Вентильная головка

Полезная модель относится к водоразборной санитарно-технической арматуре и может быть использована в системах внутренних водопроводов зданий.
Водоразборная санитарно-техническая арматура предназначена для открывания и закрывания потока воды, а также для регулирования ее расхода на всем диапазоне давлений, применяемых в сетях внутреннего водопровода зданий.
Одной из наиболее значимых проблем проектирования вентильных головок водоразборной санитарно-технической арматуры является обеспечение таких ее гидравлических характеристик, при которых расход воды изменяется пропорционально открыванию проходного отверстия. Кроме того, важным техническим элементом вентильных головок с плоской запорной парой является обеспечение плотного прилегания друг к другу рабочих поверхностей подвижного и неподвижного элементов. Для этого в корпусе вентильной головки установлена поджимающая их торцевая эластичная уплотнительная втулка. Уплотнительная втулка также оказывает влияние на формирование гидравлических характеристик, определяющих расходные характеристики вентильной головки.
Известно техническое решение вентильной головки (Патент на полезную модель №15375 от 10.10.2000, бюл. №28), содержащей корпус с входным и выходными отверстиями, приводной шток, цилиндрическая часть которого, размещенная в полости, загерметизирована уплотнительным кольцом, а также запорную пару в виде двух контактирующих между собой керамических дисковых шайб, одна из которых выполнена со сквозными отверстиями и неподвижно закреплена в корпусе, а вторая установлена с возможностью поворота относительно первой, и взаимодействующего контакта со штоком, ограничивающим ее поворот, при этом в подвижной шайбе на поверхности, обращенной к неподвижной шайбе, выполнены углубления под углом 5-15° по отношению к ее торцевым плоскостям, вырезанные под углом по отношению к ее торцевым плоскостям. На штоке закреплен штифт, а в основании корпуса выполнен паз, ограничивающие поворот штока и подвижной шайбы.
Недостатком указанного технического решения является наличие тангенциального движения жидкости на выходе из подвижной шайбы и эффекта "закручивания потока", который приводит к дополнительному завихрению и увеличению местного сопротивления.
Известно техническое решение вентильной головки (патент РФ №2434170, F16K 3/08, 20.11.2011. Бюл. №2), которая содержит корпус с наружной резьбой, контргайкой, уплотнительным кольцом и выполненным ниже резьбы в трубчатой стенке перепускным окном шириной 180° по окружности. В корпусе размещен шток с перепускным отверстием в трубчатой стенке и уплотнительными кольцами. Он жестко связан с помощью водила с подвижной керамической шайбой, с проходным отверстием, установленной в его торцевой части. В торцевой части корпуса установлена неподвижная керамическая шайба с проходным отверстием и уплотнительная втулка. Проходное отверстие в неподвижной шайбе запорной пары выполнено в виде полукруга, центр которого смещен с центра шайбы. Проходное отверстие в подвижной шайбе выполнено в виде криволинейной фигуры, ориентированной более узкой частью в сторону открытия.
Недостатком представленного технического решения является наличие острых кромок на краях проходного отверстия в подвижной и неподвижной шайбах. Острые кромки приводят к значительному сжатию потока жидкости, вытекающей из проходного отверстия. Сжатие потока оказывает определяющее влияние на потерю давления в местном сопротивлении и изменение расхода воды при открывании проходного отверстия. Резкое изменение расхода воды приводит к образованию ее непроизводительных расходов, отводимых в систему канализации без использования потребителями. Кроме того, снижение эластичности торцевого уплотнения не позволяет компенсировать неровности наружных (нерабочих) поверхностей пластин (шайб) запорной пары, что приводит к образованию перекосов и нарушению плотности взаимного прилегания рабочих поверхностей. Указанный недостаток не позволяет полностью перекрывать поток воды и усложняет возможность регулирования ее расхода.
