Рис. 1. Спускной клапан грушевидного типа
Рис. 2. Спускной клапан с конусообразным, охватывающим седло, эластичным запорным элементом
Рис. 3. Спускной клапан с плоским эластичным запорным элементом
Рис. 4. Упрощенный спускной клапан с плоским эластичным запорным элементом
Рис. 5. Спускной клапан с минимальным количеством деталей
Рис. 6. Гипотетическая спускная арматура с коноидальным входным участком спускного отверстия
Рис. 7. Спускной клапан с устройством, имитирующим коноидальный насадок
Рис. 8. Наиболее герметичный спускной клапан, обладающий высоким значением среднего расхода на смыв
От конструктивных особенностей и материалов, из которых изготавливаются клапаны спускной арматуры, зависит не только герметичность этих клапанов, но и величина среднего расхода на смыв, во многом определяющего качество смыва содержимого чаши унитаза. На герметичность клапанов спускной арматуры оказывают также влияние и некоторые технологические особенности изготовления их эластичных элементов, в том числе и материал, из которого эти элементы изготовлены.
Существенное влияние на усилие отрыва клапана от седла оказывают также и конструктивные особенности спускных клапанов, что сказывается на усилии, необходимом для нажатия на кнопку пуска при осуществлении спуска воды из смывного бачка. Поэтому существует огромное количество конструктивных исполнений спускных клапанов, выпускаемых различными предприятиями. Конструкции этих клапанов постепенно изменяются с целью улучшения их эксплуатационных показателей, но меняются они медленно и не всегда существенно.
Поэтому только в настоящее время стали появляться спускные клапаны с более-менее удовлетворительными характеристиками. Ниже будут приведены и проанализированы наиболее характерные спускные клапаны, которыми широко пользуются отечественные потребители. Материал будет излагаться приблизительно в хронологическом порядке развития и совершенствования клапанов спускной арматуры смывных бачков.
На рис. 1 приведен спускной клапан грушевидного типа наиболее широко применявшийся еще в недалеком прошлом (15–20 лет назад), который иногда встречается еще и в современных унитазах. По крайней мере, приведенный на рис. 1 спускной клапан до сих пор серийно выпускается отечественной фирмой «РБМ». Его корпус 1 изготовлен из пластмассы, например, из полипропилена, а в верхней части центрального отверстия цилиндрической формы выполнена сходящаяся книзу под углом около 60° конусная поверхность.
Эта поверхность является посадочным местом (седлом) для эластичного клапана 2 с рабочей сферической поверхностью. Клапан 2 надевается с натягом на нижний конец подвижной переливной трубы 3 и фиксируется на ней с помощью стрелообразных выступов 4. В просторечье клапан 2 часто называется грушей. Причиной этому служит следующее. До последних лет эти клапаны изготавливались из резины. Резина, как известно, гигроскопична.
Поэтому со временем ее упругие свойства утрачиваются, и под действием постоянного давления столба воды в бачке клапан 2 утапливается в отверстии корпуса 1, и часть поверхности эластичного клапана, контактирующая с конусной поверхностью корпуса 1, принимает форму конуса. В результате после некоторого времени эксплуатации сферообразная рабочая поверхность клапана 2 принимает грушевидную форму.
Полусферическая поверхность эластичного клапана 2 обусловлена тем, что первые спускные арматуры были крайне простыми. Их клапаны поднимались над седлом для спуска воды из бачка с помощью тонкого металлического стержня и удерживались в верхнем положении до окончания спуска за счет подъемной силы, которая создавалась заполненной воздухом полостью, ограниченной эластичным материалом, из которого изготовлен клапан 2.
Это продолжалось до тех пор, пока переливные трубы спускной арматуры не стали совмещать с эластичными спускными клапанами. Первые конструкции таких спускных арматур уже не могли удерживать клапанную систему в верхнем положении за счет плавучести полого клапана. В результате к клапанной системе, сочетающей в себе эластичный полый клапан и переливную трубу, добавили еще и дополнительный поплавок, жестко связанный с переливной трубой.
