Разновидности наполнительных арматур с сервоуправлением

В настоящее время в мировой практике укоренилось несколько видов наполнительных арматур с сервоуправлением. Все они имеют свои достоинства и недостатки, поэтому и необходимо изучить влияние их конструктивных особенностей на основные характеристики и эксплуатационные показатели.

Как правило, наполнительные арматуры с сервоуправлением состоят из двух узлов. Главный узел, который пропускает воду из водопроводной сети в смывной бачок, обычно выполнен в виде сопла с эластичным клапаном. Последний выполнен в виде диафрагмы, и одновременно играет роли как разделителя сред, так и направляющего устройства, обеспечивающего осевое перемещение жесткого центра диафрагмы и его центрирование.

Второй узел — это вспомогательный узел, обеспечивающий открытие или закрытие основного клапана наполнительной арматуры. За этими вспомогательными узлами давно закрепилось название «гидроусилитель» или «управляющий сервоклапан». Поэтому за наполнительной арматурой, перемещение основного клапана которой осуществляется с помощью вспомогательного узла, закрепилось название «наполнительная арматура с сервоуправлением», в отличие от «наполнительной арматуры прямого действия».

Как уже отмечалось, достоинством наполнительной арматуры с сервоуправлением является возможность создавать наиболее компактные конструкции, способные размещаться в современных зауженных смывных бачках.

Для наглядного доказательства преимущества наполнительной арматуры с сервоуправлением, по сравнению с наполнительной арматурой прямого действия, на рис. 20 приведены три схемы наполнительных арматур.

На рис. 20а приведена схема наполнительной арматуры противодавления прямого действия. Сравнительно большой поплавок 5 и рычаг 4 нужны для преодоления усилия давления на прокладку 3 в сопле 2. Диаметр торца сопла 2 обычно составляет от 2,8 до 3,5 мм. Следует также напомнить, что величина давления в напорной гидролинии может достигать 1,0 МПа (10 кг/см2).

На рис. 20б приведена схема наполнительной арматуры противодавления с сервоуправлением. Работает такая наполнительная арматура следующим образом. При опорожненном смывном бачке поплавок 8 будет находиться в нижнем положении. Поэтому прокладка 6 будет отодвинута от торца сервосопла 5. Вода же из напорной гидролинии Н будет поступать в сопло 2.

В результате силового воздействия на жесткий центр диафрагмы 4, являющийся уплотнительной прокладкой, последняя отодвинется от торца сопла 2, и вода из напорной гидролинии будет практически без сопротивления поступать в сливную гидролинию, а через нее — в смывной бачок. Этому будет способствовать и то, что в междроссельной камере в это время будет минимальная величина давления. Дело в том, что вода из сопла в этот момент протекает не только через рабочий зазор между торцом сопла 2 и рабочей поверхностью жесткого центра диафрагмы 3 в смывной бачок, но и через жиклер 4, размещенный в данной схеме в середине жесткого центра, в междроссельную камеру Мк, а из нее — в сервосопло 5. При открытом сервоклапане и соответствующем подборе гидравлических сопротивлений сервоклапана и жиклера можно легко обеспечить в междроссельной камере минимальную величину давления, и жесткий центр диафрагмы 3 будет отодвинут от сопла 2.

Далее по мере заполнения смывного бачка поплавок 8 будет подниматься, а прокладка 6 будет приближаться к торцу сервосопла 5. При этом давление в междроссельной камере Мк начнет увеличиваться. Как только рабочая поверхность прокладки 6 ляжет на торец сервосопла 5, давление в междроссельной камере Мк станет равным давлению в напорной гидролинии. Учитывая, что площадь торца основного сопла 2 меньше, чем площадь жесткого центра диафрагмы 3, последний прижмется под действием разности сил давлений к торцу сопла 2, и вода из напорной гидролинии перестанет поступать в смывной бачок.

