Быстрозакрывающаяся наполнительная арматура противодавления для смывных бачков с боковой подводкой воды

В этой работе излагаются инженерные решения, направленные на разумное уменьшение габаритов наполнительной арматуры противодавления (НАП) и достижение полного соответствия её эксплуатационных показателей современным ГОСТам и требованиям потребителей.

Первые упрощённые образцы наполнительных арматур противодавления для смывных бачков с боковой подводкой имели сравнительно большой вылет поплавка, поскольку длина штанги, связывающей его с корпусом запорного клапана, могла достигать 250 мм, в то время как ширина смывного бачка составляет примерно 300 мм. Если же учесть, что в середине бачка находится спускная арматура, то штангу делали не прямой, а с фигурным изгибом, чтобы она не касалась арматуры. Чтобы разместить наполнительную арматуру в бачке между боковой стенкой и корпусом спускной арматуры, необходимо уменьшить вылет наполнительной арматуры хотя бы до 90 мм. Это требование легко выполнить, используя наполнительную арматуру с сервоуправлением, у которой и поплавок маленький, и штанга, на которой он крепится, также сравнительно короткая. Однако по сравнению с наполнительной арматурой противодавления такая арматура стоит значительно дороже и требует периодического технического обслуживания.

Специалисты ООО «Инкоэр» в процессе импортозамещения так изменили наполнительную арматуру противодавления для бачков с боковой подводкой воды, что она к своим исходным качествам (прежде всего высокой надёжности) добавила ещё три новых свойства:

1. Способность быстро закрываться на последнем этапе заполнения бачка, что исключает кавитационное разрушение рабочих поверхностей седла и эластичной прокладки запорного клапана, а также минимизирует скопление механических частиц в зазоре между рабочими поверхностями седла и уплотняющей прокладки запорного клапана, которые также способны разрушить рабочие поверхности седла и уплотняющей прокладки.

2. Обеспечение вылета поплавка арматуры в пределах 85 мм, что позволяет применять эту арматуру практически в любых бачках с боковой подводкой воды.

3. Конструкция новой наполнительной арматуры противодавления также позволяет исключить (без использования специального миниатюрного обратного клапана) подсос воды и воздуха из смывного бачка в водопроводную сеть при понижении в ней давления ниже атмосферного только за счёт использования собственной уплотняющей прокладки. Исключение подсоса воды и воздуха из смывного бачка в водопроводную сеть — одно из важнейших требований ГОСТ 21485–2016 [1] и других стандартов.

Следует отметить, что в наполнительной арматуре противодавления дополнительно устанавливаются индивидуальные миниатюрные обратные клапаны, в которых в качестве запорного материала служит тонкая круглая пластина. К сожалению, она хорошо работает только пока новая. Анализ существующих аналогичных обратных клапанов показывает, что через несколько месяцев работы данный эластичный материал теряет плоскую форму и без специальной пружины не может обеспечить хорошую герметичность, противодействуя весу столба воды в бачке.

Опыт совместной работы автора с оборонными предприятиями СССР, создававшими продукцию на основе пневматических и гидравлических механизмов, говорит о том, что такая продукция, если она создаётся заново, не способна сразу работать без сбоев и неожиданных отказов. Она требует проведения стендовых и эксплуатационных испытаний, а также последующих доработок для того, чтобы стать абсолютно надёжной. Это связано с тем, что гидравлика и пневматика являются науками полуэмпирическими, и поэтому без эксперимента при создании новых устройств не обойтись. Можно вспомнить, что даже воспроизведение уже готовых изделий, «заимствованных» в зарубежных странах во времена СССР, получалось далеко не сразу. Высокие требования к эксплуатационным показателям необходимы не только для продукции «оборонки», но и для бытовых сантехнических изделий, к которым относятся как спускная, так и наполнительная арматура для унитазов.

