凈水機單向閥的低噪聲設計

周軍

ZHOU Jun

佛山市美的清湖凈水設備有限公司 廣東佛山 528311

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

1 引言

單向閥是凈水機的關鍵部件之一，在凈水機水系統(tǒng)和濾芯內部結構中，需要封水或者控制水流單向流動的場合很多。單向閥的功能是控制流體沿一個方向流動，而禁止反向流動。其主要性能要求是：當液體通過時流阻要小，當液體反向流入時，閥口密封性要好且無泄漏；工作時不應有振動、沖擊和噪聲。國內學者對單向閥類產品進行了大量研究，余武江等[1]對單向閥自激振蕩機理進行研究，提出了單向閥的臨界穩(wěn)定曲線，通過三維動態(tài)流場仿真分析，研究了單向閥的動態(tài)穩(wěn)定特性。劉上等[2]針對單向閥系統(tǒng)自激振蕩現象，建立相應的非線性動力學模型，基于數值分析，證實系統(tǒng)在一定條件下會出現極限環(huán)，系統(tǒng)的局部穩(wěn)定，但有大范圍不穩(wěn)定。王細波等[3]針對單向閥打開過程中的持續(xù)顫振現象，進行數值計算和試驗驗證，得出了此類產品的工作特性：不同入口壓力下，單向閥大致可分為臨界開啟、持續(xù)振動和開度穩(wěn)定（無振動）三個狀態(tài)。本文基于單向閥工作特性和三維流場數值分析，對低噪聲單向閥設計相關問題進行了相應的研究工作。

2 單向閥噪聲產生機理

單向閥的運動部件是閥芯，工作時會出現較明顯的嗚嗚聲和嘯叫聲等異音，這主要由其閥芯顫振導致。單向閥的閥芯顫振問題屬于流致振動，而流致振動通?？煞譃閺娖日駝雍妥约ふ駝觾煞N。強迫振動是由流道中的脈動流激發(fā)，自激振動由系統(tǒng)本身的運動激發(fā)，一般分為顫振、馳振及渦激振動等[4]。某款凈水機產品出現較大嗚嗚聲，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構如圖2所示，主要由閥殼體、閥芯和彈簧組成。液體正向導通時，水壓克服彈簧力將閥體的閥芯頂開，液體導通；液體反向流入時，水壓推動閥體的閥芯，壓緊閥芯與閥殼體間密封圈，實現有效密封。

單向閥是由放置在閥腔的彈簧振子組成，其單自由度運動方程如下：

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

（1）若Fp=0，該運動方程的根為：

式中：c阻尼系數和k彈簧剛度均為正值，方程兩個根均為負實根，閥芯振動是穩(wěn)定的，任何小的擾動很快都會衰減到0。

（2）若Fp≠0，由于閥芯兩側液體的壓力隨閥芯位移發(fā)生變化，Fp也相應變化。閥芯的運動方程的根會出現以下幾種情況：①為兩正根，系統(tǒng)出現負阻尼，閥芯運動將是發(fā)散的，閥芯兩側壓力提供自激振動的能量；②為具有非負實部的共軛復根，閥芯運動將是發(fā)散的，閥芯兩側壓力提供自激振動的能量；③為具有負實部的兩共軛復根或兩負實根，系統(tǒng)仍為正阻尼，閥芯運動將是穩(wěn)定的，任何小的擾動將很快衰減到0[5]。

單向閥的閥芯運動不穩(wěn)定，任何一個微小的擾動都會使閥芯在其平衡位置以某一固有頻率振動。單向閥在閥芯前后壓力提供量自激振動能力作用下，閥芯發(fā)生顫振，從而產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，存在閥芯的臨界開度和閥芯兩側臨界壓差，當閥芯開度小于臨界開度時，閥芯出現運動不穩(wěn)定。因此，單向閥嗚嗚聲等異音的改善，可以從內部流場擾動改善、閥芯導向機構顫振改善和閥芯彈簧振子系統(tǒng)改善等方面進行，具有較高的可行性。

3 低噪聲單向閥設計

低噪聲單向閥設計主要從內部流場、閥芯導向結構和彈簧振子系統(tǒng)優(yōu)化設計進行，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]已通過數值分析，驗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。本文重點針對閥芯進口流場的優(yōu)化和閥芯運動導向結構優(yōu)化，從而實現低噪聲單向閥設計，新舊單向閥整體結構如圖3所示，主要集中在閥芯突出段和雙導向結構兩個地方。