o
0
0
0
1
0
1
0
2
2
0
0
Известен сменный клапанный узел (Патент РФ №2183781, F16K 3/08, 20.06.2002), содержащий размещенный в гнезде арматуры набор подвижной и неподвижной плоских шайб. В каждой шайбе выполнено проходное отверстие в форме криволинейной фигуры с плавно изменяющимся сечением. Криволинейная фигура проходного отверстия имеет периферийную дугу с радиусом R из центра шайбы от лежащей на луче точки до точки пересечения с диаметром шайбы на расстоянии (π-ϕ). Упомянутый луч выходит из центра шайбы и отстоит от диаметра на угол ϕ. Последний составляет от 0 до π. Радиус r периферийной дуги составляет от 0,2 до 0,8 радиуса шайбы. Выпуклая дуга выполнена с радиусом R из центра, лежащего на диаметре шайбы на расстоянии от R/2 от центра шайбы, от точки пересечения периферийной дуги с диаметром шайбы до пересечения с диаметром шайбы. Длина радиуса R составляет от 0 до R/2, вогнутая дуга выполнена с радиусом R из центра, лежащего на диаметре шайбы зеркально противоположно центру выпуклой дуги относительно центра шайбы, от точки пересечения выпуклой дуги с диаметром шайбы до пересечения лучом. Длина радиуса r составляет от R/2 до R. Вогнутая и периферийная дуги сопряжены между собой дугой вписанной окружности.
Недостатком указанного технического решения является наличие острых кромок на подвижной и неподвижной шайбах. Величина сжатия потока жидкости при движении через проходное отверстие оказывает влияние не резкую потерю давления в местном сопротивлении и на резкое изменение расхода воды. Это обусловливает низкую регулирующая способность вентильной головки, приводящую к тому, что при расчетном давлении и незначительном повороте рукояти происходит резкое изменение расхода воды.
Прототипом заявляемого технического решения является вентильная головка (патент РФ №2234629, F16K 3/08, 20.08.2004), которая содержит корпус с резьбой, с входным отверстием и полостью, запорную пару в виде подвижной и неподвижной плоских керамических шайб с проходными отверстиями, приводной ступенчатый шток. Цилиндрическая часть штока размещена в полости корпуса и загерметизирована резиновыми уплотнителями, а на конце штока выполнены два центрально-симметричных выступа, взаимодействующих с подвижной шайбой. Неподвижная шайба расположена в двух центрально-симметричных пазах корпуса, герметично зафиксирована резиновой уплотнительной втулкой. В цилиндрической поверхности корпуса выполнены два центрально-симметричных выходных окна с образованием у его входного торца перемычки, с противоположной стороны входного торца корпуса выполнен упор в виде сегментного выреза, взаимодействующего с ограничителем поворота, представляющего собой радиально закрепленный на штоке штифт. Вентильная головка содержит также элемент фиксации вентильной головки в сантехнической арматуре, при этом упомянутые два центрально-симметричных паза в боковой поверхности корпуса по длине выходят за выходной по отношении к рабочей среде торец подвижной керамической шайбы, образуя дополнительный канал для протока рабочей среды.
Недостатком прототипа является наличие острых кромок на подвижной и неподвижной шайбах. Величина сжатия потока жидкости при движении через проходное отверстие оказывает влияние не резкую потерю давления в местном сопротивлении и на резкое изменение расхода воды. Это обусловливает низкую регулирующая способность вентильной головки, приводящую к тому, что при незначительном повороте рукояти происходит резкое изменение расхода воды - увеличение (при открывании крана) или уменьшение (при его закрывании) до 200%. При такой регулирующей способности потребитель не успевает реагировать на изменение расхода воды. Резкое изменение расхода воды приводит к образованию ее непроизводительных расходов, отводимых в систему канализации без использования потребителями. Кроме того, уплотнительная резиновая втулка, армированная металлическим кольцом, обладает повышенной жесткостью с низкими демпфирующими свойствами. Это не позволяет компенсировать неровности наружных поверхностей шайб запорной пары и приводит к образованию зазора между рабочими поверхностями подвижной и неподвижной шайб, прижимаемых друг к другу. В указанный зазор попадают соринки, транспортируемые водопроводной водой, что приводит к нарушению герметичности закрытого крана и образованию утечек воды.
Технический результат полезной модели заключается в улучшении гидравлических характеристик и повышении регулирующей способности вентильной головки для водоразборной арматуры.
