智能水表心脏阀门的结构设计和试验方法

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智能水表心脏-阀门的结构设计和试验方法:

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  智能水表开发至现在已经有很多年的时间。很多年时间在市场上投入使用的智能水表出现一些质量、技术问题。这些问题最终集中在执行器上。开发商对执行器多多少少都做过基本功能的实验，来验证其功能在实际使用中的可靠性。为什么经过验证的执行器在用户正式的使用中会出现意想不到的问题呢？我以为有设计结构、试验方法、试验环境上的综合问题。以下就阀门的综合性问题阐述我个人的观点。

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  一、 结构设计：

(一）、阀门的结构设计：

1. 阀门工作的基本原理

目前市场上阀门的种类包括：电磁先导阀、电机先导阀、电机球阀、平面叠阀。

1）、电磁先导阀的工作原理：电磁阀开启时，对阀封压力腔进行泄压，管道内的水压将阀封推开，智能水表就正常工作；电磁阀关闭时，即关闭了泄压腔的孔，此时在阀封上的腔内的水压迅速上升，直至将阀封压住阀口，关闭了出水口。

2）、电机先导阀是采用减速机构，为了解决运动件的密封问题，运动杆采用了磁驱动原理操纵泄压孔的开启与关闭，从而达到阀封的开与关。它与电磁先导阀原理相像，只是时间和反应速度比电磁先导阀慢。出现的问题与电磁先导阀是一样的。

3）、电机球阀工作原理：由减速机构将电机的转速减慢，将扭矩加大用以推动球阀进行旋转，达到开启与关闭的功能。对于球阀本身的制造工艺要求比较高，球阀的旋转力度要有一个很标准的参数，即旋转球阀必须控制在一组工艺参数的范围内。并且，驱动球运转杆的密封也是一个关键，其中采用的基本是O型橡胶圈进行密封，所以，橡胶圈过于紧将增加扭矩，过于松将会导致密封不严而泄漏。

4）、平面叠阀工作原理：由减速机构将电机的转速减慢，将扭距加大用以推动平面叠阀进行旋转，达到开启与关闭的功能。密封性是由水压上片来保证。平面叠阀对阀片的摩擦平面的平面度和光洁度要求相当的高，而且对于采用的材料要求也有很高的要求。为了解决这些问题，平面叠阀下叠片采用了陶瓷基材，上片采用了其它强度高的耐磨损材料，完全按化工机械密封的原理制造与加工，既保证了合理的接触面，又保证了最小的摩擦系数。

2. 结构分析：

电磁先导阀和电机先导阀在自来水管道实际使用中，已经出现了由于长时间水质问题导致先导孔的堵塞、泄压阀杆吸附铁质微粒造成阀杆被卡死等问题，通过市场的使用与反馈的信息，开发商已经了解到这种结构的执行器不适宜我国水司目前的水质使用。由此，开发商又转向了球阀和平面叠阀。现在使用球阀的更多一点。以下对球阀、平面叠阀的结构进行综合分析：

1）、电机球阀：在球阀的结构上，提高工艺水平，将球阀的扭矩控制在一个不会泄漏又在一定的扭矩参数范围。这一项工艺要求包含两个方面的要求，第一，球阀与密封压紧圈之间的松紧程度，既要保持在一定压力下关闭时不会泄漏；又要在外作用力下旋转所使用的扭矩在一个参数范围。这个参数值应：

F>f1+f2+f3

式中：F——电机驱动减速机构输出的扭矩力；

f1——球旋转的扭矩力；

f2——旋转杆橡胶密封的扭矩力；

f3——管道动态水压对球阀的作用力；

目前市场电机球阀的开关时间从：8秒至14秒有几种，其中对8秒左右结构的电机球阀和14秒左右的电机球阀进行过试验。试验的环境为1.0MPa，供电方式是电池直接供给。试验用的是新电池。试验的结果：

8秒电机球阀在0.6MPa的动态环境关阀很困难，有时甚至关不上；

14秒电机球阀在1.0MPa的动态环境关阀比较正常，没有出现关阀失误现象。

根据两种试验的结果，我们可以看出，扭矩对球阀是很重要的。我们假设：电机是相同的参数，那么如果8秒时间的比速是1，则14秒时间的比速则是1.75。所以，电机球阀的关键是减速机构的比速大小问题，但是前面说的几个工艺问题也是很重要的。

2）、平面叠阀：在机械密封结构的基础上发展起来的一种阀门。阀门的特点是水平式的，流向是上进下出，因此阀门关闭时水的压力对上阀片是起很大作用的，压力越高密封性能越好。工作时阀片是作平面旋转运动，需要克服的是阀片之间的摩擦系数，而水压对它的影响没有球阀那样大。但要克服上叠片在水压强下的摩擦力。叠片之间得摩擦力通过实际试验，几孚没有增加多少的力。试验是在同一只水表上进行并按下列方法：

⑴将电流表串接在开关电路内，操纵开阀、关阀开关进行控制；

⑵IC卡水表安装在105m扬程的水泵管路中，水表接口前接压力表和三通安装阀门用以调节管路供水的压力；

⑶开启水泵将压力调整在1.0MPa左右时，对阀门进行开关的运行试验；

⑷通过调整阀门将压力逐步调整至1.5MPa。

试验是在动态环境中进行，与实际使用工矿完全一致，在水压1.0MPa时所需要的电流是：关阀起步50mA，当将要关闭时，电流突然上升至110mA左右；开阀时电流：开阀起步时电流110mA左右，当阀门一开启电流迅速下降至50mA。

在水压1.5MPa时所需要的电流是：关阀起步55mA，当将要关闭时，电流突然上升至120mA左右；开阀时电流：开阀起步时电流120mA左右，当阀门开启水从表内流出电流迅速下降至55mA。

