凈水機(jī)單向閥的低噪聲設(shè)計(jì)

周軍

ZHOU Jun

佛山市美的清湖凈水設(shè)備有限公司 廣東佛山 528311

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

1 引言

單向閥是凈水機(jī)的關(guān)鍵部件之一，在凈水機(jī)水系統(tǒng)和濾芯內(nèi)部結(jié)構(gòu)中，需要封水或者控制水流單向流動(dòng)的場(chǎng)合很多。單向閥的功能是控制流體沿一個(gè)方向流動(dòng)，而禁止反向流動(dòng)。其主要性能要求是：當(dāng)液體通過時(shí)流阻要小，當(dāng)液體反向流入時(shí)，閥口密封性要好且無泄漏；工作時(shí)不應(yīng)有振動(dòng)、沖擊和噪聲。國(guó)內(nèi)學(xué)者對(duì)單向閥類產(chǎn)品進(jìn)行了大量研究，余武江等[1]對(duì)單向閥自激振蕩機(jī)理進(jìn)行研究，提出了單向閥的臨界穩(wěn)定曲線，通過三維動(dòng)態(tài)流場(chǎng)仿真分析，研究了單向閥的動(dòng)態(tài)穩(wěn)定特性。劉上等[2]針對(duì)單向閥系統(tǒng)自激振蕩現(xiàn)象，建立相應(yīng)的非線性動(dòng)力學(xué)模型，基于數(shù)值分析，證實(shí)系統(tǒng)在一定條件下會(huì)出現(xiàn)極限環(huán)，系統(tǒng)的局部穩(wěn)定，但有大范圍不穩(wěn)定。王細(xì)波等[3]針對(duì)單向閥打開過程中的持續(xù)顫振現(xiàn)象，進(jìn)行數(shù)值計(jì)算和試驗(yàn)驗(yàn)證，得出了此類產(chǎn)品的工作特性：不同入口壓力下，單向閥大致可分為臨界開啟、持續(xù)振動(dòng)和開度穩(wěn)定（無振動(dòng)）三個(gè)狀態(tài)。本文基于單向閥工作特性和三維流場(chǎng)數(shù)值分析，對(duì)低噪聲單向閥設(shè)計(jì)相關(guān)問題進(jìn)行了相應(yīng)的研究工作。

2 單向閥噪聲產(chǎn)生機(jī)理

單向閥的運(yùn)動(dòng)部件是閥芯，工作時(shí)會(huì)出現(xiàn)較明顯的嗚嗚聲和嘯叫聲等異音，這主要由其閥芯顫振導(dǎo)致。單向閥的閥芯顫振問題屬于流致振動(dòng)，而流致振動(dòng)通常可分為強(qiáng)迫振動(dòng)和自激振動(dòng)兩種。強(qiáng)迫振動(dòng)是由流道中的脈動(dòng)流激發(fā)，自激振動(dòng)由系統(tǒng)本身的運(yùn)動(dòng)激發(fā)，一般分為顫振、馳振及渦激振動(dòng)等[4]。某款凈水機(jī)產(chǎn)品出現(xiàn)較大嗚嗚聲，其噪聲1/3倍頻程頻譜如圖1所示，主要峰值頻率帶為160Hz，其他個(gè)別閥體異音在250Hz頻帶也有發(fā)生。

上述異音單向閥的閥芯結(jié)構(gòu)如圖2所示，主要由閥殼體、閥芯和彈簧組成。液體正向?qū)〞r(shí)，水壓克服彈簧力將閥體的閥芯頂開，液體導(dǎo)通；液體反向流入時(shí)，水壓推動(dòng)閥體的閥芯，壓緊閥芯與閥殼體間密封圈，實(shí)現(xiàn)有效密封。