Технический результат достигается тем, вентильная головка, содержит корпус с резьбой, с входным отверстием и полостью, запорную пару в виде подвижной и неподвижной плоских керамических шайб с проходными отверстиями, приводной шток. Цилиндрическая часть штока размещена в полости корпуса и загерметизирована резиновым уплотнителем, а на конце штока выполнено водило, взаимодействующее с подвижной шайбой. Неподвижная шайба расположена в двух центрально-симметричных пазах корпуса, герметично зафиксирована резиновой уплотнительной втулкой. В цилиндрической поверхности корпуса выполнены два центрально-симметричных выходных окна. Вентильная головка содержит также элемент фиксации вентильной головки в сантехнической арматуре. Проходные отверстия подвижной и неподвижной шайб выполнены в форме криволинейной фигуры, ориентированной узкой частью в сторону открывания, а внутренние торцевые поверхности проходных отверстий подвижной и неподвижной шайб в совмещенном положении выполнены так, что составляют криволинейную форму параболоида с образующей в виде параболы. Вершина параболы расположена на линии соприкосновения рабочих поверхностей подвижной и неподвижной шайб. При этом величина фокального параметра параболы равна от 0,01 до 1,0. Поверхность торца уплотнительной втулки, опирающаяся на посадочное гнездо арматуры, имеет форму тора, который выполнен как одно целое с уплотнительной втулкой, усеченного по диаметру его образующей. Диаметр тора равен толщине стенки уплотнительной втулки. Внутренняя поверхность уплотнительной втулки выполнена в форме усеченного параболоида, большая секущая плоскость которого совпадает с плоскостью соприкосновения уплотнительной втулки с подвижной шайбой, а малая секущая плоскость совпадает с плоскостью сечения тора.
Сравнительный анализ показал, что заявляемое техническое решение характеризуется наличием существенных признаков, отличающих его от прототипа.
Обоснование новых признаков вентильной головки по заявляемому техническому решению.
Проходные отверстия подвижной и неподвижной шайб выполнены в форме криволинейной фигуры, ориентированной узкой частью в сторону открывания, что позволяет плавно изменять площадь проходного отверстия при регулировании расхода истекающей жидкости. Внутренние торцевые поверхности проходных отверстий подвижной и неподвижной шайб в совмещенном положении выполнены так, что составляют криволинейную форму параболоида с образующей в виде параболы. Такая форма наиболее характерна движению жидкости в сжатом сечении при ее истечении через отверстие в тонкой стенке. Вершина образующей параболы расположена на линии соприкосновения рабочих поверхностей подвижной и неподвижной шайб. Это позволяет обеспечить симметричное расположение кривизны торцевых поверхностей совмещенных подвижной и неподвижной шайб. При этом величина фокального параметра параболы равна от 0,01 до 1,0. Это позволяет максимально приблизить форму кромки к форме сжатого сечения струи жидкости, истекающей через отверстие в тонкой стенке. Если величина фокального параметра параболы принята меньше значения 0,01, то эффекта кривизны торцевых поверхностей проходного отверстия не будет. Если величина фокального параметра параболы принята больше, чем 1,0, то образованная кривая поверхность будет излишне заостренной в вершине параболы и эффект острой кромки будет наоборот акцентирован. Поверхность торца уплотнительной втулки, опирающегося на посадочное гнездо арматуры, имеет форму тора, выполненного как одно целое с уплотнительной втулкой, что позволяет компенсировать смятие материала в узле прижатия уплотнительной втулки к посадочному гнезду арматуры. При этом образующая тора усечена по диаметру, который равен толщине опорной части стенки уплотнительной втулки. Внутренняя поверхность уплотнительной втулки выполнена в форме усеченного параболоида, большая секущая плоскость которого совпадает с плоскостью соприкосновения уплотнительной втулки с подвижной шайбой, а малая секущая плоскость совпадает с плоскостью сечения тора. Такая форма позволяет максимально приблизить внутреннюю поверхность уплотнительной втулки к форме движения жидкости и за счет этого минимизировать образование завихрений потока жидкости, проходящей через указанную втулку. Совокупность указанных геометрических характеристик по заявляемому техническому решению позволяют значительно улучшить гидравлические характеристики и повысить регулирующую способность вентильной головки для водоразборной арматуры.
На фиг. 1 представлена общая схема технического решения вентильной головки. На фиг. 2 представлены подвижная и неподвижная шайбы с проходными отверстиями в форме криволинейной фигуры. На фиг. 3 представлена запорная пара из плоских шайб в положении "закрыто". На фиг. 4 представлена запорная пара из плоских шайб в положении неполного открывания. На фиг. 5 представлена уплотнительная втулка.
