新型節水閥的研究

郭鵬程

(陜西理工學院機械工程訓練中心，陜西漢中 723003)

傳統的水龍頭是通過人為干涉對水開和關進行控制，但是有時由于打開水龍頭恰好管道無水或使用過程中突然停水，人們往往會忘記關閉節水閥而去，當來水時就會造成白白流失。雖然市場上出現各種節水閥如感應閥、延時閥等，但這些節水閥不具備無水自動關閉的功能。基于流體力學原理，設計了一種無水自動關閉節水閥，不僅可以調節流量，而且還能實現無水自動關閉功能，即無水時節水閥處于打開狀態，當再次來水，在水壓力的作用下節水閥自動關閉;若用水時，先手動關閉節水閥，然后再開啟即可正常使用。

1 傳統水龍頭

傳統水龍頭是由手柄、螺桿、閥蓋、閥芯、密封墊和閥體組成。正常使用時，旋轉手柄使螺旋桿下移，驅使閥芯下壓密封墊，節水閥關閉;反向旋轉手柄、螺桿上移，閥芯和密封墊在水沖力作用下也隨之上移，進水口隨之打開，并對流量進行調節。傳統的水龍頭靠人為因素對其進行控制，不具備自控功能。

2 無水自動關閉節水閥

來水前如果節水閥處于開啟狀態，一旦來水無水自動關閉節水閥則會自動關閉。

2.1 結構

圖1為無水自動關閉節水閥，由手柄、螺桿、閥蓋、閥套、閥芯、Y型密封圈、密封墊和閥體組成。

圖1 無水自動關閉節水閥

閥芯與螺桿聯接，閥芯上安裝Y型密封圈密封，與閥套間隙配合。閥套底面有一細小孔，該孔用于連通進水口與閥套和閥芯之間的空腔。

2.2 工作原理

無水自動關閉節水閥可通過4個工作過程分析:第一個階段——關閉階段，如圖2(a)所示。

圖2 工作原理

旋緊手柄使螺桿下移，閥芯也隨之下移，驅使閥套移動至進水口，擠壓密封墊，節水閥關閉。一般情況下橡膠當密封墊擠壓11%～20%時，根據材料力學［1］F=EAΔl/l，密封進水口密封墊所需的密封力:

第二階段——開啟階段，如圖2(b)所示。開啟瞬間，由于閥套底面外表面與進水口接觸，水壓力對閥套向上的作用力為:

式中:p為管道水的壓力。

當該作用力大于閥套和密封墊的重力G時，閥套隨閥芯上移，即:

當閥套上移到某一高度時，如圖2(b)所示，閥套底面水壓力減小為p0，水壓對閥套底面的作用面積增大，當滿足以下條件:

閥套停留在某一高度，進水口打開，節水閥開啟，隨著閥套高度的變化，對流量進行調節。

在節水閥開啟過程中，水壓的波動會造成閥套相對于閥芯在一定情況下出現上下浮動，瞬間閥芯與閥套之間出現空腔，如圖2(c)所示。

水壓經過細小孔d0進入空腔，由于水流經小孔產生壓降、以及Y型密封圈泄漏，空腔內的壓力為p1，當條件滿足:

閥套仍在此高度滯留，節水閥保持開啟狀態。

第三階段——自動關閉，如圖2(d)所示。如果停水時節水閥處于開啟狀態，閥芯滯留在原來的位置，而閥套在自重的作用下移至出水口，閥芯與閥套之間形成空腔。

節水閥處于關閉狀態，實際上水壓越大自動關閉密封效果越好。

第四階段——再次開啟。當節水閥處于無水自動關閉狀態時，若需要用水時，先旋轉手柄，閥芯下移，驅使閥套下移直至其空腔消失，密封進水口，如圖2(d)所示。再次打開水龍頭時，整個過程與第一階段相同，實現開啟功能。