單向閥是由放置在閥腔的彈簧振子組成，其單自由度運(yùn)動(dòng)方程如下：

式中：z為閥芯振動(dòng)位移，m為閥芯質(zhì)量，c為阻尼系數(shù)，k為彈簧剛度，z0為彈簧預(yù)壓縮量，F(xiàn)p為閥芯所受作用力。Fp可表示為閥芯前后壓差與進(jìn)口截面積的乘積，即Fp=Δp?1/4?π?D2，D為單向閥進(jìn)口直徑。

（1）若Fp=0，該運(yùn)動(dòng)方程的根為：

式中：c阻尼系數(shù)和k彈簧剛度均為正值，方程兩個(gè)根均為負(fù)實(shí)根，閥芯振動(dòng)是穩(wěn)定的，任何小的擾動(dòng)很快都會(huì)衰減到0。

（2）若Fp≠0，由于閥芯兩側(cè)液體的壓力隨閥芯位移發(fā)生變化，F(xiàn)p也相應(yīng)變化。閥芯的運(yùn)動(dòng)方程的根會(huì)出現(xiàn)以下幾種情況：①為兩正根，系統(tǒng)出現(xiàn)負(fù)阻尼，閥芯運(yùn)動(dòng)將是發(fā)散的，閥芯兩側(cè)壓力提供自激振動(dòng)的能量；②為具有非負(fù)實(shí)部的共軛復(fù)根，閥芯運(yùn)動(dòng)將是發(fā)散的，閥芯兩側(cè)壓力提供自激振動(dòng)的能量；③為具有負(fù)實(shí)部的兩共軛復(fù)根或兩負(fù)實(shí)根，系統(tǒng)仍為正阻尼，閥芯運(yùn)動(dòng)將是穩(wěn)定的，任何小的擾動(dòng)將很快衰減到0[5]。

單向閥的閥芯運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定，任何一個(gè)微小的擾動(dòng)都會(huì)使閥芯在其平衡位置以某一固有頻率振動(dòng)。單向閥在閥芯前后壓力提供量自激振動(dòng)能力作用下，閥芯發(fā)生顫振，從而產(chǎn)生較大的嗚嗚聲和嘯叫聲等異音。另外，單向閥處于不穩(wěn)定狀態(tài)時(shí)，存在閥芯的臨界開度和閥芯兩側(cè)臨界壓差，當(dāng)閥芯開度小于臨界開度時(shí)，閥芯出現(xiàn)運(yùn)動(dòng)不穩(wěn)定。因此，單向閥嗚嗚聲等異音的改善，可以從內(nèi)部流場(chǎng)擾動(dòng)改善、閥芯導(dǎo)向機(jī)構(gòu)顫振改善和閥芯彈簧振子系統(tǒng)改善等方面進(jìn)行，具有較高的可行性。

3 低噪聲單向閥設(shè)計(jì)

低噪聲單向閥設(shè)計(jì)主要從內(nèi)部流場(chǎng)、閥芯導(dǎo)向結(jié)構(gòu)和彈簧振子系統(tǒng)優(yōu)化設(shè)計(jì)進(jìn)行，從而消除可能發(fā)生的嗚嗚聲和嘯叫聲等異音問題。王劍中等[5]已通過數(shù)值分析，驗(yàn)證了單向閥彈簧振子系統(tǒng)的彈簧剛度提升有利于改善單向閥工作穩(wěn)定性，本文不再累述。本文重點(diǎn)針對(duì)閥芯進(jìn)口流場(chǎng)的優(yōu)化和閥芯運(yùn)動(dòng)導(dǎo)向結(jié)構(gòu)優(yōu)化，從而實(shí)現(xiàn)低噪聲單向閥設(shè)計(jì)，新舊單向閥整體結(jié)構(gòu)如圖3所示，主要集中在閥芯突出段和雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)兩個(gè)地方。

3.1 閥內(nèi)部流場(chǎng)設(shè)計(jì)