На рис. 20в приведена схема наполнительной арматуры попутного давления также с сервоуправлением. Здесь цифровые и буквенные обозначения приняты те же, что и на рис. 20б. Однако имеются отличия в схемном решении — прежде всего, давление напора поступает не в сопло 2, а в напорную камеру Нк. Из нее вода поступает в зазор между торцом сопла 2 и рабочей поверхностью жесткого центра диафрагмы 3, который отжимается давлением от торца сопла 2. Происходит это тогда, когда поплавок 8 при опорожненном смывном бачке находится в нижнем положении. В этом случае прокладка 6 отодвинута от торца сервосопла 5, и в междроссельной камере Мк устанавливается минимальное давление, благодаря значительно большему гидравлическому сопротивлению жиклера 4 по сравнению с гидросопротивлением зазора между торцом сервосопла 5 и рабочей поверхностью прокладки 6.

По мере заполнения смывного бачка поплавок 8 поднимется до заданного уровня, прокладка 4 ляжет на седло сервосопла 5, и давление в междроссельной камере Мк сравняется с давлением в напорной камере Нк. В создании силы, действующей на подвижный жесткий центр мембраны 3, участвуют поверхности жесткого центра с разной эффективной площадью. Площадь нижней поверхности меньше верхней на величину площади отверстия в сопле 2. Поэтому при закрытом сервоклапане, в состав которого входит прокладка 6, сервосопло 5 и жиклер 4, жесткий центр диафрагмы 3 прижмется к торцу сопла 2 и перекроет поток воды в смывной бачок.

Несмотря на разное направление течения воды через рабочий зазор между торцом основного сопла 2 и поверхностью жесткого центра диафрагмы 3, две последних схемы имеют общий признак. У них одинаковая система управления жестким центром диафрагмы, а именно — система управления клапанного типа. Такая система сложна в отработке параметров ее элементов. Малейшие отклонения от намеченных параметров (что часто встречается в серийных образцах) приводят, например, к появлению автоколебаний основного клапана и «звуковым эффектам» в виде свиста и визга на последнем этапе закрытия арматуры. Поэтому появился еще один вид наполнительной арматуры с сервоуправлением, в которой в качестве узла управления жестким центром диафрагмы используется золотник. Упрощенная принципиально-конструктивная схема такой наполнительной арматуры приведена на рис. 21.

На рис. 21а показана схема наполнительной арматуры с сервоуправлением золотникового типа в состоянии, когда смывной бачок заполнен до заданного поплавком уровня. В этом случае, при заполненном до заданного уровня смывном бачке, поплавок 7 будет находиться в верхнем положении, а золотник 5 — в крайнем нижнем положении. В результате смещения золотника 5 относительно гильзы с отверстием 4 камера К соединится с напорной гидролинией Н. Жесткий центр диафрагмы 3 прижмется к торцу сопла 2 и перекроет поток воды, поступающий в смывной бачок.

После спуска воды из бачка, как изображено на рис. 20б, поплавок опустится вниз, а золотник поднимется вверх. Нижняя кромка золотника перекроет поступление воды в камеру К из напорной гидролинии, а верхняя кромка — соединит полость К с полостью слива С. Теперь усилие сверху на жесткий центр диафрагмы 3 уменьшится до минимальных значений, жесткий центр диафрагмы 3 под действием сил от давления напора в сопле 2 отодвинется от торца сопла, и бачок начнет заполняться водой. Следует отметить, что жесткий центр диафрагмы при подключении системы к напорной гидролинии будет отслеживать перемещение золотника.

Если говорить о размере золотника 5, то замеры показывают, что диаметр золотника равен 1,35 мм, а диаметр шейки — 1 мм. Однако даже при таких малых размерах золотника сила его контактного трения о гильзу заметно влияет на габариты поплавка и длину рычага в сторону их увеличения.

При всей кажущейся простоте наполнительной арматуры с золотниковым управлением жестким центром диафрагмы (рис. 21), она имеет и ряд существенных недостатков, среди которых следует отметить следующие.

Прежде всего, механические частицы загрязнений, всегда присутствующие в водопроводной воде, постепенно внедряются между контактирующими поверхностями золотника 5 и эластичной поверхностью его гильзы, шаржируются в эту поверхность и нарушают ее целостность. Последнее приводит к капельным протечкам жидкости из напорной гидролинии в смывной бачок, то есть клапан перестает быть герметичным. Кроме того, трение золотника о гильзу приводит к увеличению объема поплавка. В наполнительных арматурах с клапанным управлением объем поплавка почти в два раза меньше, чем в арматурах с золотниковым управлением. Следует также отметить, что из-за значительных сил трения золотника о гильзу без применения специальных мер не обеспечивается опускание поплавка под действием собственной тяжести. Поэтому в аналогичных конструкциях такой наполнительной арматуры идут на усложнение устройства поплавка для его частичного заполнения водой с целью увеличения его веса. На рис. 21а приведена упрощенная конструкция поплавка с отверстиями в его донной части. В реальных конструкциях поплавки выполняют более сложными для обеспечения технологичности при массовом производстве.

