可调延时自闭水嘴的阀芯设计与优化

周林

（福建西河卫浴科技有限公司，福建 厦门 361021）

可调延时自闭水嘴的阀芯设计与优化

周林

（福建西河卫浴科技有限公司，福建 厦门 361021）

为了达到节约用水的目的，也为了实现可调延时自闭水嘴的可靠稳定性能，设计出一种多口阀芯。通过对此多口阀芯的定流量进行控制，就可以实现可调延时自闭水嘴节约用水的要求，符合实用、节约的要求。特别是当阀芯入口与地面的夹角为25°时，自闭水嘴的功能特性最好。本文主要对此夹角下的可调延时自闭水嘴的阀芯进行设计，以期优化阀芯。

可调；延时；自闭水嘴；阀芯

本文主要根据孔板节流的原理，具体分析了可以达到节水效果的阀芯结构参数，并且对水嘴的流场性能进行分析，然后还利用一定的技术手段对水嘴内部流场性能进行仿真模拟测试，进一步分析水嘴内部流场特性，并且优化了阀芯入口与水平面的夹角，最终达到节约用水的目的。

1 可调延时自闭水嘴的结构和工作原理

此可调延时自闭水嘴从上到下、从里到外分别由手轮、主轴、卷簧、齿轮、行星轮、卡摆、卡槽、推杆、复位弹簧、阀芯、阀套以及外壳构成，其具体的三维结构图如图1所示。

图1 可调延时自闭水嘴的三维结构示意图

在手轮上有两个具有延时刻度的小孔，具体的操作过程也比较简单，只需要将手轮上具有延时刻度的小孔移动至极限位置时松开，在延时机构和复位机构的作用下，这样具有延时刻度的小孔在复位时，达到水嘴自动关闭的效果。另外，在手轮转动的同时，主轴、卡槽会随之而转动，这时候，转动的卡槽会压制推杆以及复位弹簧，在推杆离开卡槽时，阀芯的入口与阀套上的开口二者互相重合，这时候水流量最大，水嘴全部开启。除此以外，在主轴转动的前提下带动卷簧蓄势能量，卷簧还会产生一种反向的力矩。在手轮松开后，卷簧的反向力矩会进一步带动卡槽的转动，延时机构控制着卡槽转动的速度，在推杆位于卡槽的槽口时，在复位弹簧的推动下，推杆会进入卡槽内部，这时候阀芯也回到了原来的位置，水嘴呈关闭状态。

目前为止，具有可调延时自闭功能的水嘴有两种，一是感应式，二是机械式。其中，机械式可调延时自闭水嘴工作的核心部件是阀芯，阀芯本身就控制着水嘴的流量大小、开关方式以及水嘴的稳定性能和工作寿命。以下来进一步介绍阀芯的结构特征以及工作方式。

2 阀芯结构设计

2.1 阀芯结构形式

在阀芯的结构形式中，在阀芯的侧面开有一个水流入口，目的是保证水嘴流量的恒定并且将水压、水质对于阀芯性能的影响降到最低。阀芯可以控制水嘴的流量大小，在阀芯的侧面开设入口以及窗口，通过控制这些入口和窗口的数量和尺寸就可以实现对水嘴流量的控制。另外，由于阀芯的尺寸和受力情况的影响，阀芯的入口和窗口不宜开设过多，一般为2个或者4个，呈对称式分布。其中，对于两个入口及窗口数的阀芯半剖结构示意图如图2所示。

图2 2口阀芯半剖结构示意图

2.2 阀芯参数

阀芯的具体参数如图2所示，以下将进一步讨论阀芯参数和流量之间的联系。阀芯是可调延时自闭水嘴中起主导作用的元件，阀芯对于水嘴而言就是一个起到节流作用的孔板，就其中的深入分析可以借助流体力学的方法来进行流量的大小分析。设水嘴入口为截面1，阀芯入口为截面2，由流体力学的方法可得连续方程：