从试验结果看到，水压对叠片阀的影响是很小的，反应在电流上的变化也就是5mA至10mA。水压从1.0MPa升至1.5MPa增加了50％；电流从50mA升至55mA和从110mA升至120mA左右，增加了10％左右，因此，在叠片阀中水压升高对阀门开启的力影响是比较小的，关系是1：5。当然这必须是在特定的材料与摩擦系数的基础上。

平面叠阀的减速机构开关时间为8秒和14秒。对两种时间的阀门进行了试验，试验环境为1.0MPa，供电方式是电池直供给。试验用的是新电池。试验结果：

8秒平面叠阀在1.0MPa的动态环境开关正常；

14秒平面叠阀在1.5MPa的动态环境开关正常。

3. 小结

从试验的结果和理论计算的结果，我们已经知道，平面叠阀的结构更适应智能水表所用执行器。在山区城市水司供水压力高与普通平原城市的供水压力，而目前城市的高层建筑供水压力也会高于普通楼层的水压，没有经过严密验证的阀门在水压高的环境失去了应有的功能。智能水表是现代高科技产品，代表了自动化仪表发展的水平，作为开发商，智能水表开发能满足用户使用的要求放在第一位，产品应能覆盖所有的使用环境。

(二)、 阀门驱动结构：

在平面叠阀结构中，目前用于阀门驱动的结构是：

1. 直立杆加双道丁晴橡胶O型密封圈防止水的泄漏；

2. 上下采用强磁的磁驱动，以防止水的泄漏。

这两种方法在结构上看，进行密封应该是磁驱动方法比较合理，而且目前的密封效果还是很好。但是，我们国家的水司输送给用户的自来水水质并不是纯净水，在水中还有很多的杂质，在杂质中还含有相当的含铁物质。由于水质的原因，在不到6年的时间里，水中的铁质材料就会将被驱动齿轮的强磁吸引，并将齿轮紧紧的包裹，最后水中带强磁的齿轮旋转的摩察系数加大，甚至会出现旋转迟滞。这种情况已经在电机先导阀上出现多次案例。所以，现在仍使用电机先导阀的产品基本没有了。

直立杆O型圈密封，对带压力的液体进行密封是不可能的，尤其是对IC卡水表使用那更是有难度，第一，采用的电机本身功率小，扭矩也小，O型圈过紧会迅速增加摩察系数，开关阀门电流加大；第二，O型圈过松会造成密封效果，容易产生泄漏。如果要加工成不紧不松的话，工艺要求就提高了，这样导致制造成本上升。即使加工工艺很成熟，O型密封圈长期在水的压力作用下，会产生变形，一般水司的水压，会在两年左右的时间，O型密封圈密封处就会产生泄漏。

A、目前，IC卡水表的产品质量，已经越做越好，困扰质量问题往往是在安装以后，使用了一两年时间，出现阀门关不上或泄漏等问题。如果是磁驱动的阀门，则会在更长的时间出现由于摩察系数的加大而关开阀门失灵。如何解决问题，我认为：在IC卡水表中，不拟采用O型密封圈和磁驱动的结构方式，在有压力的管网中，对水的密封应采用机械密封的结构方式，用以长时间进行密封，这样才能保证在6年的使用中确保不会漏水，同时保证阀门功能得到实现。

B、目前出现在用户使用过程中发现的质量问题，主要是漏水、阀门不能完全关闭、阀门失去功能等。这些质量问题的关键是由于阀门驱动采用的密封结构方式而引发的，如果将阀门驱动的密封结构方式进行改进，则可以彻底解决漏水问题和导致失去阀门执行功能的技术问题。

机械密封是一种动密封，在化工行业中普遍采用。其密封的可靠性很好，在IC卡水表行业引进机械密封是提升IC卡水表技术的一个重要举措，同时也是解决IC卡水表泄漏、在一定时间内丧失执行功能的最佳方法。

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  二、 试验方法：

  智能水表是一只安装在千家万户老百姓家里的计量仪表，具有自动计量、控制欠费等功能，平时无需人去进行看护及保养，完全依靠IC卡在进行数据和信息的传输，实行现代化的管理。作为一只出厂的产品，具有的每一项功能都是要进过可靠试验设备的检验验证是合格的才能出厂。一般的试验及试验设备都有，因为计量器具制造许可证取证时时必须要的，但是，阀门动态试验的设备由于取证时没有具体的要求，所以一般厂家都不会准备的，这样就造成了阀门动态试验设备根本没有厂家会去研发和加工制造，造成了根本没有阀门动态的试验，使得IC卡水表阀门在出厂时没有进行动态的检验就在用户家里安装。造成了目前出现的阀门泄漏、关不了阀门等质量和技术上的问题。如果想要制造好一个产品，所有的检测手段都不能缺少。

阀门动态试验，是一种模拟在正常使用状态的检验。这种状态应该是可以覆盖所有水司环境的。检验阀门动态的执行功能还有很重要的一点就是检验的电压，采用什么样的电压最合适？

智能水表中每一家都有一个相同的功能，即当电池电压低于设定值时，单片机会指令阀门进行关闭的功能动作，此时的电池电压是智能水表中最低的电压，也就是说，最后的关阀动作是在电池电压最低环境。

这样可以设定试验、检验的条件：

1. 供水压力：1.0Mpa；

2. 电压：智能水表设置的极限电压的80％稳压电源；

或者是模拟电池最低电压的工况作为试验、检验的电源。作为计量器具制造许可证考核部门应将智能水表取证的设备增加阀门动态检测的专用设备，这样才能确保出厂的产品质量满足使用的要求。

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