郭鹏程

(陕西理工学院机械工程训练中心，陕西汉中 723003)

传统的水龙头是通过人为干涉对水开和关进行控制，但是有时由于打开水龙头恰好管道无水或使用过程中突然停水，人们往往会忘记关闭节水阀而去，当来水时就会造成白白流失。虽然市场上出现各种节水阀如感应阀、延时阀等，但这些节水阀不具备无水自动关闭的功能。基于流体力学原理，设计了一种无水自动关闭节水阀，不仅可以调节流量，而且还能实现无水自动关闭功能，即无水时节水阀处于打开状态，当再次来水，在水压力的作用下节水阀自动关闭;若用水时，先手动关闭节水阀，然后再开启即可正常使用。

1 传统水龙头

传统水龙头是由手柄、螺杆、阀盖、阀芯、密封垫和阀体组成。正常使用时，旋转手柄使螺旋杆下移，驱使阀芯下压密封垫，节水阀关闭;反向旋转手柄、螺杆上移，阀芯和密封垫在水冲力作用下也随之上移，进水口随之打开，并对流量进行调节。传统的水龙头靠人为因素对其进行控制，不具备自控功能。

2 无水自动关闭节水阀

来水前如果节水阀处于开启状态，一旦来水无水自动关闭节水阀则会自动关闭。

2.1 结构

图1为无水自动关闭节水阀，由手柄、螺杆、阀盖、阀套、阀芯、Y型密封圈、密封垫和阀体组成。

图1 无水自动关闭节水阀

阀芯与螺杆联接，阀芯上安装Y型密封圈密封，与阀套间隙配合。阀套底面有一细小孔，该孔用于连通进水口与阀套和阀芯之间的空腔。

2.2 工作原理

无水自动关闭节水阀可通过4个工作过程分析:第一个阶段——关闭阶段，如图2(a)所示。

图2 工作原理

旋紧手柄使螺杆下移，阀芯也随之下移，驱使阀套移动至进水口，挤压密封垫，节水阀关闭。一般情况下橡胶当密封垫挤压11%～20%时，根据材料力学［1］F=EAΔl/l，密封进水口密封垫所需的密封力:

第二阶段——开启阶段，如图2(b)所示。开启瞬间，由于阀套底面外表面与进水口接触，水压力对阀套向上的作用力为:

式中:p为管道水的压力。

当该作用力大于阀套和密封垫的重力G时，阀套随阀芯上移，即:

当阀套上移到某一高度时，如图2(b)所示，阀套底面水压力减小为p0，水压对阀套底面的作用面积增大，当满足以下条件:

阀套停留在某一高度，进水口打开，节水阀开启，随着阀套高度的变化，对流量进行调节。

在节水阀开启过程中，水压的波动会造成阀套相对于阀芯在一定情况下出现上下浮动，瞬间阀芯与阀套之间出现空腔，如图2(c)所示。

水压经过细小孔d0进入空腔，由于水流经小孔产生压降、以及Y型密封圈泄漏，空腔内的压力为p1，当条件满足:

阀套仍在此高度滞留，节水阀保持开启状态。

第三阶段——自动关闭，如图2(d)所示。如果停水时节水阀处于开启状态，阀芯滞留在原来的位置，而阀套在自重的作用下移至出水口，阀芯与阀套之间形成空腔。

节水阀处于关闭状态，实际上水压越大自动关闭密封效果越好。

第四阶段——再次开启。当节水阀处于无水自动关闭状态时，若需要用水时，先旋转手柄，阀芯下移，驱使阀套下移直至其空腔消失，密封进水口，如图2(d)所示。再次打开水龙头时，整个过程与第一阶段相同，实现开启功能。

3 技术关键

文中有两个关键点:(1)保证节水阀顺利开启，(2)保证良好的自动关闭。

通过式 (3)、(4)可以看出，开启时要求阀套内直径d1和细小孔直径d0值比较小、自动关闭时比较大。在这两个阶段对该参数的要求恰恰是一对矛盾，要保证这两个阶段的良好性能，必须协调好进水口直径、阀套内直径和细小孔直径之间的相互关系，通过Y型密封圈协助完成。

3.1 Y形密封圈

Y型密封圈具有较好的适应性，可补偿较大的公差，它与阀套配合使用，对控制性能起着决定性的作用。

为了保证节水阀在开启状态下，因停水阀套在自重作用下能自由下移，要求Y型密封圈与阀套之间不需要预紧力，采用间隙配合;当来水时，经细小孔进入空腔内的水压能快速使Y型密封圈唇边外胀、密封，使空腔瞬间具有足够的压力作用在阀套底面上表面，起到自动关闭的作用，这就要求Y型密封圈与阀套采用小间隙配合。

考虑橡胶密封圈制作精度，选取Y型密封圈与阀套的配合为H8/e9较为适宜。

3.2 细小孔直径d0

细小孔的主要作用是在无水自闭状态下，连通进水口和空腔，使水压能迅速充满空腔，使Y型密封圈唇边外胀、阀套密封。因为Y型密封圈与阀套之间的间隙会产生一定的泄漏，这就要求流经细小孔的流量必须远大于因Y型密封圈与阀套之间间隙而产生的泄漏量，即细小孔直径尽可能大。但是同时还要保证节水阀开启时阀套底面有足够的作用面积，即细小孔直径尽可能小。

首先考虑自动关闭，根据伯努利方程流经细长小孔流量［2］:

其中:μ为水的黏度;

l0为细小孔长度。

流经Y型密封圈与阀套之间环状缝隙的流量［3］:

其中:p2为阀体内的压力;

l1为阀芯的配合长度;

δ1为阀芯与阀套的间隙。

由于阀体与出水口相连，所以p2≈0。

根据以上可推导出:

其次考虑开启。开启要求阀套底面下表面具有足够的作用面积，所以要求阀套内径d1和细小孔直径d0满足式 (2)— (4)。

4 举例

实验所用:节水阀公称通径d=10 mm，城市生活用水一般供水压力p=3×105Pa。根据进水口直径，取橡胶密封垫直径为16 mm、厚度3 mm，弹性模量E=3×10－3GPa。考虑要达到自动密封效果，取阀套直径20 mm，阀芯与阀套配合采用φ20H8/f7(最大间隙0.074 mm)，配合长度l1=5 mm。根据具体情况，取细小孔长度l0=6 mm。

根据式 (1)计算密封所需要的密封力:

根据式 (4)和 (5)联立求细小孔直径:

d0＞1.7 mm

考虑开启能顺利进行，根据式 (2)— (4)，取d0=2.5 mm。

5 结论

无水自闭节水阀根据压力作用的面积差实现自动关闭功能。正常有水时，阀套在水压力作用下随阀芯移动、并对水流量进行调节。无水时当节水阀处于打开状态，阀套在自重的作用下移动至进水口表面，阀套与阀芯之间形成空腔。来水时水压经细小孔作用在空腔底面的面积大于水压作用在阀套外底面 (进水口)面积，阀套受到作用力的合力向下，压缩密封垫进而密封进水口。水压越大，密封效果越好。

操作事项如下:

(1)有水正常使用与传统节水阀相同。

(2)无水而节水阀处于打开状态时，来水时，节水阀内部处于关闭状态，节水阀无水流出。

(3)需要用水时，先手动关闭节水阀，然后打开即可正常使用。

(4)该节水阀适应于管路末端，不可中端使用。

无水自动关闭节水阀结构简单、体积小、成本低、操作与传统节水阀相同，无需电能控制，适应于家庭及公共场所。

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