突出段的閥芯新結(jié)構(gòu)，能顯著改善入口流場(chǎng)結(jié)構(gòu)，減小閥芯內(nèi)部流場(chǎng)擾動(dòng)對(duì)閥芯的影響，從而減少閥芯發(fā)生顫振的概率，能有效改善單向閥不穩(wěn)定工作導(dǎo)致的噪聲問題。結(jié)合單向閥實(shí)際工作的流量和壓力條件，基于fluent軟件采用標(biāo)準(zhǔn)k-epsilon湍流模型，進(jìn)行了單向閥3D穩(wěn)態(tài)流場(chǎng)分析。計(jì)算域進(jìn)口設(shè)置為速度進(jìn)口2m/s，出口為壓力出口0pa，湍流強(qiáng)度5%，水力直徑0.56mm。新舊單向閥進(jìn)口結(jié)構(gòu)的速度場(chǎng)分析結(jié)果如圖4所示，壓力場(chǎng)分析結(jié)果如圖5所示，3D速度流線圖如圖6所示。

圖1單向閥異音頻譜

圖3新舊單向閥結(jié)構(gòu)

圖4新舊結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布

圖5新舊結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布

由新舊單向閥結(jié)構(gòu)速度場(chǎng)分布可知，單向閥由90度方向入水，受離心力作用，水流出現(xiàn)外圍偏流，偏流區(qū)域主要集中于閥芯上部；新結(jié)構(gòu)流場(chǎng)的速度相較于舊結(jié)構(gòu)降低20%；閥芯入口端的低速渦面積顯著減小，對(duì)閥芯的擾動(dòng)相應(yīng)減小；閥芯出口端速度場(chǎng)也相對(duì)平緩。該單向閥速度場(chǎng)分布規(guī)律在圖6的3D流場(chǎng)圖中也有體現(xiàn)。綜上所述，新結(jié)構(gòu)能有效減小內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)閥芯的擾動(dòng)作用，有利于改善閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和單向閥產(chǎn)生的嗚嗚聲。

由新舊單向閥結(jié)構(gòu)壓力場(chǎng)分布可知，單向閥由90度方向入水，受離心力作用，水流出現(xiàn)外圍偏流，偏流區(qū)域主要集中于閥芯上部，即高壓區(qū)處于左上部；新結(jié)構(gòu)單向閥壓力相較于舊結(jié)構(gòu)降低68%；且閥芯入口端的低壓區(qū)面積顯著減小，對(duì)閥芯的擾動(dòng)相應(yīng)減小；閥芯端出口端壓力場(chǎng)也相對(duì)平緩。綜上所述，新結(jié)構(gòu)能有效減小內(nèi)部流場(chǎng)對(duì)閥芯的擾動(dòng)作用，有利于改善閥芯運(yùn)動(dòng)的穩(wěn)定性和單向閥產(chǎn)生的嗚嗚聲。

3.2 閥芯導(dǎo)向結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

閥芯受到擾動(dòng)發(fā)生顫振，是導(dǎo)致單向閥產(chǎn)生嗚嗚聲等異音的主要原因。舊單向閥的閥芯結(jié)構(gòu)如圖7(a)所示，僅在閥芯小端有導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，保證閥芯的平穩(wěn)運(yùn)行，閥芯大端無導(dǎo)向段。當(dāng)閥芯開啟時(shí)，單端導(dǎo)向的閥芯在水流作用下，極易發(fā)生上下顫振，產(chǎn)生嗚嗚聲等異音。為此，如圖7(b)所示的新結(jié)構(gòu)進(jìn)行了導(dǎo)向結(jié)構(gòu)改善，閥芯大端和小端均設(shè)置導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，兩端導(dǎo)向結(jié)構(gòu)間隙相較于以前有所減小，且間隙一致。新結(jié)構(gòu)不僅能保證閥芯順暢導(dǎo)向，而且能減小或改善閥芯受到擾動(dòng)時(shí)發(fā)生的上下顫振，消除嗚嗚聲異音。