Поэтому и первые образцы рассматриваемой наполнительной арматуры для смывных бачков показали, что они ещё недостаточно совершенны. Следует отметить, что наполнительная арматура для смывных бачков с нижней подводкой воды потребовала незначительного количества доводок, в отличие от наполнительной арматуры с боковой подводкой воды, хотя построены они были по одному принципу, обеспечивающему быстрое закрытие запорного клапана и исключение подсоса воды и воздуха из смывного бачка в водопроводную сеть при падении в ней давления ниже атмосферного.

Не вдаваясь в подробности проведённых экспериментов и тестов, рассмотрим причины возникновения изъянов изготовленной наполнительной арматуры противодавления для смывных бачков с боковой подводкой воды и действия, направленные на устранение недостатков, обнаруженных в результате испытаний первоначальных образцов упомянутой выше арматуры.

Главный и очевидный недостаток ещё недоработанной наполнительной арматуры противодавления боковой подводки сводится к появлению громких звуков на последнем этапе закрытия запорного клапана, которые возникают при повышенном давлении воды в водопроводной сети. Эти звуки вызваются акустическими (звуковыми) колебаниями, то есть механическими колебаниями, возникающими в данном случае в жидкой среде — в движущейся по каналам арматуры воде. Однако в работе аналогичной наполнительной арматуры противодавления для смывных бачков с нижней подводкой такого явления не происходит. Для определения причин возникновения этих звуковых колебаний пришлось выполнить специальный сравнительный анализ двух аналогичных наполнительных арматур для бачков унитазов с нижней и боковой подводкой воды.

В результате оказалось, что в арматуре боковой подводки, кроме тех элементов, которые содержатся в арматуре нижней подводки, появились дополнительные детали и произошли изменения геометрических размеров некоторых узлов:

1. Почти в два раза увеличилась длина толкателя, а также существенно увеличился зазор между толкателем и корпусом.

2. Изменилась конструкция штанги, связывающей поплавок и толкатель. Она была разделена на две разных штанги с целью скомпенсировать уменьшение их суммарной длины с соблюдением эффективной длины штанги, связывающей клапан и поплавок. Вторая завершающая штанга пока имеет сравнительно более длинное плечо, контактирующее с толкателем, чем в наполнительной арматуре нижней подводки воды.

3. Отвод воды из рабочей камеры запорного механизма производится не непосредственно из камеры в бачок, а сначала через узкий, серпообразный в сечении горизонтальный канал с переходом в вертикальную сливную трубку. Сливной же канал имеет слишком много резких изгибов и переходов от одного сечения к другому, что с точки зрения влияния инерционности рабочей жидкости может приводить к появлению автоколебаний.

4. Для обеспечения течения воды из рабочей камеры только в сливную трубу между штуцером и его продолжением установлено плоское кольцеобразное эластичное уплотнительное кольцо.

5. Головка наполнительной арматуры нижней подводки постоянно затоплена водой, а головка арматуры боковой подводки размещена над уровнем воды в смывном бачке, то есть в воздушной среде.

6. Есть также замечание по узлу крепления сливной трубки. При повышенном давлении в сети (более 3 атм) из сливной трубки вытекает очень компактная струя с сечением меньшим, чем проходное сечение сливной трубки. Это приводит к возмущению поверхности воды в смывном бачке и некоторому увеличению шумности арматуры. Причина — неудачно выполнен канал перехода от горизонтального серпообразного сечения к круглому сечению сливной трубки. Виноват в этом маленький экран-отражатель 10, показанный на конструктивной схеме наполнительной арматуры противодавления боковой подводки (рис. 1). Если его убрать, то поток воды из сливной трубки будет более или менее плавным.

