時自閉水嘴閥芯窗口橫截面高度和水嘴流量的關(guān)系，此關(guān)系可以方便我們后續(xù)對于水嘴流量、閥芯界面數(shù)量以及閥芯截面高度的準確選取。

3 閥芯流場分析

為了確定2口閥芯和4口閥芯的具體功能和結(jié)構(gòu)特性，特此做出了閥芯流場模擬仿真實驗。此仿真實驗分析作用的水嘴狀態(tài)為打開狀態(tài)，并且假設(shè)閥芯和閥體二者緊密相連，無縫隙，假設(shè)流體是不能進行壓縮的理想狀態(tài)下的流體，在這些理想狀態(tài)下，根據(jù)國家制定的標準測試條件對水嘴的性能進行測試，將水嘴的入口壓力設(shè)定為一個定值，即可得到可調(diào)延時自閉水嘴的流場壓力圖。對于此水嘴的流場壓力圖做進一步的分析，可得到閥芯的壓力分布情況，即壓力較大的部位位于閥芯的上半部分，而壓力較小的部位則分布于閥芯的下半部分，這就使得閥芯在不同程度的壓力下有著不同程度的負壓區(qū)以及回流區(qū)。負壓區(qū)和回流區(qū)地帶容易形成漩渦、產(chǎn)生振動和噪音，造成閥芯受力不均，導(dǎo)致閥芯流場特性極其不穩(wěn)定。因此要盡可能的降低壓力之間的差距，進而減少負壓區(qū)和回流區(qū)產(chǎn)生的振動等不良影響，進而使得閥芯內(nèi)部擁有穩(wěn)定的流場特性。

另外通過閥芯的放大圖可以看出，4口閥芯整體上都比2口閥芯的性能高，特別是負壓區(qū)的范圍大小，其次還有回流區(qū)的區(qū)域大小。如果對2口閥芯和4口閥芯施加相同的壓力，可以看到2口閥芯整體的升降程度要大于4口閥芯，2口閥芯在入口和出口之間的壓力差較大；而4口閥芯整體的升降程度小，入口與出口之間的壓力差小，過渡就顯得十分平緩。從多方面多角度來進行分析，可以看出，4口閥芯水嘴流場壓力過渡比2口閥芯要平緩，因此選取4口閥芯更為合理。通過以上對于2口閥芯和4口閥芯的比較可得，在流體流量相同的前提下，4口閥芯有著更為優(yōu)越的性能，4口閥芯內(nèi)部所受壓力均勻穩(wěn)定，流場性能更強，因此該設(shè)計選用4口閥芯。

4 閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計

閥芯流場特性受閥芯入口結(jié)構(gòu)的影響較大，假定閥芯入口的窗口形狀、大小、截面寬度以及截面的高度一定，調(diào)節(jié)窗口與水平面的夾角θ，觀察閥芯內(nèi)部流場性能的變化，以得到一個最為合適的夾角θ。當θ=0°時，假定θ逆時針方向為正方向，可得閥芯夾角變化的范圍為-90°～90°，但是這并不是最佳的入口傾角，由于流體方向改變會對閥芯造成影響，實際上閥芯夾角的變化范圍為0°～60°。

5 結(jié)語

本文主要對可調(diào)延時自閉水嘴進行了深入分析和探索，特別是對水嘴的重要元件閥芯進行了優(yōu)化設(shè)計，此閥芯功能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡單。對于閥芯的優(yōu)化過程，可以得出如下結(jié)論：要從實際情況的角度出發(fā)，根據(jù)水嘴流量的特性來設(shè)計閥芯的結(jié)構(gòu)功能，以便閥芯為水嘴服務(wù)，達到節(jié)約用水的目的。水嘴內(nèi)部出現(xiàn)負壓區(qū)和回流區(qū)時，就會導(dǎo)致水嘴的振動，產(chǎn)生漩渦，嚴重時還可以產(chǎn)生噪音，使得水嘴的穩(wěn)定性能降低。閥芯是水嘴的一個核心元件，對閥芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進行優(yōu)化設(shè)計，可以提高水嘴內(nèi)部流場的性能，經(jīng)模擬仿真分析得出，在閥芯與水平面的夾角為25°時，水嘴內(nèi)部流場性能最為穩(wěn)定。

[1]趙福增．我國綠色建筑節(jié)水及水資源利用技術(shù)措施和指標研究[D]．重慶：重慶大學(xué)，2014．

[2]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，2015,18(3):81～ 83．

TS914.33

A

1671-0711（2017）10（上）-0117-02