При этом, пока эластичный клапан выполнял роль поплавка, его недостатки были малозаметны, и никто не придавал им значения. Однако с появлением дополнительного поплавка на переливной трубе спускной арматуры недостатки грушевидного запорного клапана стали вдруг очевидными. Среди этих недостатков следует отметить следующие. Грушевидные клапаны, изготовленные из резины, сравнительно быстро разрушались под воздействием воды.
Их сферообразные стенки постепенно утончались до состояния, когда столб воды над грушей сминал ее, и клапан терял герметичность. Эту проблему удалось решить за счет замены резины на пластикаты ПВХ (мягкие ПВХ), у которых упругие свойства почти не отличаются от упругих свойств резины, но стойкость к разрушительному воздействию воды — отличная. Поэтому в последнее время эластичные элементы выполняют в основном из пластикатов ПВХ.
Некоторые производители эластичные клапаны выполняют даже из силикона, несмотря на то, что такое изготовление более сложно и более затратно. Кроме того, формование резиновых изделий часто связано с применением ручного труда: закладка сырой резины в пресс-форму, извлечение из пресс-формы термообработанных изделий и удаление облоя из граничных частей деталей в местах разъема прессформ.
Детали из пластиков ПВХ можно изготавливать с помощью термопластавтоматов без использования ручного труда, что существенно упрощает процесс производства деталей и заметно снижает их себестоимость. У спускной арматуры со сферическим эластичным клапаном есть еще один недостаток. Соприкасающиеся рабочие поверхности (рис. 1) клапана 2 и седла корпуса 1 имеют слишком большую площадь поверхности касания.
Малейшие наслоения солей воды или налипание механических частиц в месте контакта этих поверхностей приводит к недостаточной герметичности клапана и вода, просачиваясь через, казалось бы, незначительные щели из бачка в чашу унитаза, оставляет на поверхности последней рыжие известковые «разводы». Подобное явление имеет место даже в унитазах фирмы Gustavsberg, выпущенных около 10 лет назад.
Эластичный сферообразный клапан выполнен там из латексной резины, и с годами его упругие свойства не меняются. Кроме того, сферическая поверхность клапана 2 под действием давления от столба воды отжимается от конусной поверхности седла, что ухудшает качество герметичности клапана. Поплавок, размещенный на переливной трубе при заполненном смывном бачке, также стремится оторвать эластичный клапан от седла, что тоже снижает степень герметичности спускного клапана.
Попытку как-то избавиться от недостатков большой площади касания конусообразного седла корпуса и сферической поверхности эластичного клапана сделала шведская фирма ifoe Sanitaer в конструкции, которая приведена на рис. 2. Здесь седло 1 выполнено торообразным, а эластичное уплотнение 2, закрепленное на пластмассовом стакане 3, выполнено конусообразным и охватывающим седло 1.
В результате площадь поверхности касания значительно сократилась, а давление столба воды над клапаном обеспечивает не отрыв рабочей поверхности клапана 2 от седла 1, а прижим клапана к седлу. Это, конечно, улучшает качество герметичности клапана, но приводит к уменьшению расхода на смыв при одинаковых диаметрах спускных отверстий в корпусах клапанов, приведенных на рис. 1 и 2. Дело в том, что расход на смыв при одинаковых диаметрах спускных отверстий зависит не только от высоты столба воды, но и от условий входа воды из бачка в эти отверстия.
Конечно, на средний расход влияет и диаметр спускного отверстия: чем диаметр больше, тем больше и расход. Диаметр же спускного отверстия в корпусе нижнем спускной арматуры зависит от диаметра резьбы на корпусе и от ее шага. Обычно с целью унификации спускной арматуры наружный диаметр резьбы во всем мире принят равным 60 мм. Если резьба упорная, то диаметр спускного отверстия составляет величину порядка 50 мм, в зависимости от качества пластмассы, из которой изготавливается корпус.