3 技術關鍵

文中有兩個關鍵點:(1)保證節水閥順利開啟，(2)保證良好的自動關閉。

通過式 (3)、(4)可以看出，開啟時要求閥套內直徑d1和細小孔直徑d0值比較小、自動關閉時比較大。在這兩個階段對該參數的要求恰恰是一對矛盾，要保證這兩個階段的良好性能，必須協調好進水口直徑、閥套內直徑和細小孔直徑之間的相互關系，通過Y型密封圈協助完成。

3.1 Y形密封圈

Y型密封圈具有較好的適應性，可補償較大的公差，它與閥套配合使用，對控制性能起著決定性的作用。

為了保證節水閥在開啟狀態下，因停水閥套在自重作用下能自由下移，要求Y型密封圈與閥套之間不需要預緊力，采用間隙配合;當來水時，經細小孔進入空腔內的水壓能快速使Y型密封圈唇邊外脹、密封，使空腔瞬間具有足夠的壓力作用在閥套底面上表面，起到自動關閉的作用，這就要求Y型密封圈與閥套采用小間隙配合。

考慮橡膠密封圈制作精度，選取Y型密封圈與閥套的配合為H8/e9較為適宜。

3.2 細小孔直徑d0

細小孔的主要作用是在無水自閉狀態下，連通進水口和空腔，使水壓能迅速充滿空腔，使Y型密封圈唇邊外脹、閥套密封。因為Y型密封圈與閥套之間的間隙會產生一定的泄漏，這就要求流經細小孔的流量必須遠大于因Y型密封圈與閥套之間間隙而產生的泄漏量，即細小孔直徑盡可能大。但是同時還要保證節水閥開啟時閥套底面有足夠的作用面積，即細小孔直徑盡可能小。

首先考慮自動關閉，根據伯努利方程流經細長小孔流量［2］:

其中:μ為水的黏度;

l0為細小孔長度。

流經Y型密封圈與閥套之間環狀縫隙的流量［3］:

其中:p2為閥體內的壓力;

l1為閥芯的配合長度;

δ1為閥芯與閥套的間隙。

由于閥體與出水口相連，所以p2≈0。

根據以上可推導出:

其次考慮開啟。開啟要求閥套底面下表面具有足夠的作用面積，所以要求閥套內徑d1和細小孔直徑d0滿足式 (2)— (4)。

4 舉例

實驗所用:節水閥公稱通徑d=10 mm，城市生活用水一般供水壓力p=3×105Pa。根據進水口直徑，取橡膠密封墊直徑為16 mm、厚度3 mm，彈性模量E=3×10－3GPa。考慮要達到自動密封效果，取閥套直徑20 mm，閥芯與閥套配合采用φ20H8/f7(最大間隙0.074 mm)，配合長度l1=5 mm。根據具體情況，取細小孔長度l0=6 mm。

根據式 (1)計算密封所需要的密封力:

根據式 (4)和 (5)聯立求細小孔直徑:

d0＞1.7 mm

考慮開啟能順利進行，根據式 (2)— (4)，取d0=2.5 mm。

5 結論

無水自閉節水閥根據壓力作用的面積差實現自動關閉功能。正常有水時，閥套在水壓力作用下隨閥芯移動、并對水流量進行調節。無水時當節水閥處于打開狀態，閥套在自重的作用下移動至進水口表面，閥套與閥芯之間形成空腔。來水時水壓經細小孔作用在空腔底面的面積大于水壓作用在閥套外底面 (進水口)面積，閥套受到作用力的合力向下，壓縮密封墊進而密封進水口。水壓越大，密封效果越好。

操作事項如下:

(1)有水正常使用與傳統節水閥相同。

(2)無水而節水閥處于打開狀態時，來水時，節水閥內部處于關閉狀態，節水閥無水流出。

(3)需要用水時，先手動關閉節水閥，然后打開即可正常使用。

(4)該節水閥適應于管路末端，不可中端使用。

無水自動關閉節水閥結構簡單、體積小、成本低、操作與傳統節水閥相同，無需電能控制，適應于家庭及公共場所。

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