Вентильная головка состоит из корпуса 1, в полости которого установлен шток 2, снабженный уплотнительными кольцами 3, установленными на его части с меньшим диаметром 4, подшипником скольжения 5, установленным в месте перехода штока с меньшим диаметром к части штока с большим диаметром (водилом) 6. В штоке 2 на участке между водилом 6 и уплотнительными кольцами 3 выполнено перепускное отверстие 7. На корпусе 1 установлена контргайка 8 и уплотнительное кольцо 9. В торцевой части водила 6 установлена подвижная шайба 10, взаимодействующая своей рабочей поверхностью с рабочей поверхностью неподвижной шайбы 11, установленной в торцевой части корпуса 1. Внутренние торцевые поверхности проходных отверстий подвижной 10 и неподвижной 11 шайб в совмещенном положении выполнены так, что составляют криволинейную форму параболоида 12 с образующей в виде параболы. Подвижная 10 и неподвижная 11 шайбы прижаты уплотнительной втулкой 13, поверхность торца которой выполнена в форме тора 14, выполненного как одно целое с уплотнительной втулкой 13. При этом образующая тора 14 усечена по диаметру, который равен толщине опорной части стенки уплотнительной втулки 13. Внутренняя поверхность уплотнительной втулки 13 выполнена в форме усеченного параболоида 15, большая секущая плоскость которого совпадает с плоскостью соприкосновения уплотнительной втулки с подвижной шайбой, а малая секущая плоскость совпадает с плоскостью сечения тора. Шток 2 снабжен стопорным винтом 16, установленным на его части с меньшим диаметром 4.
Вентильная головка по заявляемому техническому решению работает следующим образом. В собранном виде подвижная шайба 10 установлена в гнездо водила 6 штока 2 так, чтобы ее рабочая поверхность была ориентирована к свободному торцу корпуса 1. Неподвижная шайба 11 установлена в посадочное гнездо корпуса 1 с обеспечением соприкосновения рабочих поверхностей обеих шайб, которые закреплены уплотнительной втулкой 13. Собранную вентильную головку устанавливают в рабочее положение в смеситель, туалетный кран или вентиль посредством резьбового соединения и прижимают уплотнительную втулку 13 к посадочному гнезду в арматуре. При этом поверхность тора 14 позволяет компенсировать смятие материала в узле прижатия уплотнительной втулки 13 к посадочному гнезду арматуры и за счет этого устранить утечки воды. Собранную вентильную головку фиксируют стопорным винтом 16. В положении «закрыто» (фиг. 3) проходные отверстия подвижной 10 и неподвижной 11 шайб запорной пары расположены так, что они перекрыты рабочими поверхностями взаимных ответных частей. Это обеспечивает полное перекрытие потока воды. По мере поворота штока 2 в направлении открывания (фиг. 4), как правило, против часовой стрелки, проходные отверстия подвижной 10 и неподвижной 11 шайб совпадают, образуя общее проходное отверстие. По мере поворота подвижной шайбы 10 относительно неподвижной 11 в направлении открывания постепенно увеличивается площадь проходного отверстия от зауженной части в отверстии подвижной шайбы 10 до полного сечения. При этом изменение площади проходного отверстия происходит нелинейно, а его форма обеспечивает изменение расхода воды по линейному закону. При полностью открытом проходном отверстии запорной пары вода из подводящей трубы водопровода движется через уплотнительную втулку 13 по гидравлическому тракту на входе в уплотнительную втулку и в полости параболоида 15. При этом в указанных сечениях поток воды по своей форме близок к сжатому потоку, характерному при истечении жидкости из отверстий подобного рода, с минимальными завихрениями и потерями давления в местном сопротивлении с последующим направлением через проходного отверстия запорной пары. При истечении из проходного отверстия запорной пары, в которой внутренняя торцевая поверхность совмещенных между собой подвижной шайбы 10 и неподвижной шайбы 11 имеют форму параболоида, близкий к сжатому сечению при истечении через отверстие в тонкой стенке, поток жидкости движется с минимальным образованием вихрей и потеть давления в местном сопротивлении.
Совокупность признаков по заявляемому техническому решению позволяет существенно улучшить гидравлические характеристики и обеспечить повышение регулирующей способности вентильной головки для водоразборной арматуры.