В последнее время с качеством пластмасс уже проблем нет, и 60-миллиметровую резьбу выполняют метрической с шагом от 2 до 2,5 мм, что при использовании полиформальдегидов для изготовления корпуса позволяет выполнить спускное отверстие в корпусе диаметром от 52 до 53 мм. Влияние условий входа воды в спускное отверстие клапана на средний расход заключается в следующем. Если входной участок спускного отверстия имеет форму сходящегося конуса, то средний расход воды будет примерно на 15 % больше, чем при цилиндрической форме входного участка.
Это подтверждается и результатами экспериментальных испытаний клапанов, приведенных на рис. 1 и 2. Со временем конструкторы спускной арматуры пришли к выводу, что более высокой герметичностью обладают спускные клапаны с ножеобразным седлом и плоским клапаном. В качестве примера на рис. 3 приведен один из спускных клапанов, которые выпускаются фирмой Siamp. Здесь ножеобразное седло 1 в корпусе 2 выполнено в верхней части конусообразного участка корпуса.
На это седло ложится рабочая часть плоского эластичного клапана 3, выполненного из силикона. Клапан 3 надевается с натягом на нижнюю цилиндрическую часть переливной трубы 4 и фиксируется с помощью двух пластмассовых разрезных шайб 5. Герметичность такого клапана находится на достаточно высоком уровне, так как седло 1 имеет сравнительно малый радиус скругления острых кромок (R ≈ 0,3 мм), а рабочая поверхность эластичного элемента 3 выполнена идеально плоской.
Кроме того, в подобных клапанах столб воды над эластичным элементом обеспечивает достаточное усилие, чтобы прижать периферийную часть эластичного клапана 3 с идеальной рабочей поверхностью к ножеобразному седлу 1. Следует также отметить, что диаметр ножеобразного седла в клапане фирмы Siamp составляет 67 мм. Поэтому усилие отрыва клапана 3 от седла 1 почти в полтора раза больше, чем усилие отрыва клапана 2 от конусообразного седла корпуса 1 в клапане фирмы «РБМ», приведенной на рис. 1.
Однако на общем уровне герметичность клапана и средний расход на смыв у спускного клапана фирмы «РБМ» находятся на достаточно высоком уровне, чего нельзя сказать о спускном клапане с плоским клапаном, выпускаемым фирмой «РБМ», конструктивная схема которого приведена на рис. 4. Спускной клапан фирмы «РБМ» несколько по проще, чем предыдущий клапан.
Он также содержит корпус 1 с входной конической частью с выступающим над корпусом седлом 2, плоский эластичный клапан 3, надеваемый на нижнюю часть переливной трубы 4 и фиксируемый на ней с помощью только одной разрезной пластмассовой шайбы 5. У потребителей есть претензии к работе такого клапана, но до изготовителя они почему-то не доходят. Во-первых, рабочая поверхность седла 2 выполнена в виде кольцеобразной плоскости шириной около 1 мм, что не позволяет назвать его ножеобразным седлом.
Во-вторых, у этого плоского эластичного клапана литник расположен на периферии и след от течения массы пластиката при заполнении пресс-формы простирается в радиальном направлении до поверхности, контактирующей с седлом. В результате происходит деформация и занижение толщины клапана в месте, где поверхность должна быть идеально плоской. Поэтому при вроде бы закрытом клапане происходит капельное просачивание воды из смывного бачка в чашу унитаза.
Этого не должно быть, но предприятие «РБМ» продолжает выпускать практически бракованную продукцию. К тому же у плоского эластичного клапана нет сверху опорного кольца. Поэтому плоский клапан 3 после сборки не обеспечивает полного прилегания рабочей поверхности эластичного клапана к седлу, что в результате приводит к сравнительно интенсивному протеканию воды из бачка в чашу унитаза до почти полного наполнения бачка.
