謝藝聰

（漳州松霖智能家居有限公司，福建 廈門 361026）

1 項(xiàng)目背景

隨著人們生活質(zhì)量的提高，家庭終端用水設(shè)備發(fā)展日新月異，功能越來(lái)越高度集成化、智能化，給用戶帶來(lái)更簡(jiǎn)便的用水、飲水體驗(yàn)。

本項(xiàng)目涉及一款抽取龍頭的開(kāi)發(fā)，該龍頭的特點(diǎn)在于集成市政水和過(guò)濾水兩種出水功能，其主要組成部件有：龍頭主體、控制市政水通斷的機(jī)械混水閥、操作混水閥的把手、可移動(dòng)的出水花灑、固定花灑頭的支臂、具有雙水路管中管結(jié)構(gòu)的抽取軟管、支撐抽取軟管的大彈簧、過(guò)濾市政水的濾芯等。其中，花灑內(nèi)部具有輸送市政水和過(guò)濾水的兩條獨(dú)立水路及其對(duì)應(yīng)的出水口，同時(shí)花灑上設(shè)有一個(gè)控制過(guò)濾水水路通斷的按鍵機(jī)械閥；抽取軟管與花灑連接，其管中管的內(nèi)管輸送過(guò)濾水，外管輸送市政水。本項(xiàng)目的設(shè)計(jì)難點(diǎn)在于：過(guò)濾水控制閥處于出水末端的花灑上，其上游抽取管的內(nèi)管需要承受來(lái)自市政供水的高水壓，而抽取管需要有足夠的柔軟度來(lái)保證其能被順滑抽取，此點(diǎn)承壓能力較差，無(wú)法承受來(lái)自市政供水的高水壓。

衛(wèi)浴行業(yè)內(nèi)已有可以減小閥后壓力的減壓閥，但其存在工作壓力無(wú)法滿足3.5MPa 爆破壓[1]，只能對(duì)單層管路降壓的弊端無(wú)法適用本項(xiàng)目對(duì)管中管內(nèi)管減壓的需求，本項(xiàng)目旨在從現(xiàn)有減壓閥基礎(chǔ)上優(yōu)化開(kāi)發(fā)一種可內(nèi)置到管中管內(nèi)，可承受3.5MPa 壓力的微型集成減壓閥，以實(shí)現(xiàn)在花灑上按鍵控制凈水通斷的創(chuàng)新龍頭設(shè)計(jì)。

2 減壓閥概述

2.1 減壓閥的定義

減壓閥是通過(guò)閥瓣的節(jié)流，將進(jìn)口壓力降至某一個(gè)需要的出口壓力，并能在進(jìn)口壓力及流量變動(dòng)時(shí)，利用介質(zhì)本身能量保持出口壓力基本不變的閥門[2]。減壓閥既可減動(dòng)壓也可減靜壓，彈簧式減壓閥閥后壓力可以調(diào)節(jié)，且出口壓力變化小，能保持相對(duì)穩(wěn)定[3]。

2.2 減壓閥的結(jié)構(gòu)原理

我司現(xiàn)有彈簧式減壓閥結(jié)構(gòu)如圖1 所示，活塞與閥體被裝配在閥殼內(nèi)，閥體固定不動(dòng)，活塞套在閥體上可沿軸向上下移動(dòng)，兩者間有一Y 型圈作為密封件，活塞內(nèi)的氣腔通過(guò)閥殼的泄壓口與大氣連通，使得活塞上下移動(dòng)時(shí)氣腔內(nèi)的空氣不會(huì)被壓縮或因膨脹而對(duì)活塞的運(yùn)動(dòng)產(chǎn)生阻力；閥體與活塞間還設(shè)置了一個(gè)彈簧，使得初始狀態(tài)時(shí)活塞處于最下端，閥體上的過(guò)水孔完全開(kāi)啟。

圖1 彈簧式減壓閥

如圖2（a）所示，活塞上、下表面承受水壓的面積分別為S1、S2，當(dāng)減壓閥通水時(shí)，其內(nèi)腔各零件表面承受水的壓強(qiáng)P 相同，而活塞中間的氣腔未與水接觸，因此S1＜S2，根據(jù)壓力計(jì)算公式：

式中F：壓力（單位：N）；P：壓強(qiáng)（單位：MPa）；S：受力面積（單位：mm2）。

活塞上、下表面受到的壓力F1＜F2，活塞受到向上的力△F=F2-F1。活塞還受到彈簧對(duì)其施加的向下力F3，當(dāng)水的壓強(qiáng)P 逐漸增大，S1、S2 不變，由△F=F2-F1=P·（S2-S1）可知，△F 也逐漸增大。如圖2（b）所示，當(dāng)△F＞F3 時(shí)，活塞開(kāi)始向上移動(dòng)，彈簧壓縮量也同步增大，彈簧力F3 也隨之增大，并與△F 保持一致。如圖2（c）所示，當(dāng)活塞移至最頂端與密封圈接觸形成密封，過(guò)水孔封閉。此時(shí)減壓閥上游水壓對(duì)活塞的作用力F4沿氣腔內(nèi)壁直徑方向，故上游水壓無(wú)論如何增加，都不會(huì)使活塞下移解除封閉狀態(tài)，下游水壓也就恒定不變，直至下游管路開(kāi)放泄壓，活塞才會(huì)受彈簧作用下移，再次通水工作。