Рис. 1. Конструктивная схема наполнительной арматуры противодавления боковой подводки (1 — штуцер с соплом 2; 3 — уплотнительная прокладка с диафрагмой 4; 5 — опорное кольцо диафрагмы; 6 — корпус арматуры; 7 — опорная шайба; 8 — фиксирующая шайба; 9 — толкатель; 10 — экран-отражатель; 11 — основной рычаг с поперечным стержнем 12; 13 — вспомогательный рычаг с малым плечом 14; 15 — сливная трубка; 16 — новый поплавок; 17 — тяга; 18 — экспериментальное прямоугольное отверстие для нештатного слива воды; 19 — уступ, необходимый для фиксации глубины погружения фильтра грубой очистки; 20 — ось поворота вспомогательного рычага 13)

Отмечены также некоторые нежелательные моменты в узле запорного клапана. Они присутствуют и в узле запорного клапана наполнительной арматуры нижней подводки. В частности, размеры диафрагмы чулочного типа не соответствуют назначенным в чертеже — они существенно занижены. Поэтому диафрагма после монтажа по максимальному наружному диаметру не обеспечивает герметичности, а эластичный клапан не обеспечивает контакта его рабочей поверхности с седлом сопла при опущенном вниз поплавке наполнительной арматуры. По этой причине при разряжении в водопроводной системе возможно высасывание в систему из смывного бачка воды и воздуха. Кроме того, материал, из которого изготовлена диафрагма, не годится для её изготовления, поскольку его упругие свойства сильно зависят от температуры воды. В зимний период диафрагма твердеет и становится неспособной выполнять свои функции. Твёрдость этого материала увеличивается в процессе эксплуатации изделия (по крайней мере, в московской воде), и примерно через год работы эластичность диафрагмы существенно ухудшается и даже появляется хрупкость её наружных поверхностей.

Диафрагма чулочного типа очень плохо фиксируется на уступах отверстия диаметром 15 мм из-за литейных дефектов материала уступа корпуса вокруг этого отверстия и деформации опорного обода диафрагмы под действием давления воды, а также из-за очень маленькой ширины буртика, на который опирается опорное кольцо диафрагмы. После незначительного периода работы арматуры под давлением нарушается герметичность её запорного клапана. Через некоторое время диафрагма после снятия давления снова возвращается в исходное положение. Как выяснилось, это связано не только с возвращением обода диафрагмы в предыдущее состояние, но и с повышенной твёрдостью эластичного материала диафрагмы чулочного типа при относительно низких температурах воды в водопроводных трубах. При подаче холодной воды (температурой +5,5°C) в наполнительную арматуру гофра диафрагмы деформируется, остывает и оставляет уплотнительную прокладку в положении, когда она отодвигается от сопла более чем на 1 мм.

Если после этого подуть в штуцер в течение одной минуты, то диафрагма нагревается, восстанавливается, и уплотнительная прокладка снова приближается к седлу сопла. Однако даже после сборки арматуры герметичность запорного клапана в исходном состоянии далека от желаемого результата. Оказывается, что уплотнительная прокладка, которая должна лечь на седло с некоторым усилием, создаваемым гофром диафрагмы, даже не касается седла сопла.

Стендовая проверка наполнительной арматуры нижней подводки показала, что попытка извлечь из неё какие-либо звуковые колебания не увенчалась успехом. Это было сделано для того, чтобы снять с диафрагмы чулочного типа подозрение в том, что именно она является источником повышенного шума при протекании воды под давлением. При этом опыты проводились как при наличии уплотнительной кольцевой прокладки между штуцером и корпусом наполнительной арматуры, так и без этой прокладки.

Испытание штатной наполнительной арматуры боковой подводки привело к получению следующих результатов:

1. При давлении воды в водопроводной сети, равном 6 атм, по мере приближения рабочей поверхности уплотнительной прокладки к седлу сопла начинаются громкие звуковые колебания низкой частоты. При этом они сопровождаются появлением воды из места, где расположена ось поворота малого рычага, что говорит о том, что во время вибрации осуществляется протечка воды через зазор между внутренней поверхностью корпуса диаметром 15 мм и наружным опорным кольцом диафрагмы запорного органа.

