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

可調(diào)；延時(shí)；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(dá)到節(jié)水效果的閥芯結(jié)構(gòu)參數(shù)，并且對(duì)水嘴的流場(chǎng)性能進(jìn)行分析，然后還利用一定的技術(shù)手段對(duì)水嘴內(nèi)部流場(chǎng)性能進(jìn)行仿真模擬測(cè)試，進(jìn)一步分析水嘴內(nèi)部流場(chǎng)特性，并且優(yōu)化了閥芯入口與水平面的夾角，最終達(dá)到節(jié)約用水的目的。

1 可調(diào)延時(shí)自閉水嘴的結(jié)構(gòu)和工作原理

此可調(diào)延時(shí)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(shí)自閉水嘴的三維結(jié)構(gòu)示意圖

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

目前為止，具有可調(diào)延時(shí)自閉功能的水嘴有兩種，一是感應(yīng)式，二是機(jī)械式。其中，機(jī)械式可調(diào)延時(shí)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(lái)進(jìn)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(jì)

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(gè)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(duì)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(guò)控制這些入口和窗口的數(shù)量和尺寸就可以實(shí)現(xiàn)對(duì)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(guò)多，一般為2個(gè)或者4個(gè)，呈對(duì)稱式分布。其中，對(duì)于兩個(gè)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(jìn)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(shí)自閉水嘴中起主導(dǎo)作用的元件，閥芯對(duì)于水嘴而言就是一個(gè)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(lái)進(jìn)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(shí)際面積為：

式中，d1代表水嘴入口的直徑大小。

閥芯入口的實(shí)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(shí)際面積和閥芯窗口的橫截面高度是兩個(gè)相互關(guān)聯(lián)的連續(xù)函數(shù)，因此，對(duì)于每一個(gè)橫截面高度而言，都有一個(gè)實(shí)際面積與之對(duì)應(yīng)，而對(duì)于每一個(gè)實(shí)際面積而言，又都有一個(gè)具體的額定流量與之對(duì)應(yīng)。國(guó)家制定了對(duì)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(shí)，水嘴流量切不可超過(guò)9L/min。在此閥芯的具體設(shè)計(jì)中，設(shè)定水嘴流量為7L/min，兩個(gè)截面之間的壓力差值為1kPa，這個(gè)時(shí)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(huì)導(dǎo)致閥芯的強(qiáng)度降低，因此在設(shè)計(jì)閥芯截面寬度時(shí)不宜過(guò)大，此設(shè)計(jì)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(lái)，就會(huì)得到在閥芯開設(shè)窗口個(gè)數(shù)不相同時(shí)，可調(diào)延時(shí)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(duì)于水嘴流量、閥芯界面數(shù)量以及閥芯截面高度的準(zhǔn)確選取。

3 閥芯流場(chǎng)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(chǎng)模擬仿真實(shí)驗(yàn)。此仿真實(shí)驗(yàn)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(wú)縫隙，假設(shè)流體是不能進(jìn)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(guó)家制定的標(biāo)準(zhǔn)測(cè)試條件對(duì)水嘴的性能進(jìn)行測(cè)試，將水嘴的入口壓力設(shè)定為一個(gè)定值，即可得到可調(diào)延時(shí)自閉水嘴的流場(chǎng)壓力圖。對(duì)于此水嘴的流場(chǎng)壓力圖做進(jìn)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(fù)壓區(qū)以及回流區(qū)。負(fù)壓區(qū)和回流區(qū)地帶容易形成漩渦、產(chǎn)生振動(dòng)和噪音，造成閥芯受力不均，導(dǎo)致閥芯流場(chǎng)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(jìn)而減少負(fù)壓區(qū)和回流區(qū)產(chǎn)生的振動(dòng)等不良影響，進(jìn)而使得閥芯內(nèi)部擁有穩(wěn)定的流場(chǎng)特性。

另外通過(guò)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(fù)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(duì)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(guò)渡就顯得十分平緩。從多方面多角度來(lái)進(jìn)行分析，可以看出，4口閥芯水嘴流場(chǎng)壓力過(guò)渡比2口閥芯要平緩，因此選取4口閥芯更為合理。通過(guò)以上對(duì)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(chǎng)性能更強(qiáng)，因此該設(shè)計(jì)選用4口閥芯。

4 閥芯結(jié)構(gòu)優(yōu)化設(shè)計(jì)

閥芯流場(chǎng)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(chǎng)性能的變化，以得到一個(gè)最為合適的夾角θ。當(dāng)θ=0°時(shí)，假定θ逆時(shí)針?lè)较驗(yàn)檎较颍傻瞄y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(huì)對(duì)閥芯造成影響，實(shí)際上閥芯夾角的變化范圍為0°～60°。

5 結(jié)語(yǔ)

本文主要對(duì)可調(diào)延時(shí)自閉水嘴進(jìn)行了深入分析和探索，特別是對(duì)水嘴的重要元件閥芯進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，此閥芯功能穩(wěn)定、結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單。對(duì)于閥芯的優(yōu)化過(guò)程，可以得出如下結(jié)論：要從實(shí)際情況的角度出發(fā)，根據(jù)水嘴流量的特性來(lái)設(shè)計(jì)閥芯的結(jié)構(gòu)功能，以便閥芯為水嘴服務(wù)，達(dá)到節(jié)約用水的目的。水嘴內(nèi)部出現(xiàn)負(fù)壓區(qū)和回流區(qū)時(shí)，就會(huì)導(dǎo)致水嘴的振動(dòng)，產(chǎn)生漩渦，嚴(yán)重時(shí)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(gè)核心元件，對(duì)閥芯的內(nèi)部結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，可以提高水嘴內(nèi)部流場(chǎng)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(shí)，水嘴內(nèi)部流場(chǎng)性能最為穩(wěn)定。

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