Жиклеры в наполнительной арматуре с сервоуправлением клапанного типа являются крайне важным элементом, обеспечивающим качественные характеристики арматуры и ее надежности. Производителями наполнительной арматуры жиклеры часто выполняются по-разному, что говорит о неудовлетворенности конструкторов их эксплуатационными показателями. Далее будет проведен сравнительный анализ разновидных конструкций жиклеров для разных схем управления жестким центром мембраны.

Сначала о жиклерах, применяемых в наполнительной арматуре с прямым течением жидкости (от сопла — к прокладке), приведенных на рис. 20б. Здесь жиклер 4 в виде отверстия расположен в центре жесткого центра диафрагмы 3. При диаметре отверстия сервосопла 5, равном 0,5–0,8 мм, диаметр жиклера должен быть не более 0,2–0,4 мм. Такое малое отверстие, выполненное в эластичном материале, не сможет долго работать по следующим причинам.

Во-первых, деформация жесткого центра диафрагмы 3 во время его прижатия к торцу сопла 2 приведет к уменьшению диаметра жиклера 4 практически до нуля. Во-вторых, жиклер диаметром около 0,3 мм быстро «закупорится» из-за попадания в него механических частиц. Дело в том, что фильтры, которые устанавливаются в штуцеры наполнительных арматур, обычно имеют размер ячеек фильтроэлементов не менее 0,5– 0,7 мм. Поэтому придумываются разные конструкции, позволяющие обойти эту существенную проблему.

На рис. 22 приведена одна из наглядных конструктивных схем жиклеров, массово применявшихся в первых конструкциях наполнительной арматуры с сервоуправлением. Стержень 5 в первых конструкциях был выполнен из бериллиевой бронзы диаметром около 0,8– 1,0 мм, и крепился в теле корпуса 1 как закладная деталь во время литья корпуса. Диаметр дросселирующего отверстия жиклера равнялся 1,0–1,2 мм. Достоинством этой конструкции считалось то, что при осевом перемещении жесткого центра 3 относительно стержня 5 механические частицы, скапливающиеся перед зазором между стержнем 5 и дросселирующим отверстием корпуса 4 жиклера, в процессе их относительного осевого перемещения будут соскабливаться.

Однако в это время твердые частицы шаржируются в относительно мягкое тело пластмассы и, разрушая его, приводят к увеличению диаметра дросселирующего отверстия корпуса жиклера 4. Ведь длина зауженной части дросселирующего отверстия корпуса жиклера относительно мала (около 0,5 мм) по технологическим соображениям. Кроме того, эксцентричное (по технологическим причинам) расположение стержня 5 относительно дросселирующего отверстия корпуса 4 жиклера делает это отверстие не только большим, но и придает ему овальную форму. Это еще больше увеличивает площадь проходного сечения жиклера. Поэтому такая наполнительная арматура сравнительно быстро перестает герметично закрываться.

Немаловажным фактором вытеснения этой конструкции (рис. 22) другими явились технологические сложности при массовом производстве. Наличие закладной детали при литье корпуса 1 требует применения ручного труда.

