净水机单向阀的低噪声设计

周军

ZHOU Jun

佛山市美的清湖净水设备有限公司 广东佛山 528311

Foshan Midea Qinghu Water Purification Equipment Co., Ltd. Foshan 528311

1 引言

单向阀是净水机的关键部件之一，在净水机水系统和滤芯内部结构中，需要封水或者控制水流单向流动的场合很多。单向阀的功能是控制流体沿一个方向流动，而禁止反向流动。其主要性能要求是：当液体通过时流阻要小，当液体反向流入时，阀口密封性要好且无泄漏；工作时不应有振动、冲击和噪声。国内学者对单向阀类产品进行了大量研究，余武江等[1]对单向阀自激振荡机理进行研究，提出了单向阀的临界稳定曲线，通过三维动态流场仿真分析，研究了单向阀的动态稳定特性。刘上等[2]针对单向阀系统自激振荡现象，建立相应的非线性动力学模型，基于数值分析，证实系统在一定条件下会出现极限环，系统的局部稳定，但有大范围不稳定。王细波等[3]针对单向阀打开过程中的持续颤振现象，进行数值计算和试验验证，得出了此类产品的工作特性：不同入口压力下，单向阀大致可分为临界开启、持续振动和开度稳定（无振动）三个状态。本文基于单向阀工作特性和三维流场数值分析，对低噪声单向阀设计相关问题进行了相应的研究工作。

2 单向阀噪声产生机理

单向阀的运动部件是阀芯，工作时会出现较明显的呜呜声和啸叫声等异音，这主要由其阀芯颤振导致。单向阀的阀芯颤振问题属于流致振动，而流致振动通常可分为强迫振动和自激振动两种。强迫振动是由流道中的脉动流激发，自激振动由系统本身的运动激发，一般分为颤振、驰振及涡激振动等[4]。某款净水机产品出现较大呜呜声，其噪声1/3倍频程频谱如图1所示，主要峰值频率带为160Hz，其他个别阀体异音在250Hz频带也有发生。

上述异音单向阀的阀芯结构如图2所示，主要由阀壳体、阀芯和弹簧组成。液体正向导通时，水压克服弹簧力将阀体的阀芯顶开，液体导通；液体反向流入时，水压推动阀体的阀芯，压紧阀芯与阀壳体间密封圈，实现有效密封。

单向阀是由放置在阀腔的弹簧振子组成，其单自由度运动方程如下：

式中：z为阀芯振动位移，m为阀芯质量，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，z0为弹簧预压缩量，Fp为阀芯所受作用力。Fp可表示为阀芯前后压差与进口截面积的乘积，即Fp=Δp•1/4•π•D2，D为单向阀进口直径。

（1）若Fp=0，该运动方程的根为：

式中：c阻尼系数和k弹簧刚度均为正值，方程两个根均为负实根，阀芯振动是稳定的，任何小的扰动很快都会衰减到0。

（2）若Fp≠0，由于阀芯两侧液体的压力随阀芯位移发生变化，Fp也相应变化。阀芯的运动方程的根会出现以下几种情况：①为两正根，系统出现负阻尼，阀芯运动将是发散的，阀芯两侧压力提供自激振动的能量；②为具有非负实部的共轭复根，阀芯运动将是发散的，阀芯两侧压力提供自激振动的能量；③为具有负实部的两共轭复根或两负实根，系统仍为正阻尼，阀芯运动将是稳定的，任何小的扰动将很快衰减到0[5]。

单向阀的阀芯运动不稳定，任何一个微小的扰动都会使阀芯在其平衡位置以某一固有频率振动。单向阀在阀芯前后压力提供量自激振动能力作用下，阀芯发生颤振，从而产生较大的呜呜声和啸叫声等异音。另外，单向阀处于不稳定状态时，存在阀芯的临界开度和阀芯两侧临界压差，当阀芯开度小于临界开度时，阀芯出现运动不稳定。因此，单向阀呜呜声等异音的改善，可以从内部流场扰动改善、阀芯导向机构颤振改善和阀芯弹簧振子系统改善等方面进行，具有较高的可行性。

3 低噪声单向阀设计

低噪声单向阀设计主要从内部流场、阀芯导向结构和弹簧振子系统优化设计进行，从而消除可能发生的呜呜声和啸叫声等异音问题。王剑中等[5]已通过数值分析，验证了单向阀弹簧振子系统的弹簧刚度提升有利于改善单向阀工作稳定性，本文不再累述。本文重点针对阀芯进口流场的优化和阀芯运动导向结构优化，从而实现低噪声单向阀设计，新旧单向阀整体结构如图3所示，主要集中在阀芯突出段和双导向结构两个地方。