В этом случае столб воды над клапаном высотой от 150 мм и более уже принудительно прижимает периферийные части эластичного клапана к седлу, нивелируя неровности рабочей поверхности эластичного клапана. Следует также отметить, что в большинстве образцов спускных клапанов, конструктивная схема которых приведена на рис. 4, не обрезается выступ от литника и он может задевать за стойки, связывающие нижнюю и верхнюю часть корпуса нижнего.
В результате эластичный клапан может не закрываться до конца, обеспечивая дополнительную причину потери герметичности спускного клапана. Поэтому покупателям продукции фирмы «РБМ» следует обратить на это внимание. Использование плоского эластичного клапана в спускной арматуре очень часто заставляет конструкторов применять фиксирующие шайбы. Обычно они выполняются съемными и являются дополнительными деталями, усложняющими процесс сборки арматуры и увеличивающими ее стоимость.
Поэтому делаются попытки от них избавиться. В качестве примера на рис. 5 приведен один из вариантов клапана спускной арматуры фирмы «Уклад», в котором эластичный клапан 1 насаживается на переливную трубу 2 и фиксируется от возможности соскальзывания с трубы стрелообразными выступами 3. Спускное отверстие в корпусе 4 имеет конусообразный входной участок.
В верхней части конусной поверхности размещено слегка выступающее седло, которое в верхней части имеет вид кольцеобразной плоской поверхности шириной около 0,5 мм, что не позволяет назвать его ножеобразным. На штуцере корпуса приведенного спускного клапана применяется уже не упорная, а метрическая резьба с шагом 3 мм. Поэтому диаметр спускного отверстия составляет всего 51 мм. Это в сочетании с незначительно развитой конусной поверхностью входного участка не позволяет получить средние расходы, обеспечивающие очень качественный смыв.
Кроме того, литник, размещенный на периферии диска в месте впрыска пластиката на глубину до линии контакта с седлом, не обеспечивает необходимой геометрии рабочей поверхности эластичного клапана. В результате часто наблюдается просачивание воды из смывного бачка в чашу унитаза даже при закрытом спускном клапане. Это со временем приводит к появлению ржавых налетов на внутренней поверхности чаши унитаза. Потребителей это раздражает.
Приведенные примеры клапанов спускных арматур приводят к выводу, что каждый клапан имеет достоинства и недостатки. Однако можно выделить основные достоинства, которыми должны обладать клапаны спускных арматур. Во-первых, они должны способствовать обеспечению качественного смыва, то есть должны иметь максимально возможные показатели по величине среднего расхода на смыв. Во-вторых, спускные клапаны должны обеспечивать максимальную герметичность при всех уровнях заполнения смывного бачка и не терять герметичности в течение всего срока эксплуатации.
В-третьих, спускные клапаны должны быть просты в сборке и иметь как можно меньшее количество деталей. Изучение лучших образцов из существующих конструкций клапанов спускных арматур позволяет надеяться, что создать почти идеальный клапан возможно. В качестве примера можно рассмотреть работу гипотетической конструкции клапана спускной арматуры, приведенной на рис. 6. Она составлена из наиболее удачных фрагментов зарубежной спускной арматуры и рекомендаций из общеизвестной машиностроительной гидравлики.
Здесь корпус 1 содержит опорный диск 2, необходимый для фиксации корпуса на дне смывного бачка, а также коноидальный участок 3 для входа воды из бачка в спускное отверстие с минимальными потерями давления. Эластичный клапан 4 с закругленными краями по наружному контуру вставляется с некоторым натягом в зазор между двумя дисками 5, которые выполнены заодно с переливной трубой 6. Закрытие клапана и его герметичность обеспечиваются за счет контакта периферийной закругленной части эластичного клапана 4 с нижней частью внутренней поверхности коноидального насадка 3.