Улучшенной, но недостаточно совершенной конструкцией аналогичного назначения является жиклер, принципиально-конструктивная схема которого приведена на рис. 23. Здесь корпус 1 отливается в пресс-форме вместе со стержнем 2, у которого имеются продольные канавки 3, выполненные по образующим. Стержень 2 вставлен в центральное отверстие жесткого центра диафрагмы 4, которое со стороны сопла 5 имеет микроманжету 6, охватывающую стержень 2 и прижимаемую к поверхности стержня давлением напора Н. Диаметр стержня 2 составляет величину около 1,8 мм. Продольные канавки на стержне 2 имеют глубину около 0,2 мм и ширину 0,3 мм. Эти размеры, конечно, меньше, чем размеры ячеек фильтров (~ 0,6 мм). Поэтому при массовом «вбросе» загрязнений, например, после отключения воды в стояке, возможно «закупоривание» жиклеров, после чего основной клапан перестанет закрываться. В обычном режиме, если нет массового «вброса» загрязнений, такие случаи крайне редко, но бывают. Объясняется это тем, что в отверстии основного сопла 5 скорости течения струй жидкости перед входом в рабочий зазор между торцом сопла 5 и рабочей поверхностью жесткого центра диафрагмы 4 распределяются так, что механические частицы проплывают мимо отверстий жиклера. Для того, чтобы эти частицы гарантированно не попадали в отверстия жиклеров, перед входом воды в отверстие основного сопла 5 устанавливается сепаратор, который перед входом воды в рабочий зазор основного сопла интенсивно закручивает поток. В результате появления центробежных сил загрязняющие воду механические частицы, минуя отверстия жиклера, попадают сначала в рабочий зазор основного сопла, а затем в смывной бачок. Так сделано, например, в наполнительной арматуре боковой подводки, выпускаемой ООО «ИнкоЭр».

Однако даже при наличии сепаратора со временем (через два-четыре года эксплуатации, в зависимости от жесткости воды) наполнительная арматура может стать негерметичной и после заполнения бачка «травить» воду в этот бачок, наполняя его до верхнего среза переливной трубы с последующей транспортировкой утечек в канализационную сеть. Причиной этому служат отложения солей на поверхности стержня в окрестностях микроманжеты 6 жесткого центра 4. Высота нароста солей может достигать величин порядка 0,3 мм, и этот нарост способен перекрыть поступление воды в каналы жиклера. Ремонт наполнительной арматуры в этом случае сводится к удалению нароста солей, что «в быту» без нарушения микрогеометрии поверхностей жиклера является теоретически возможным, но практически трудно выполнимым процессом.

Существуют и другие конструкции жиклеров для арматуры, в которой вода в сливную полость поступает из основного сопла. Одна из них приведена на рис. 24. Канавок 6 обычно выполняют от одной до трех, однако главной задачи (защиты жиклера от загрязняющих воду частиц) они кардинально не решают. Правда, они несколько упрощают ремонт, для которого клапан можно разобрать, промыть и снова собрать, и в результате засорения и промывки в домашних условиях ничего не разрушается. Однако даже такие относительно простые операции может выполнять не каждый потребитель. Подобная конструктивная схема жиклера использована в наполнительной арматуре, выпускаемой ЗАО «Уклад».

На рис. 25 приведена другая (созданная фирмой Iddis) конструктивная схема жиклера, в которой неудачно собраны уже изложенные выше приемы борьбы за выживаемость жиклеров. В этой конструкции втулка 3 вместе с жестким центром перемещается относительно стержня 3. Только непонятно — зачем? Ведь в очень малый зазор между стержнем 3 и втулкой 5 все равно попадают мельчайшие твердые и вязкие частицы загрязнений. Они закатываются в этот зазор, шаржируются в скользящие пласт массовые поверхности стержня и втулки, создают затор для более мелких частиц загрязнений, которые забивают этот зазор и уплотняются. В результате возникновения значительных сил сцепления контактирующих поверхностей втулка 5 перестанет перемещаться относительно стержня 3, клапан станет неуправляемым, и в какой-то момент времени он окажется в открытом или закрытом состоянии, в зависимости от предыстории его перемещения.

Поскольку контактирующие поверхности стержня 3 и втулки 5 уже повреждены твердыми механическими частицами, то такое изделие простому ремонту не подлежит. Аналогичные проблемы существуют и у наполнительных арматур, в которых поток воды направлен от жесткого центра к отверстию основного сопла, как это имеет место в арматуре, изображенной на рис. 20в. На рис. 26 приведена принципиальноконструктивная схема узла клапана с сервоуправлением с обратным течением воды в основном сопле. Стержень 4 жиклера выполнен из жесткой пластмассовой лески. После его установки в отверстие жиклера в опорном диске 3 производится обязательное оплавление концов стержня. Это делается просто для того, чтобы стержень жиклера не выпадал из отверстия во время транспортировки и монтажных работ.