式中，u1、u2代表截面1和截面2处流体的平均速率。

水嘴入口的实际面积为：

式中，d1代表水嘴入口的直径大小。

阀芯入口的实际面积为：

式中：n代表阀芯侧面所开设的入口及窗口数；

a代表窗口的横截面宽度；

b代表窗口的横截面高度。

由于阀芯入口的实际面积和阀芯窗口的横截面高度是两个相互关联的连续函数，因此，对于每一个横截面高度而言，都有一个实际面积与之对应，而对于每一个实际面积而言，又都有一个具体的额定流量与之对应。国家制定了对于水嘴流量相应的规定，其中特别指出在压力为（0．2± 0．02） MPa的范围之内时，水嘴流量切不可超过9L/min。在此阀芯的具体设计中，设定水嘴流量为7L/min，两个截面之间的压力差值为1kPa，这个时候阀芯内部的管道直径最小，为11mm。如果阀芯的横截面宽度太大，就会导致阀芯的强度降低，因此在设计阀芯截面宽度时不宜过大，此设计选取横截面宽度为8mm。

将水嘴流量方程和Matlab编程结合起来，就会得到在阀芯开设窗口个数不相同时，可调延时自闭水嘴阀芯窗口横截面高度和水嘴流量的关系，此关系可以方便我们后续对于水嘴流量、阀芯界面数量以及阀芯截面高度的准确选取。

3 阀芯流场分析

为了确定2口阀芯和4口阀芯的具体功能和结构特性，特此做出了阀芯流场模拟仿真实验。此仿真实验分析作用的水嘴状态为打开状态，并且假设阀芯和阀体二者紧密相连，无缝隙，假设流体是不能进行压缩的理想状态下的流体，在这些理想状态下，根据国家制定的标准测试条件对水嘴的性能进行测试，将水嘴的入口压力设定为一个定值，即可得到可调延时自闭水嘴的流场压力图。对于此水嘴的流场压力图做进一步的分析，可得到阀芯的压力分布情况，即压力较大的部位位于阀芯的上半部分，而压力较小的部位则分布于阀芯的下半部分，这就使得阀芯在不同程度的压力下有着不同程度的负压区以及回流区。负压区和回流区地带容易形成漩涡、产生振动和噪音，造成阀芯受力不均，导致阀芯流场特性极其不稳定。因此要尽可能的降低压力之间的差距，进而减少负压区和回流区产生的振动等不良影响，进而使得阀芯内部拥有稳定的流场特性。

另外通过阀芯的放大图可以看出，4口阀芯整体上都比2口阀芯的性能高，特别是负压区的范围大小，其次还有回流区的区域大小。如果对2口阀芯和4口阀芯施加相同的压力，可以看到2口阀芯整体的升降程度要大于4口阀芯，2口阀芯在入口和出口之间的压力差较大；而4口阀芯整体的升降程度小，入口与出口之间的压力差小，过渡就显得十分平缓。从多方面多角度来进行分析，可以看出，4口阀芯水嘴流场压力过渡比2口阀芯要平缓，因此选取4口阀芯更为合理。通过以上对于2口阀芯和4口阀芯的比较可得，在流体流量相同的前提下，4口阀芯有着更为优越的性能，4口阀芯内部所受压力均匀稳定，流场性能更强，因此该设计选用4口阀芯。

4 阀芯结构优化设计

阀芯流场特性受阀芯入口结构的影响较大，假定阀芯入口的窗口形状、大小、截面宽度以及截面的高度一定，调节窗口与水平面的夹角θ，观察阀芯内部流场性能的变化，以得到一个最为合适的夹角θ。当θ=0°时，假定θ逆时针方向为正方向，可得阀芯夹角变化的范围为-90°～90°，但是这并不是最佳的入口倾角，由于流体方向改变会对阀芯造成影响，实际上阀芯夹角的变化范围为0°～60°。

5 结语

本文主要对可调延时自闭水嘴进行了深入分析和探索，特别是对水嘴的重要元件阀芯进行了优化设计，此阀芯功能稳定、结构简单。对于阀芯的优化过程，可以得出如下结论：要从实际情况的角度出发，根据水嘴流量的特性来设计阀芯的结构功能，以便阀芯为水嘴服务，达到节约用水的目的。水嘴内部出现负压区和回流区时，就会导致水嘴的振动，产生漩涡，严重时还可以产生噪音，使得水嘴的稳定性能降低。阀芯是水嘴的一个核心元件，对阀芯的内部结构进行优化设计，可以提高水嘴内部流场的性能，经模拟仿真分析得出，在阀芯与水平面的夹角为25°时，水嘴内部流场性能最为稳定。

[1]赵福增．我国绿色建筑节水及水资源利用技术措施和指标研究[D]．重庆：重庆大学，2014．

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1671-0711（2017）10（上）-0117-02