智能水表心臟閥門的結構設計和試驗方法

　　智能水表心臟閥門的結構設計和試驗方法:

　　智能水表開發(fā)至現在已經有很多年的時間。很多年時間在市場上投入使用的智能水表出現一些質量、技術問題。這些問題最終集中在執(zhí)行器上。開發(fā)商對執(zhí)行器多多少少都做過基本功能的實驗，來驗證其功能在實際使用中的可靠性。為什么經過驗證的執(zhí)行器在用戶正式的使用中會出現意想不到的問題呢?我以為有設計結構、試驗方法、試驗環(huán)境上的綜合問題。以下就閥門的綜合性問題闡述我個人的觀點。

　　一、 結構設計：

　　(一)、閥門的結構設計：

　　1. 閥門工作的基本原理

　　目前市場上閥門的種類包括：電磁先導閥、電機先導閥、電機球閥、平面疊閥。

　　1)、電磁先導閥的工作原理：電磁閥開啟時，對閥封壓力腔進行泄壓，管道內的水壓將閥封推開，智能水表就正常工作;電磁閥關閉時，即關閉了泄壓腔的孔，此時在閥封上的腔內的水壓迅速上升，直至將閥封壓住閥口，關閉了出水口。

　　2)、電機先導閥是采用減速機構，為了解決運動件的密封問題，運動桿采用了磁驅動原理操縱泄壓孔的開啟與關閉，從而達到閥封的開與關。它與電磁先導閥原理相像，只是時間和反應速度比電磁先導閥慢。出現的問題與電磁先導閥是一樣的。

　　3)、電機球閥工作原理：由減速機構將電機的轉速減慢，將扭矩加大用以推動球閥進行旋轉，達到開啟與關閉的功能。對于球閥本身的制造工藝要求比較高，球閥的旋轉力度要有一個很標準的參數，即旋轉球閥必須控制在一組工藝參數的范圍內。并且，驅動球運轉桿的密封也是一個關鍵，其中采用的基本是O型橡膠圈進行密封，所以，橡膠圈過于緊將增加扭矩，過于松將會導致密封不嚴而泄漏。

　　4)、平面疊閥工作原理：由減速機構將電機的轉速減慢，將扭距加大用以推動平面疊閥進行旋轉，達到開啟與關閉的功能。密封性是由水壓上片來保證。平面疊閥對閥片的摩擦平面的平面度和光潔度要求相當的高，而且對于采用的材料要求也有很高的要求。為了解決這些問題，平面疊閥下疊片采用了陶瓷基材，上片采用了其它強度高的耐磨損材料，完全按化工機械密封的原理制造與加工，既保證了合理的接觸面，又保證了最小的摩擦系數。

　　2. 結構分析：

　　電磁先導閥和電機先導閥在自來水管道實際使用中，已經出現了由于長時間水質問題導致先導孔的堵塞、泄壓閥桿吸附鐵質微粒造成閥桿被卡死等問題，通過市場的使用與反饋的信息，開發(fā)商已經了解到這種結構的執(zhí)行器不適宜我國水司目前的水質使用。由此，開發(fā)商又轉向了球閥和平面疊閥。現在使用球閥的更多一點。以下對球閥、平面疊閥的結構進行綜合分析：

　　1)、電機球閥：在球閥的結構上，提高工藝水平，將球閥的扭矩控制在一個不會泄漏又在一定的扭矩參數范圍。這一項工藝要求包含兩個方面的要求，第一，球閥與密封壓緊圈之間的松緊程度，既要保持在一定壓力下關閉時不會泄漏;又要在外作用力下旋轉所使用的扭矩在一個參數范圍。這個參數值應：

　　F>f1+f2+f3

　　式中：F——電機驅動減速機構輸出的扭矩力;

　　f1——球旋轉的扭矩力;

　　f2——旋轉桿橡膠密封的扭矩力;

　　f3——管道動態(tài)水壓對球閥的作用力;

　　目前市場電機球閥的開關時間從：8秒至14秒有幾種，其中對8秒左右結構的電機球閥和14秒左右的電機球閥進行過試驗。試驗的環(huán)境為1.0MPa，供電方式是電池直接供給。試驗用的是新電池。試驗的結果：