Недостатки жиклера у подобной конструкции клапана примерно те же, что и у жиклера в клапане, приведенном на рис. 22. Поэтому он в последнее время практически не применяется. Его вытеснил жиклер, используемый в разных модификациях, приведенных на принципиально-конструктивной схеме клапана на рис. 27 вместе с необходимыми сечениями. Эта конструктивная схема клапана является обобщенной, так как в подобных модификациях существенно меняется только геометрия каналов жиклеров.

На рис. 27а приведена конструктивная схема клапанно-распределительной системы наполнительной арматуры, выпускаемой фирмой Siamp. У нее, как и у других подобных систем, есть пластмассовый корпус 1 с основным соплом 2, диафрагма 3, выполненная из эластичного материала (из резины, например), тарельчатый диск 4 с фиксирующим диафрагму выступом, а также крышка 5 с каналом 6 для подвода воды из междроссельной камеры Мк к сервосоплу.

Здесь жиклер образован продольными каналами на конусной поверхности тарельчатого диска 4 и поверхностью относительно тонких стенок диафрагмы 3. Его форму в сечении можно увидеть на рис. 27б из изображения сечения А–А. Маленьким стрелками показано, как давление напора деформирует тонкую стенку диафрагмы 3. При давлениях напора 0,6–0,9 МПа, которое часто встречается на нижних этажах высоких и расположенных рядом невысоких зданий (снабжаемых водой от одних и тех же насосов), при открытом сервосопле проходные сечения жиклеров очень сужаются. И если на конусной поверхности тарельчатого диска 4 появятся солевые отложения с микрочастицами механических загрязнений, то вода из напорной полости Н не будет поступать в междроссельную камеру Мк. В результате давлением напора жесткий центр диафрагмы будет отжат от торца основного сопла 2, и вода под напором будет поступать в смывной бачок независимо от того, закрыт сервоклапан или нет.

Если еще учесть свойства резины с точки зрения остаточной деформации и появление загрязнений с солевыми отложениями в чреве жиклера, то можно понять, почему арматура фирмы Siamp через несколько месяцев эксплуатации на нижних этажах высоких зданий перестает закрываться. Этому еще способствует переход от основания входного штуцера тарельчатого диска к каналам жиклеров — он очень «зажат».

С этой точки зрения более удачно выполнен жиклер наполнительной арматуры с сервоуправлением, приведенный на рис. 27в. Эту арматуру поставляет зарубежная фирма Wzor Zastrz. Здесь все с точки зрения схемного решения сделано так же, как и у фирмы Siamp, только более квалифицированно. Две «лыски» на конусной части тарельчатого диска выполнены более глубокими, и высокое давление не приводит к полному сужению сечений жиклеров.

На рис. 27в приведена принципиально-конструктивная схема жиклера, применяемого в наполнительной арматуре зарубежной фирмы AlcaPlast. Цифровые и буквенные обозначения аналогичны обозначениям, приведенным на рис. 27а. В этой конструкции канал жиклера выполнен в виде только одной «лыски», но еще более глубокой, чем две «лыски» у фирмы Wzor Zastrz (рис. 27в). По причине сужения канала жиклера под действием высокого давления отказов арматуры AlcaPlast не наблюдалось. Однако у всех клапанов, приведенных на рис. 27, случались отказы при залповом «вбросе» загрязнений.

Немного измененная конструкция жиклера, но подобная по принципу действия, применяется в наполнительной арматуре с сервоуправлением фирмы Wirquin. Ее принципиально-конструктивная схема приведена на рис. 27г. Здесь канал жиклера выполнен в виде канавки глубиной 0,4 мм и шириной 1 мм. Более утолщенная по сравнению с приведенными на рис. 27а–в резиновая часть стенки канавки жиклера поддается деформации в значительно меньшей степени, чем утонченные резиновые стенки. Поэтому проблем с нарушением работы клапана при повышении давления в напорной полости здесь куда меньше.

Итак, из вышеизложеннного можно сделать вывод, что наполнительная арматура с сервоуправлением более чувствительна к загрязнению и высоким давлениям в сети, чем наполнительная арматура прямого действия.

Читайте так же: Чупраков Ю.И. Устройство и конструктивные особенности наполнительной арматуры смывных бачков / / Журнал С.О.К., № 8/2013.