单向阀受扰动颤振的原因分析

单向阀受扰动颤振的原因分析

1单向流动阀单向阀是净水机的重要部件之一。在净水机的水系统和滤芯的内部结构中，有许多需要关闭水，并控制水流的单向流动。单向阀的功能是控制流体沿一个方向流动，而禁止反向流动。其主要性能要求是：当液体通过时流阻要小，当液体反向流入时，阀口密封性要好且无泄漏；工作时不应有振动、冲击和噪声。国内学者对单向阀类产品进行了大量研究，余武江等2带密封主体阀的单向阀运动方程单向阀的运动部件是阀芯，工作时会出现较明显的呜呜声和啸叫声等异音，这主要由其阀芯颤振导致。单向阀的阀芯颤振问题属于流致振动，而流致振动通常可分为强迫振动和自激振动两种。强迫振动是由流道中的脉动流激发，自激振动由系统本身的运动激发，一般分为颤振、驰振及涡激振动等上述异音单向阀的阀芯结构如图2所示，主要由阀壳体、阀芯和弹簧组成。液体正向导通时，水压克服弹簧力将阀体的阀芯顶开，液体导通；液体反向流入时，水压推动阀体的阀芯，压紧阀芯与阀壳体间密封圈，实现有效密封。单向阀是由放置在阀腔的弹簧振子组成，其单自由度运动方程如下：式中：z为阀芯振动位移，m为阀芯质量，c为阻尼系数，k为弹簧刚度，z(1）若F式中：c阻尼系数和k弹簧刚度均为正值，方程两个根均为负实根，阀芯振动是稳定的，任何小的扰动很快都会衰减到0。(2）若F单向阀的阀芯运动不稳定，任何一个微小的扰动都会使阀芯在其平衡位置以某一固有频率振动。单向阀在阀芯前后压力提供量自激振动能力作用下，阀芯发生颤振，从而产生较大的呜呜声和啸叫声等异音。另外，单向阀处于不稳定状态时，存在阀芯的临界开度和阀芯两侧临界压差，当阀芯开度小于临界开度时，阀芯出现运动不稳定。因此，单向阀呜呜声等异音的改善，可以从内部流场扰动改善、阀芯导向机构颤振改善和阀芯弹簧振子系统改善等方面进行，具有较高的可行性。3单向低噪声阀设计低噪声单向阀设计主要从内部流场、阀芯导向结构和弹簧振子系统优化设计进行，从而消除可能发生的呜呜声和啸叫声等异音问题。王剑中等3.1新旧单向阀速度场对比突出段的阀芯新结构，能显著改善入口流场结构，减小阀芯内部流场扰动对阀芯的影响，从而减少阀芯发生颤振的概率，能有效改善单向阀不稳定工作导致的噪声问题。结合单向阀实际工作的流量和压力条件，基于fluent软件采用标准k-epsilon湍流模型，进行了单向阀3D稳态流场分析。计算域进口设置为速度进口2m/s，出口为压力出口0pa，湍流强度5%，水力直径0.56mm。新旧单向阀进口结构的速度场分析结果如图4所示，压力场分析结果如图5所示，3D速度流线图如图6所示。由新旧单向阀结构速度场分布可知，单向阀由90度方向入水，受离心力作用，水流出现外围偏流，偏流区域主要集中于阀芯上部；新结构流场的速度相较于旧结构降低20%；阀芯入口端的低速涡面积显著减小，对阀芯的扰动相应减小；阀芯出口端速度场也相对平缓。该单向阀速度场分布规律在图6的3D流场图中也有体现。综上所述，新结构能有效减小内部流场对阀芯的扰动作用，有利于改善阀芯运动的稳定性和单向阀产生的呜呜声。由新旧单向阀结构压力场分布可知，单向阀由90度方向入水，受离心力作用，水流出现外围偏流，偏流区域主要集中于阀芯上部，即高压区处于左上部；新结构单向阀压力相较于旧结构降低68%；且阀芯入口端的低压区面积显著减小，对阀芯的扰动相应减小；阀芯端出口端压力场也相对平缓。综上所述，新结构能有效减小内部流场对阀芯的扰动作用，有利于改善阀芯运动的稳定性和单向阀产生的呜呜声。3.2阀芯角度的影响阀芯受到扰动发生颤振，是导致单向阀产生呜呜声等异音的主要原因。旧单向阀的阀芯结构如图7(a)所示，仅在阀芯小端有导向结构，保证阀芯的平稳运行，阀芯大端无导向段。当阀芯开启时，单端导向的阀芯在水流作用下，极易发生上下颤振，产生呜呜声等异音。为此，如图7(b)所示的新结构进行了导向结构改善，阀芯大端和小端均设置导向结构，两端导向结构间隙相较于以前有所减小，且间隙一致。新结构不仅能保证阀芯顺畅导向，而且能减小或改善阀芯受到扰动时发生的上下颤振，消除呜呜声异音。4新单向阀结构的形成基于单向阀工作特性和噪声产生机理，本文通过对单向阀的阀芯入口结构和阀芯导向结构进行优化，形成了低噪声的新单向阀结构。以下，结合单向阀的工作条件和场景，对新单向阀结构的噪声和性能要求进行了验证。4.1单向阀单向装配通量机的初步验证本文对新单向阀单体的流量、单向性和抗水锤特性进行了验证，验证结果满足要求；同时初步验证了新单向阀单体、新单向阀装配小通量机和新单向阀装配大通量机的噪声。部分验证数据如表1所示，新单向阀结构能满足主要性能要求，且呜呜声异音得到显著改善。4.2噪声测试方法为了进一步量化新单向阀结构的噪声改善效果，新旧单向阀装配同一台大通量整机进行测试验证。根据国标GB/T4214.1-2017《家用和类似用途电器噪声测试方法》，相同进水压力和相同水温条件下，在半消声室进行了噪声测试，噪声测试结果如表2、表3所示，具体频谱结果如图8所示。测试条件：进水水压0.25MPa，水温25℃，半消声室背景噪声20dB。测试设备：LC0210-4动态信号调理器和B&K通用1/2英寸传声器4189。如表2、表3和图8所示，同一整机，相同工作条件下的整机噪声，新单向阀相较于旧单向阀改善3.5dB，重点改善峰值频段为160Hz，改善约7dB，整机音质有明显改善。5单向阀入口的流场优化基于单向阀工作特性和噪声机理分析，本文进行了低噪声单向阀结构设计，并且通过了数值分析和试验验证，结果表明：(1）单向阀噪声机理分析表明，阀芯受到流场扰动发生颤振是产生呜呜声的主要原因。(2）单向阀入口端的流场优化，能