可調延時自閉水嘴的閥芯設計與優化

周林

（福建西河衛浴科技有限公司，福建 廈門 361021）

可調延時自閉水嘴的閥芯設計與優化

周林

（福建西河衛浴科技有限公司，福建 廈門 361021）

為了達到節約用水的目的，也為了實現可調延時自閉水嘴的可靠穩定性能，設計出一種多口閥芯。通過對此多口閥芯的定流量進行控制，就可以實現可調延時自閉水嘴節約用水的要求，符合實用、節約的要求。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延時自閉水嘴的閥芯進行設計，以期優化閥芯。

可調；延時；自閉水嘴；閥芯

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

1 可調延時自閉水嘴的結構和工作原理

此可調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、復位彈簧、閥芯、閥套以及外殼構成，其具體的三維結構圖如圖1所示。

圖1 可調延時自閉水嘴的三維結構示意圖

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，在延時機構和復位機構的作用下，這樣具有延時刻度的小孔在復位時，達到水嘴自動關閉的效果。另外，在手輪轉動的同時，主軸、卡槽會隨之而轉動，這時候，轉動的卡槽會壓制推桿以及復位彈簧，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，在主軸轉動的前提下帶動卷簧蓄勢能量，卷簧還會產生一種反向的力矩。在手輪松開后，卷簧的反向力矩會進一步帶動卡槽的轉動，延時機構控制著卡槽轉動的速度，在推桿位于卡槽的槽口時，在復位彈簧的推動下，推桿會進入卡槽內部，這時候閥芯也回到了原來的位置，水嘴呈關閉狀態。

目前為止，具有可調延時自閉功能的水嘴有兩種，一是感應式，二是機械式。其中，機械式可調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、開關方式以及水嘴的穩定性能和工作壽命。以下來進一步介紹閥芯的結構特征以及工作方式。

2 閥芯結構設計

2.1 閥芯結構形式

在閥芯的結構形式中，在閥芯的側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，在閥芯的側面開設入口以及窗口，通過控制這些入口和窗口的數量和尺寸就可以實現對水嘴流量的控制。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的閥芯半剖結構示意圖如圖2所示。

圖2 2口閥芯半剖結構示意圖

2.2 閥芯參數

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

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代表閥芯側面所開設的入口及窗口數；

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聯的連續函數，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，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。國家制定了對于水嘴流量相應的規定，其中特別指出在壓力為（0．2± 0．02） MPa的范圍之內時，水嘴流量切不可超過9L/min。在此閥芯的具體設計中，設定水嘴流量為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，就會導致閥芯的強度降低，因此在設計閥芯截面寬度時不宜過大，此設計選取橫截面寬度為8mm。

將水嘴流量方程和Matlab編程結合起來，就會得到在閥芯開設窗口個數不相同時，可調延時自閉水嘴閥芯窗口橫截面高度和水嘴流量的關系，此關系可以方便我們后續對于水嘴流量、閥芯界面數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構特性，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為打開狀態，并且假設閥芯和閥體二者緊密相連，無縫隙，假設流體是不能進行壓縮的理想狀態下的流體，在這些理想狀態下，根據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定為一個定值，即可得到可調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以及回流區。負壓區和回流區地帶容易形成漩渦、產生振動和噪音，造成閥芯受力不均，導致閥芯流場特性極其不穩定。因此要盡可能的降低壓力之間的差距，進而減少負壓區和回流區產生的振動等不良影響，進而使得閥芯內部擁有穩定的流場特性。

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，特別是負壓區的范圍大小，其次還有回流區的區域大小。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口閥芯有著更為優越的性能，4口閥芯內部所受壓力均勻穩定，流場性能更強，因此該設計選用4口閥芯。

4 閥芯結構優化設計

閥芯流場特性受閥芯入口結構的影響較大，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，調節窗口與水平面的夾角θ，觀察閥芯內部流場性能的變化，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 結語

本文主要對可調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化設計，此閥芯功能穩定、結構簡單。對于閥芯的優化過程，可以得出如下結論：要從實際情況的角度出發，根據水嘴流量的特性來設計閥芯的結構功能，以便閥芯為水嘴服務，達到節約用水的目的。水嘴內部出現負壓區和回流區時，就會導致水嘴的振動，產生漩渦，嚴重時還可以產生噪音，使得水嘴的穩定性能降低。閥芯是水嘴的一個核心元件，對閥芯的內部結構進行優化設計，可以提高水嘴內部流場的性能，經模擬仿真分析得出，在閥芯與水平面的夾角為25°時，水嘴內部流場性能最為穩定。

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1671-0711（2017）10（上）-0117-02