圖6新舊結(jié)構(gòu)3D速度場(chǎng)分布

圖7新舊單向閥導(dǎo)向結(jié)構(gòu)

4 單向閥性能與噪聲驗(yàn)證

基于單向閥工作特性和噪聲產(chǎn)生機(jī)理，本文通過對(duì)單向閥的閥芯入口結(jié)構(gòu)和閥芯導(dǎo)向結(jié)構(gòu)進(jìn)行優(yōu)化，形成了低噪聲的新單向閥結(jié)構(gòu)。以下，結(jié)合單向閥的工作條件和場(chǎng)景，對(duì)新單向閥結(jié)構(gòu)的噪聲和性能要求進(jìn)行了驗(yàn)證。

4.1 單向閥基本性能驗(yàn)證

本文對(duì)新單向閥單體的流量、單向性和抗水錘特性進(jìn)行了驗(yàn)證，驗(yàn)證結(jié)果滿足要求；同時(shí)初步驗(yàn)證了新單向閥單體、新單向閥裝配小通量機(jī)和新單向閥裝配大通量機(jī)的噪聲。部分驗(yàn)證數(shù)據(jù)如表1所示，新單向閥結(jié)構(gòu)能滿足主要性能要求，且嗚嗚聲異音得到顯著改善。

4.2 單向閥噪聲驗(yàn)證

為了進(jìn)一步量化新單向閥結(jié)構(gòu)的噪聲改善效果，新舊單向閥裝配同一臺(tái)大通量整機(jī)進(jìn)行測(cè)試驗(yàn)證。根據(jù)國(guó)標(biāo)GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測(cè)試方法》，相同進(jìn)水壓力和相同水溫條件下，在半消聲室進(jìn)行了噪聲測(cè)試，噪聲測(cè)試結(jié)果如表2、表3所示，具體頻譜結(jié)果如圖8所示。測(cè)試條件：進(jìn)水水壓0.25MPa，水溫25℃，半消聲室背景噪聲20dB。測(cè)試設(shè)備：LC0210-4動(dòng)態(tài)信號(hào)調(diào)理器和B＆K通用1/2英寸傳聲器4189。

表1 單向閥基本性能數(shù)據(jù)

表2 舊結(jié)構(gòu)單向閥征集噪聲測(cè)試結(jié)果

表3 新結(jié)構(gòu)單向閥征集噪聲測(cè)試結(jié)果

圖8新舊單向閥整機(jī)噪聲頻譜

如表2、表3和圖8所示，同一整機(jī)，相同工作條件下的整機(jī)噪聲，新單向閥相較于舊單向閥改善3.5dB，重點(diǎn)改善峰值頻段為160Hz，改善約7dB，整機(jī)音質(zhì)有明顯改善。

5 總結(jié)

基于單向閥工作特性和噪聲機(jī)理分析，本文進(jìn)行了低噪聲單向閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，并且通過了數(shù)值分析和試驗(yàn)驗(yàn)證，結(jié)果表明：

（1）單向閥噪聲機(jī)理分析表明，閥芯受到流場(chǎng)擾動(dòng)發(fā)生顫振是產(chǎn)生嗚嗚聲的主要原因。

（2）單向閥入口端的流場(chǎng)優(yōu)化，能有效改善流場(chǎng)激勵(lì)對(duì)閥芯的擾動(dòng)，從而減少閥芯發(fā)生顫振的概率。

（3）單向閥閥芯的雙導(dǎo)向結(jié)構(gòu)，能保證閥芯的順暢運(yùn)行和改善閥芯運(yùn)行時(shí)的上下顫振。

（4）低噪聲單向閥結(jié)構(gòu)相較于舊結(jié)構(gòu)，整機(jī)噪聲改善約3.5dB，重點(diǎn)峰值頻段160Hz改善約7dB，音質(zhì)改善顯著。