2. Перед установкой на стенд арматура со стороны торца штуцера воздухом из лёгких испытателя проверялась на герметичность запорного органа при разрежении (около 0,2 атм) и под давлением (около 0,15 атм). Герметичности при этом не наблюдалось, так как ощущался небольшой зазор между соплом и прокладкой.

3. После отключения давления, подаваемого к наполнительной арматуре, воздухом из лёгких испытателя на месте проверялась герметичность запорного устройства. Первое время воздух проходил со сравнительно малым сопротивлением, но после небольшого времени (одна-две минуты) стал проходить всё труднее, так как сжатая и охлаждённая диафрагма нагрелась от тепла воздуха, прокладка «распрямилась» и заняла исходное положение.

Перетекание воды через неплотности посадки диафрагмы в отверстии диаметром 15 мм — это отрицательное явление. Поэтому было решено снизу по посадке с натягом установить короткое прямоугольного сечения кольцо из твёрдой пластмассы, чтобы оно прижимало опорное кольцо диафрагмы к торцу кольцевого уступа перехода диаметра от 15 к 13 мм. Это позволило несколько устранить протечку воды через контакт между опорным кольцом диафрагмы и поверхностью отверстия диаметром 15 мм. Однако звуковые колебания это не устранило, но герметичность посадки всё же несколько обеспечило, и наметилось дальнейшее направление борьбы с этой неприятностью в серийном производстве.

Далее стоит упомянуть о проблеме высасывания воды и воздуха из смывного бачка в водопроводную сеть. Это может произойти в момент отключения стояка из-за существования зазора между рабочей поверхностью прокладки и торцом седла сопла. Поэтому принято временное решение: между опорным кольцом диафрагмы и уступом перехода диаметра отверстия от 15 к 13 мм установить кольцо прямоугольного сечения толщиной 1 мм, наружным диаметром 15,2 мм, а внутренним — 12,8 мм, выполненное из полипропилена (другого материала под рукой в этот момент не оказалось).

Это позволило опустить диафрагму чулочного типа вместе с уплотнительной прокладкой на 1 мм вниз и обеспечить гарантированный прижим рабочей поверхности прокладки к седлу сопла без помощи поплавка. Кроме того, с целью фиксации опорного кольца диафрагмы в осевом направлении в отверстие диаметром 15 мм снизу по посадке с натягом было установлено до упора в опорное кольцо диафрагмы пластмассовое кольцо высотой 1,5 мм с внутренним диаметром 11 мм и наружным диаметром 15,1 мм.

Проверка доработанного узла крепления диафрагмы показала, что герметичность её посадки несколько улучшилась, но не до 100%. Улучшилась и осевая фиксация опорного кольца диафрагмы. По крайней мере, после возникновения звуковой вибрации в процессе испытания при давлении в водопроводной системе, равной 6 атм, осевого смещения опорного кольца обнаружено не было.

С точки зрения теории автоматического регулирования звуковые вибрации арматуры при наличии поступающей извне энергии (расход воды под давлением) являются основанием для возникновения автоколебаний в некой «следящей» системе, уже замкнутой обратной связью.

Одной из причин автоколебаний может служить повышенный коэффициент усиления системы. В процессе наполнения смывного бачка эта система ещё не «следящая», а вот в последний момент наполнения её условно уже можно рассматривать как «следящую». Поэтому автоколебания можно устранить уменьшением коэффициента усиления. В данной конструкции это можно сделать за счёт уменьшения длины малого плеча рычага, контактирующего с толкателем. Штатная длина этого плеча составляет 12 мм. В аналогичной наполнительной арматуре нижней подводки воды длина этого плеча составляет всего 4 мм, и автоколебаний у неё нет. Кроме того, в штатной наполнительной арматуре большое плечо малого рычага контактирует с большим рычагом только в одном направлении, что не делает этот контакт «жёстким». Кстати, такой же «нежёсткий» контакт имеется и в узле передачи усилия между торцом толкателя и коротким плечом малого рычага. Два «нежёстких» контакта в одной цепи — подозрительно много. Поэтому длинное плечо малого рычага следует снабдить вилочным захватом. Описанные действия по предварительному изменению конструкции некоторых узлов и элементов в исследованных образцах отображены в конструктивной схеме наполнительной арматуры противодавления боковой подводки, приведённой на рис. 1.