3.1 阀内部流场设计

突出段的阀芯新结构，能显著改善入口流场结构，减小阀芯内部流场扰动对阀芯的影响，从而减少阀芯发生颤振的概率，能有效改善单向阀不稳定工作导致的噪声问题。结合单向阀实际工作的流量和压力条件，基于fluent软件采用标准k-epsilon湍流模型，进行了单向阀3D稳态流场分析。计算域进口设置为速度进口2m/s，出口为压力出口0pa，湍流强度5%，水力直径0.56mm。新旧单向阀进口结构的速度场分析结果如图4所示，压力场分析结果如图5所示，3D速度流线图如图6所示。

图1单向阀异音频谱

图3新旧单向阀结构

图4新旧结构速度场分布

图5新旧结构压力场分布

由新旧单向阀结构速度场分布可知，单向阀由90度方向入水，受离心力作用，水流出现外围偏流，偏流区域主要集中于阀芯上部；新结构流场的速度相较于旧结构降低20%；阀芯入口端的低速涡面积显著减小，对阀芯的扰动相应减小；阀芯出口端速度场也相对平缓。该单向阀速度场分布规律在图6的3D流场图中也有体现。综上所述，新结构能有效减小内部流场对阀芯的扰动作用，有利于改善阀芯运动的稳定性和单向阀产生的呜呜声。

由新旧单向阀结构压力场分布可知，单向阀由90度方向入水，受离心力作用，水流出现外围偏流，偏流区域主要集中于阀芯上部，即高压区处于左上部；新结构单向阀压力相较于旧结构降低68%；且阀芯入口端的低压区面积显著减小，对阀芯的扰动相应减小；阀芯端出口端压力场也相对平缓。综上所述，新结构能有效减小内部流场对阀芯的扰动作用，有利于改善阀芯运动的稳定性和单向阀产生的呜呜声。

3.2 阀芯导向结构设计

阀芯受到扰动发生颤振，是导致单向阀产生呜呜声等异音的主要原因。旧单向阀的阀芯结构如图7(a)所示，仅在阀芯小端有导向结构，保证阀芯的平稳运行，阀芯大端无导向段。当阀芯开启时，单端导向的阀芯在水流作用下，极易发生上下颤振，产生呜呜声等异音。为此，如图7(b)所示的新结构进行了导向结构改善，阀芯大端和小端均设置导向结构，两端导向结构间隙相较于以前有所减小，且间隙一致。新结构不仅能保证阀芯顺畅导向，而且能减小或改善阀芯受到扰动时发生的上下颤振，消除呜呜声异音。

图6新旧结构3D速度场分布

图7新旧单向阀导向结构

4 单向阀性能与噪声验证

基于单向阀工作特性和噪声产生机理，本文通过对单向阀的阀芯入口结构和阀芯导向结构进行优化，形成了低噪声的新单向阀结构。以下，结合单向阀的工作条件和场景，对新单向阀结构的噪声和性能要求进行了验证。

4.1 单向阀基本性能验证

本文对新单向阀单体的流量、单向性和抗水锤特性进行了验证，验证结果满足要求；同时初步验证了新单向阀单体、新单向阀装配小通量机和新单向阀装配大通量机的噪声。部分验证数据如表1所示，新单向阀结构能满足主要性能要求，且呜呜声异音得到显著改善。

4.2 单向阀噪声验证

为了进一步量化新单向阀结构的噪声改善效果，新旧单向阀装配同一台大通量整机进行测试验证。根据国标GB/T 4214.1-2017《家用和类似用途电器噪声测试方法》，相同进水压力和相同水温条件下，在半消声室进行了噪声测试，噪声测试结果如表2、表3所示，具体频谱结果如图8所示。测试条件：进水水压0.25MPa，水温25℃，半消声室背景噪声20dB。测试设备：LC0210-4动态信号调理器和B＆K通用1/2英寸传声器4189。

表1 单向阀基本性能数据

表2 旧结构单向阀征集噪声测试结果

表3 新结构单向阀征集噪声测试结果

图8新旧单向阀整机噪声频谱

如表2、表3和图8所示，同一整机，相同工作条件下的整机噪声，新单向阀相较于旧单向阀改善3.5dB，重点改善峰值频段为160Hz，改善约7dB，整机音质有明显改善。

5 总结

基于单向阀工作特性和噪声机理分析，本文进行了低噪声单向阀结构设计，并且通过了数值分析和试验验证，结果表明：

（1）单向阀噪声机理分析表明，阀芯受到流场扰动发生颤振是产生呜呜声的主要原因。

（2）单向阀入口端的流场优化，能有效改善流场激励对阀芯的扰动，从而减少阀芯发生颤振的概率。

（3）单向阀阀芯的双导向结构，能保证阀芯的顺畅运行和改善阀芯运行时的上下颤振。

（4）低噪声单向阀结构相较于旧结构，整机噪声改善约3.5dB，重点峰值频段160Hz改善约7dB，音质改善显著。