3.1 閥內部流場設計

突出段的閥芯新結構，能顯著改善入口流場結構，減小閥芯內部流場擾動對閥芯的影響，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)定工作導致的噪聲問題。結合單向閥實際工作的流量和壓力條件，基于fluent軟件采用標準k-epsilon湍流模型，進行了單向閥3D穩(wěn)態(tài)流場分析。計算域進口設置為速度進口2m/s，出口為壓力出口0pa，湍流強度5%，水力直徑0.56mm。新舊單向閥進口結構的速度場分析結果如圖4所示，壓力場分析結果如圖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新舊單向閥結構

圖4新舊結構速度場分布

圖5新舊結構壓力場分布

由新舊單向閥結構速度場分布可知，單向閥由90度方向入水，受離心力作用，水流出現外圍偏流，偏流區(qū)域主要集中于閥芯上部；新結構流場的速度相較于舊結構降低20%；閥芯入口端的低速渦面積顯著減小，對閥芯的擾動相應減??；閥芯出口端速度場也相對平緩。該單向閥速度場分布規(guī)律在圖6的3D流場圖中也有體現。綜上所述，新結構能有效減小內部流場對閥芯的擾動作用，有利于改善閥芯運動的穩(wěn)定性和單向閥產生的嗚嗚聲。

由新舊單向閥結構壓力場分布可知，單向閥由90度方向入水，受離心力作用，水流出現外圍偏流，偏流區(qū)域主要集中于閥芯上部，即高壓區(qū)處于左上部；新結構單向閥壓力相較于舊結構降低68%；且閥芯入口端的低壓區(qū)面積顯著減小，對閥芯的擾動相應減??；閥芯端出口端壓力場也相對平緩。綜上所述，新結構能有效減小內部流場對閥芯的擾動作用，有利于改善閥芯運動的穩(wěn)定性和單向閥產生的嗚嗚聲。

3.2 閥芯導向結構設計

閥芯受到擾動發(fā)生顫振，是導致單向閥產生嗚嗚聲等異音的主要原因。舊單向閥的閥芯結構如圖7(a)所示，僅在閥芯小端有導向結構，保證閥芯的平穩(wěn)運行，閥芯大端無導向段。當閥芯開啟時，單端導向的閥芯在水流作用下，極易發(fā)生上下顫振，產生嗚嗚聲等異音。為此，如圖7(b)所示的新結構進行了導向結構改善，閥芯大端和小端均設置導向結構，兩端導向結構間隙相較于以前有所減小，且間隙一致。新結構不僅能保證閥芯順暢導向，而且能減小或改善閥芯受到擾動時發(fā)生的上下顫振，消除嗚嗚聲異音。

圖6新舊結構3D速度場分布

圖7新舊單向閥導向結構

4 單向閥性能與噪聲驗證

基于單向閥工作特性和噪聲產生機理，本文通過對單向閥的閥芯入口結構和閥芯導向結構進行優(yōu)化，形成了低噪聲的新單向閥結構。以下，結合單向閥的工作條件和場景，對新單向閥結構的噪聲和性能要求進行了驗證。

4.1 單向閥基本性能驗證

本文對新單向閥單體的流量、單向性和抗水錘特性進行了驗證，驗證結果滿足要求；同時初步驗證了新單向閥單體、新單向閥裝配小通量機和新單向閥裝配大通量機的噪聲。部分驗證數據如表1所示，新單向閥結構能滿足主要性能要求，且嗚嗚聲異音得到顯著改善。

4.2 單向閥噪聲驗證

為了進一步量化新單向閥結構的噪聲改善效果，新舊單向閥裝配同一臺大通量整機進行測試驗證。根據國標GB/T 4214.1-2017《家用和類似用途電器噪聲測試方法》，相同進水壓力和相同水溫條件下，在半消聲室進行了噪聲測試，噪聲測試結果如表2、表3所示，具體頻譜結果如圖8所示。測試條件：進水水壓0.25MPa，水溫25℃，半消聲室背景噪聲20dB。測試設備：LC0210-4動態(tài)信號調理器和B＆K通用1/2英寸傳聲器4189。

表1 單向閥基本性能數據

表2 舊結構單向閥征集噪聲測試結果

表3 新結構單向閥征集噪聲測試結果

圖8新舊單向閥整機噪聲頻譜

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

5 總結

基于單向閥工作特性和噪聲機理分析，本文進行了低噪聲單向閥結構設計，并且通過了數值分析和試驗驗證，結果表明：

（1）單向閥噪聲機理分析表明，閥芯受到流場擾動發(fā)生顫振是產生嗚嗚聲的主要原因。

（2）單向閥入口端的流場優(yōu)化，能有效改善流場激勵對閥芯的擾動，從而減少閥芯發(fā)生顫振的概率。

（3）單向閥閥芯的雙導向結構，能保證閥芯的順暢運行和改善閥芯運行時的上下顫振。

（4）低噪聲單向閥結構相較于舊結構，整機噪聲改善約3.5dB，重點峰值頻段160Hz改善約7dB，音質改善顯著。