圖2 減壓閥的三種工作狀態(tài)

2.3 現(xiàn)有減壓閥在本項(xiàng)目中的局限性

在將減壓閥應(yīng)用到本龍頭項(xiàng)目的過(guò)程中，我們面臨兩個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：一是需要把現(xiàn)有減壓閥縮小體積內(nèi)置到管中管內(nèi)水路中，減壓閥在被外水路包裹的情況下如何把氣腔與大氣連通，此點(diǎn)可以結(jié)合管中管結(jié)構(gòu)從設(shè)計(jì)上解決；二是現(xiàn)有減壓閥無(wú)法承受標(biāo)準(zhǔn)3.5MPa的爆破壓力，要解決此點(diǎn)問(wèn)題，需要了解在壓力過(guò)高時(shí)減壓閥的失效過(guò)程。

如圖3 所示，當(dāng)上游水壓逐漸升高，活塞隨之上移至頂端與密封圈接觸，此時(shí)密封圈內(nèi)側(cè)受到沿徑向朝外的水壓，若水壓未能超過(guò)密封圈本身彈力而使其向外拉伸變形，則活塞會(huì)繼續(xù)上移至頂端，同時(shí)活塞內(nèi)壁包裹住密封圈形成穩(wěn)定密封。但正常情況下，龍頭安裝后通水，其上游水壓會(huì)迅速升高，若供水壓力達(dá)到某一臨界壓力，密封圈受壓向外拉伸變形（如圖3 虛線示意），則水路不能正常封閉，減壓閥失效。

圖3 減壓閥失效示意

3 管中管集成微型減壓閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

3.1 初版結(jié)構(gòu)方案說(shuō)明

如圖4 所示，管中管減壓閥組件主要零件均為塑料材質(zhì)，其內(nèi)部有兩條水路，實(shí)線箭頭所示水路連通外管路，虛線箭頭所示水路連通內(nèi)管路。兩條水路采用不同軸的設(shè)計(jì)，內(nèi)水路靠左側(cè)以便排布泄壓口把氣腔與大氣連通，余出的右側(cè)空間用于排布外水路，縮小尺寸后的減壓閥的閥體和活塞置于內(nèi)水路。伴隨著尺寸縮小，閥體與活塞的密封圈變得更容易被水壓擠壓變形。經(jīng)過(guò)樣品實(shí)測(cè)，當(dāng)水壓達(dá)到1.6MPa 以上時(shí)，減壓閥密封失效。

圖4 管中管減壓閥組件

3.2 活塞密封改善方案

如圖5 所示，為改善減壓閥在高壓下密封失效，我們提出了三種方案設(shè)計(jì)，并分別打樣驗(yàn)證。

圖5 三種活塞密封方案

方案a：把活塞口部一小段內(nèi)壁直徑加大，目的是讓此段不產(chǎn)生密封，在密封前先包住密封圈，防止密封圈擠壓變形脫離活塞內(nèi)壁。

方案b：把O 型密封圈更換為環(huán)形密封平墊片[4]，密封方式由徑向密封改為端面密封，墊片只受朝上的水壓，不會(huì)向外拉伸變形。

方案c：把活塞口部一小段改為柵欄狀，內(nèi)徑不變，當(dāng)活塞剛包裹密封圈時(shí)，水流可以沿柵欄縫隙流出泄壓，不會(huì)壓迫密封圈變形，當(dāng)活塞向上運(yùn)動(dòng)到密封圈脫離柵欄段進(jìn)入密封時(shí)，由于密封圈已被包裹固定，無(wú)法變形。

經(jīng)實(shí)際驗(yàn)證，方案a 無(wú)改善效果，因?yàn)橹睆郊哟蠖坞m然不密封，但過(guò)水面變得極小，水壓依然會(huì)把密封圈外擠變形。方案b 有改善效果，但活塞密封后下游壓力并不能恒定不變，因?yàn)殡S著上游壓力增加，水壓向上作用于平墊片使其壓縮，由于壓縮過(guò)程不是與整個(gè)密封面同步進(jìn)行的，因此密封面局部會(huì)出現(xiàn)縫隙使水壓傳遞到下游，下游水壓上升又會(huì)對(duì)活塞產(chǎn)生更大的向上力，使其重新密封，此過(guò)程隨著上游水壓增加會(huì)循環(huán)發(fā)生，故下游水壓會(huì)比上游小，但也會(huì)隨著上游水壓增加；實(shí)測(cè)上游水壓升到3MPa 時(shí)，內(nèi)管破裂漏水。方案c效果顯著，當(dāng)活塞密封后，無(wú)論上游水壓如何增加，下游水壓保持不變。