　　8秒電機球閥在0.6MPa的動態(tài)環(huán)境關閥很困難，有時甚至關不上;

　　14秒電機球閥在1.0MPa的動態(tài)環(huán)境關閥比較正常，沒有出現關閥失誤現象。

　　根據兩種試驗的結果，我們可以看出，扭矩對球閥是很重要的。我們假設：電機是相同的參數，那么如果8秒時間的比速是1，則14秒時間的比速則是1.75。所以，電機球閥的關鍵是減速機構的比速大小問題，但是前面說的幾個工藝問題也是很重要的。

　　2)、平面疊閥：在機械密封結構的基礎上發(fā)展起來的一種閥門。閥門的特點是水平式的，流向是上進下出，因此閥門關閉時水的壓力對上閥片是起很大作用的，壓力越高密封性能越好。工作時閥片是作平面旋轉運動，需要克服的是閥片之間的摩擦系數，而水壓對它的影響沒有球閥那樣大。但要克服上疊片在水壓強下的摩擦力。疊片之間得摩擦力通過實際試驗，幾孚沒有增加多少的力。試驗是在同一只水表上進行并按下列方法：

　　⑴將電流表串接在開關電路內，操縱開閥、關閥開關進行控制;

　　⑵IC卡水表安裝在105m揚程的水泵管路中，水表接口前接壓力表和三通安裝閥門用以調節(jié)管路供水的壓力;

　　⑶開啟水泵將壓力調整在1.0MPa左右時，對閥門進行開關的運行試驗;

　　⑷通過調整閥門將壓力逐步調整至1.5MPa。

　　試驗是在動態(tài)環(huán)境中進行，與實際使用工礦完全一致，在水壓1.0MPa時所需要的電流是：關閥起步50mA，當將要關閉時，電流突然上升至110mA左右;開閥時電流：開閥起步時電流110mA左右，當閥門一開啟電流迅速下降至50mA。

　　在水壓1.5MPa時所需要的電流是：關閥起步55mA，當將要關閉時，電流突然上升至120mA左右;開閥時電流：開閥起步時電流120mA左右，當閥門開啟水從表內流出電流迅速下降至55mA。

　　從試驗結果看到，水壓對疊片閥的影響是很小的，反應在電流上的變化也就是5mA至10mA。水壓從1.0MPa升至1.5MPa增加了50%;電流從50mA升至55mA和從110mA升至120mA左右，增加了10%左右，因此，在疊片閥中水壓升高對閥門開啟的力影響是比較小的，關系是1：5。當然這必須是在特定的材料與摩擦系數的基礎上。

　　平面疊閥的減速機構開關時間為8秒和14秒。對兩種時間的閥門進行了試驗，試驗環(huán)境為1.0MPa，供電方式是電池直供給。試驗用的是新電池。試驗結果：

　　8秒平面疊閥在1.0MPa的動態(tài)環(huán)境開關正常;

　　14秒平面疊閥在1.5MPa的動態(tài)環(huán)境開關正常。

　　3. 小結

　　從試驗的結果和理論計算的結果，我們已經知道，平面疊閥的結構更適應智能水表所用執(zhí)行器。在山區(qū)城市水司供水壓力高與普通平原城市的供水壓力，而目前城市的高層建筑供水壓力也會高于普通樓層的水壓，沒有經過嚴密驗證的閥門在水壓高的環(huán)境失去了應有的功能。智能水表是現代高科技產品，代表了自動化儀表發(fā)展的水平，作為開發(fā)商，智能水表開發(fā)能滿足用戶使用的要求放在第一位，產品應能覆蓋所有的使用環(huán)境。

　　(二)、 閥門驅動結構：

　　在平面疊閥結構中，目前用于閥門驅動的結構是：

　　1. 直立桿加雙道丁晴橡膠O型密封圈防止水的泄漏;

　　2. 上下采用強磁的磁驅動，以防止水的泄漏。

　　這兩種方法在結構上看，進行密封應該是磁驅動方法比較合理，而且目前的密封效果還是很好。但是，我們國家的水司輸送給用戶的自來水水質并不是純凈水，在水中還有很多的雜質，在雜質中還含有相當的含鐵物質。由于水質的原因，在不到6年的時間里，水中的鐵質材料就會將被驅動齒輪的強磁吸引，并將齒輪緊緊的包裹，最后水中帶強磁的齒輪旋轉的摩察系數加大，甚至會出現旋轉遲滯。這種情況已經在電機先導閥上出現多次案例。所以，現在仍使用電機先導閥的產品基本沒有了。