Что здесь хорошо? Во-первых, спускной клапан имеет минимальное количество деталей. Во-вторых, он имеет минимальное гидравлическое сопротивление коноидального насадка, который обеспечивает максимально возможные средние расходы на смыв. В-третьих, усилие отрыва клапана здесь также сравнительно маленькое, так как диаметр клапана незначительно больше диаметра спускного отверстия. Однако и в этой конструкции можно найти недостатки.
Из-за заложенных в природу коноидального насадка сравнительно больших габаритных размеров по сравнению с другими конструкциями клапанов здесь увеличена высота подъема клапана. Кроме того, требуется увеличенная толщина эластичного клапана 4, что приводит к необходимости ужесточать допуски на геометрию этого клапана и на геометрию внутренней поверхности коноидального насадка 3, что при изготовлении деталей из пластмасс имеет определенные технологические сложности.
Однако выход из создавшейся ситуации все же есть. На рис. 7 приведена конструктивная схема спускной арматуры испанской фирмы Fominaya, специалисты которой, по мнению автора, случайно получили сравнительно хорошие показатели по среднему расходу на смыв без специальной организации входного участка в верхней части спускного отверстия. На опорном кольце 1 корпуса 2 они разместили резьбу для соединения верхней 3 и нижней 2 частей корпуса.
В результате образовалась кольцеобразная отбортовка высотой 5,5 мм над торцом седла 4, что существенно изменило условия входа воды в спускное отверстие. Теперь траектория течения воды стала напоминать траекторию движения воды через коноидальную насадку, что и обусловило существенное увеличение среднего расхода воды на смыв при сохранении общепринятых габаритных размеров спускного клапана.
Остальные элементы этого спускного клапана имеют следующие цифровые обозначения: 5 — переливная труба; 6 — эластичный плоский клапан; 7 — опорная шайба; 8 — специальная крепежная гайка. Их назначение вытекает из названия. В рассматриваемом спускном клапане есть и недостатки, но они не являются существенными. Например, торец седла 4 имеет не ножеобразную, а слегка закругленную форму.
Однако выполнение эластичного клапана из латексной резины нивелирует этот недостаток, но увеличивает стоимость арматуры. К тому же несколько увеличенная толщина эластичного клапана может явиться причиной недостаточной герметичности клапана после длительной эксплуатации при низких значениях температуры воды (около 1–2 °C). Средний расход на смыв немного не дотягивает до среднего расхода клапана с коноидальным входом воды в спускное отверстие, но его величина достаточна для обеспечения качественного смыва содержимого унитаза даже со средними характеристиками.
Последнее обусловлено тем, что не всякий унитаз обладает способностью к качественному смыву. Эту проблему автор уже осветил в работе [1]. И все-таки в настоящее время самым лучшим по соотношению «цена/качество характеристик» является спускной клапан фирмы «ИнкоЭр», приведенный на рис. 8. Его корпус 1 имеет плавно сужающийся насадок 2, ножеобразное седло 3 и кольцеобразную отбортовку 4.
На переливную трубу 5 надевается разрезное опорное кольцо 6 и плоский эластичный клапан 7. Вообще-то, в сечении этот клапан выполнен фигурным, но поверхность, которая контактирует с седлом 3 выполнена плоской. К тому же в месте контакта с седлом 3 диск клапана 7 имеет утончение, которое и обеспечивает отличную герметичность клапана при всех значениях. При этом качество рабочей поверхности эластичного клапана получено в результате правильно размещенной и оригинальной форме литника в пресс-форме для литья этого клапана.
Сам же клапан изготавливается из мягкого ПВХ. Следует отметить также, что герметичности клапана при начальном заполнении смывного бачка способствует кольцеобразный выступ треугольного сечения, выполненный на нижней поверхности опорной шайбы 6, который контактирует с верхней поверхностью эластичного клапана 7. Уже выпущено несколько миллионов штук спускных арматур с такими клапанами и ни разу не было замечаний от потребителей на их не герметичность по вине запорного клапана.