綜上，采用方案c 作為最終結(jié)構(gòu)方案。

3.3 減壓閥設(shè)計(jì)過(guò)程的參數(shù)計(jì)算

供應(yīng)商提供的內(nèi)管極限承壓值為1MPa，為確保產(chǎn)品長(zhǎng)期使用的可靠性，我們?nèi)O限值的60%（0.6MPa）作為減壓閥的目標(biāo)穩(wěn)壓值。由前文2.2 節(jié)的內(nèi)容可知，減壓閥的穩(wěn)壓值主要由活塞密封時(shí)彈簧的彈力F3 決定，因此我們可以根據(jù)預(yù)設(shè)的穩(wěn)壓值反向推導(dǎo)出壓縮后的彈簧力F3。

已知當(dāng)前設(shè)計(jì)的活塞上、下表面承壓面積S1 和S2 分別為28mm2和79mm2，實(shí)測(cè)活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)與兩個(gè)密封圈的相對(duì)摩擦力f 約為11N。當(dāng)供水壓力達(dá)到0.6MPa 時(shí)，活塞上移至頂端形成穩(wěn)定密封，此時(shí)需滿足活塞下表面受到的力F2 等于上表面受到的力F1、摩擦力f、壓縮后的彈簧力F3 三者之和，即F2=F1+f+F3，把已知數(shù)據(jù)代入公式可得出F3=F2-F1-f=P*S2-P*S1-f=0.6*79-0.6*28-11=19.6N。

算出F3 后就可以進(jìn)行彈簧規(guī)格設(shè)計(jì)，根據(jù)當(dāng)前設(shè)計(jì)活塞預(yù)留的彈簧可裝配空間，彈簧的中徑D 取11mm。結(jié)合供應(yīng)商現(xiàn)有不銹鋼彈簧線材的規(guī)格，彈簧的線徑d 取1.2mm；活塞上下運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧的長(zhǎng)度變化范圍為10.7～15.7mm，故彈簧的自由長(zhǎng)度取15.7+1=16.7mm，以確保減壓閥初始狀態(tài)時(shí)彈簧有較小的預(yù)緊力頂住活塞。根據(jù)彈力計(jì)算公式：

F=k·x，

式中F：彈力（單位：N）；k：彈性系數(shù)（單位：N/mm）；x：形變量（單位：mm）。

可得出彈簧彈性系數(shù)k=F3/x=19.6/（16.7-10.7）=3.27N/mm。

又根據(jù)壓縮彈簧彈性系數(shù)公式：

其中G：剪切彈性模量（單位：MPa）；d：線徑（單位：mm）；n：有效圈數(shù)；D：中徑（單位：mm）；k：彈性系數(shù)（單位：N/mm）。

已知不銹鋼的剪切彈性模量為73000MPa，代入公式 可 求 出 彈 簧 的 有 效 圈 數(shù)n=（G*d4）/（8*k*D3）=（73000*1.24）/（8*3.27*113）=4.3，彈簧兩端再分別設(shè)計(jì)一圈并緊圈，故綜上可得：不銹鋼彈簧規(guī)格為自由長(zhǎng)度16.7mm，中徑11mm，線徑1.2mm，總?cè)?shù)6.3，有效圈數(shù)4.3，彈性系數(shù)3.27N/mm。

3.4 集成微型減壓閥管中管的測(cè)試數(shù)據(jù)

把管中管內(nèi)管進(jìn)水口連接到高壓試水機(jī)，出水口連接壓力表，逐步提高供水壓力直至3.5MPa，分別記錄供水壓力和出口靜壓，見(jiàn)表1。

表1

實(shí)測(cè)最大穩(wěn)壓值為0.68MPa，比理論值偏高，推測(cè)原因?yàn)樗畨簜鬟f速度比活塞運(yùn)動(dòng)速度快，在活塞運(yùn)動(dòng)至密封過(guò)程中，下游水壓已經(jīng)提升至超過(guò)預(yù)設(shè)穩(wěn)壓值，但實(shí)際壓力值仍遠(yuǎn)小于內(nèi)管極限承壓，且管中管配合按鍵花灑經(jīng)5.5 萬(wàn)次開(kāi)關(guān)壽命測(cè)試后，減壓閥功能依然正常，故此減壓閥設(shè)計(jì)符合功能要求。

4 結(jié)束語(yǔ)

該優(yōu)化設(shè)計(jì)的集成減壓閥解決了現(xiàn)有小型減壓閥極限承壓值小、下游壓力不穩(wěn)定等問(wèn)題，理論上只要材料強(qiáng)度足夠，其承壓值仍有非常大的提升空間。集成減壓閥的管中管作為本項(xiàng)目新型水龍頭的核心組件，延伸出了一系列不同外觀的龍頭設(shè)計(jì)，其功能集成、操作簡(jiǎn)便的特點(diǎn)，為我司創(chuàng)造了大量的訂單和可觀的收益。為保證核心減壓閥的技術(shù)優(yōu)勢(shì)，我司分別申請(qǐng)了國(guó)家實(shí)用新型和發(fā)明專利，目前實(shí)用新型已授權(quán)，專利號(hào)CN212360924U，發(fā)明專利實(shí)質(zhì)審查中。