Далее идут главные выводы на основании экспериментального исследования наполнительной арматуры противодавления боковой подводки:

1. Вибрация (звуковые колебания) запорного клапана происходит на последней стадии его закрытия.

2. Причинами вибрационных колебаний могут являться одновременно несколько конструкторских погрешностей:

• необоснованно сравнительно длинное малое плечо вспомогательного рычага;
• очень длинный, с большим гидродинамическим сопротивлением канал слива, который в эскизном прототипе был выполнен вплотную к оголовку корпуса 6 арматуры и в виде эластичной трубки, и там автоколебаний не было.

3. Главный элемент арматуры — диафрагма с уплотняющей прокладкой и опорным кольцом — выполнен с заниженными размерами, намного отличающимися от размеров, назначенных чертежом. Кроме того, стенки гофра имеют недопустимо низкую толщину для давлений, используемых в арматуре.

4. Очень неудачно выбран эластичный материал для изготовления мембраны, который твердеет при низких температурах воды и со временем теряет эластичность. Его надо заменить на термоэластопласт такой же твёрдости.

5. Поплавок имеет недопустимую геометрию направляющей трубы прямоугольного сечения (она короче высоты поплавка) с точки зрения отложения солей на его внутренней поверхности и на поверхности вертикальной стойки, которая приводит со временем к «зависанию» (заклиниванию) поплавка в верхнем положении.

6. Не очень удачно выбрана конструкция фиксации мембраны в центральном отверстии штуцера. При повышенных давлениях она вместе с уплотняющей прокладкой клапана перемещается в осевом направлении, что ухудшает намеченное качество регулирования потока воды.

7. Пока до изготовления новой мембраны с новым эластичным материалом не определён «натяг» уплотнительной прокладки для её стабильной работы в допустимом диапазоне температур и давлений в напорной гидравлической линии.

8. В результате экспериментальной проверки после выполнения в «подбрюшьи» корпуса 6 (рис. 1, выноска I) специального дополнительного прямоугольного сечения отверстия обнаружено, что звуковые колебания исчезли. Однако при более высоких давлениях в сети они снова возникли, но с меньшей громкостью и с более высокой частотой. Предполагается, что в этом случае можно взвалить вину на перетекание воды через неплотность посадки обода диафрагмы в отверстие диаметром 15 мм и на нежёсткую посадку диафрагмы на головку толкателя. Окончательно об этом можно будет судить после изготовления диафрагмы с соответствующей геометрией и из другого материала.

9. Отдельно от предыдущего опыта была проведена проверка наполнительной арматуры противодавления боковой подводки, в которой был заменён вспомогательный рычаг на рычаг с длиной малого плеча, как это выполнено в наполнительной арматуре противодавления нижней подводки. Замена на рычаг 13, показанный на рис. 1, также позволила исключить звуковые колебания. Следует отметить, что сливной канал арматуры остался штатным, как и изображено на рис. 1.