　　直立桿O型圈密封，對帶壓力的液體進行密封是不可能的，尤其是對IC卡水表使用那更是有難度，第一，采用的電機本身功率小，扭矩也小，O型圈過緊會迅速增加摩察系數，開關閥門電流加大;第二，O型圈過松會造成密封效果，容易產生泄漏。如果要加工成不緊不松的話，工藝要求就提高了，這樣導致制造成本上升。即使加工工藝很成熟，O型密封圈長期在水的壓力作用下，會產生變形，一般水司的水壓，會在兩年左右的時間，O型密封圈密封處就會產生泄漏。

　　A、目前，IC卡水表的產品質量，已經越做越好，困擾質量問題往往是在安裝以后，使用了一兩年時間，出現閥門關不上或泄漏等問題。如果是磁驅動的閥門，則會在更長的時間出現由于摩察系數的加大而關開閥門失靈。如何解決問題，我認為：在IC卡水表中，不擬采用O型密封圈和磁驅動的結構方式，在有壓力的管網中，對水的密封應采用機械密封的結構方式，用以長時間進行密封，這樣才能保證在6年的使用中確保不會漏水，同時保證閥門功能得到實現。

　　B、目前出現在用戶使用過程中發(fā)現的質量問題，主要是漏水、閥門不能完全關閉、閥門失去功能等。這些質量問題的關鍵是由于閥門驅動采用的密封結構方式而引發(fā)的，如果將閥門驅動的密封結構方式進行改進，則可以徹底解決漏水問題和導致失去閥門執(zhí)行功能的技術問題。

　　機械密封是一種動密封，在化工行業(yè)中普遍采用。其密封的可靠性很好，在IC卡水表行業(yè)引進機械密封是提升IC卡水表技術的一個重要舉措，同時也是解決IC卡水表泄漏、在一定時間內喪失執(zhí)行功能的最佳方法。

　　二、 試驗方法：

　　智能水表是一只安裝在千家萬戶老百姓家里的計量儀表，具有自動計量、控制欠費等功能，平時無需人去進行看護及保養(yǎng)，完全依靠IC卡在進行數據和信息的傳輸，實行現代化的管理。作為一只出廠的產品，具有的每一項功能都是要進過可靠試驗設備的檢驗驗證是合格的才能出廠。一般的試驗及試驗設備都有，因為計量器具制造許可證取證時時必須要的，但是，閥門動態(tài)試驗的設備由于取證時沒有具體的要求，所以一般廠家都不會準備的，這樣就造成了閥門動態(tài)試驗設備根本沒有廠家會去研發(fā)和加工制造，造成了根本沒有閥門動態(tài)的試驗，使得IC卡水表閥門在出廠時沒有進行動態(tài)的檢驗就在用戶家里安裝。造成了目前出現的閥門泄漏、關不了閥門等質量和技術上的問題。如果想要制造好一個產品，所有的檢測手段都不能缺少。

　　閥門動態(tài)試驗，是一種模擬在正常使用狀態(tài)的檢驗。這種狀態(tài)應該是可以覆蓋所有水司環(huán)境的。檢驗閥門動態(tài)的執(zhí)行功能還有很重要的一點就是檢驗的電壓，采用什么樣的電壓最合適?

　　智能水表中每一家都有一個相同的功能，即當電池電壓低于設定值時，單片機會指令閥門進行關閉的功能動作，此時的電池電壓是智能水表中最低的電壓，也就是說，最后的關閥動作是在電池電壓最低環(huán)境。

　　這樣可以設定試驗、檢驗的條件：

　　1. 供水壓力：1.0Mpa;

　　2. 電壓：智能水表設置的極限電壓的80%穩(wěn)壓電源;

　　或者是模擬電池最低電壓的工況作為試驗、檢驗的電源。作為計量器具制造許可證考核部門應將智能水表取證的設備增加閥門動態(tài)檢測的專用設備，這樣才能確保出廠的產品質量滿足使用的要求。