10. Автор считает необходимым сделать замечание по поводу выполнения центрального отверстия (входного для воды) с начальным диаметром 14 мм и сужающимся ко дну «колодца» до 13,5 мм. Это не гарантирует оптимальной глубины посадки фильтра в центральном отверстии штуцера, поскольку она будет зависеть от силы монтажника и его психологических данных. Если фильтр вставить слабо, то его шаровой хвостовик окажется в отверстии гибкой подводки и ограничит расход воды, но его можно легко вынуть для промывки. Если же фильтр вставить с большим усилием, то его будет трудно вынимать. С рекомендуемым уступом 14×12 мм установка и демонтаж фильтра не будут иметь трудностей. Кроме того, подобная конструкция всегда применялась в продукции компании «Инкоэр», но по какой-то причине преемственность вдруг прекратилась…

Далее изложим инженерные решения по изменению узлов и элементов наполнительной арматуры противодавления для смывных бачков с боковой подводкой. Некоторые из них будут использованы и при модернизации наполнительной арматуры для смывных бачков с нижней подводкой воды.

Первое эффективное конструктивное изменение, позволившее убрать вибрацию арматуры, заключалось в том, что длина короткого плеча 14 вспомогательного рычага 13 (рис. 1) была уменьшена в три раза. На рис. 1 показано, каким должен быть поплавок 16, чтобы он со временем не «зависал» в верхнем положении.

Второе конструктивное решение по ликвидации шума, которое свелось к перемещению сливного отверстия в наполнительной арматуре к основанию её головки, оказалось эффективным, но доработка требует создания новых и дорогих пресс-форм. Это решение также отражено на схеме, приведённой на рис. 1.

Третье конструктивное решение, позволяющее исключить высасывание воды и воздуха из смывного бачка в водопроводную сеть без применения дополнительного малонадёжного обратного клапана, основано на использовании особых упругих свойств диафрагмы чулочного типа, которая делает эту защиту водопроводной сети абсолютно надёжной, качество которой не зависит от времени эксплуатации и от температуры воды.

На рис. 2 приведена конструктивная схема фрагмента наполнительной арматуры, в котором предусмотрена надёжная осевая фиксация диафрагмы 1 чулочного типа с помощью фиксатора 2, который устанавливается в соответствующее отверстие оголовка 3 по посадке с натягом. Оголовок 3 жёстко крепится на штуцере 4 посредством байонетного соединения (на схеме не показан). Цифрой 7 здесь обозначен толкатель, который априори должен быть жёстко связан с уплотнительной прокладкой 5 и с частью основания гофра диафрагмы 1 (с помощью клея или посредством вулканизации). Отметим, что в документации на наполнительную арматуру диафрагму называют «манжетой». Однако манжета должна охватывать некую деталь, и перемещение этой детали относительно манжеты приводит к появлению сил контактного трения, что крайне вредно и способствует износу уплотняющих поверхностей.

Рис. 2. Модернизированный узел запорного механизма (1 — диафрагма; 2 — фиксатор; 3 — оголовок; 4 — штуцер; 5 — уплотнительная прокладка; 6 — опорное кольцо; 7 — толкатель)

Как уже отмечалось, диафрагма 1 выполнена заодно с уплотнительной прокладкой 5 и опорным кольцом 6. В отличие от базовой модели здесь существенно увеличена толщина стенок гофра, уменьшен наружный диаметр гофра и соответствующий диаметр в оголовке 3, а также увеличена диаметральная толщина опорного кольца 6, что обеспечивает более надёжную посадку опорного кольца 6 на отбортовку отверстия 15×12 мм.

Однако главным достоинством узла посадки опорного кольца 6 является наличие его фиксатора 2, выполненного из твёрдых сортов пластмассы и установленного в центральное отверстие по посадке с натягом. Фиксатор 2 оказался простым и удобным в установке. Он почти полностью охватывает опорное эластичное кольцо 6, жёстко удерживая его. Благодаря особенностям конструкции фиксатора 2 обеспечивается герметичность узла посадки диафрагмы на соответствующий уступ центрального отверстия 15×12 мм.

Таким образом, есть уверенность, что выполнение изложенных в тексте задач и положений позволит сделать новую спускную арматуру противодавления боковой подводки не только самой надёжной и конкурентоспособной, но и патентоспособной на мировом уровне.