Конструктивные особенности наполнительной арматуры существенно влияют на такие показатели, как удобство монтажа и регулировки, надежность работы арматуры, срок ее службы, уровень шума при наполнении бачка водой, интервалы времени между профилактическими прочистками. Они также влияют на скорость наполнения смывного бачка, на возможность появления утечек воды в канализацию при ночном повышении давления в водопроводной сети, а также на возможность появления звуковых излучений даже тогда, когда арматура не наполняет водой смывной бачок. От конструктивных особенностей наполнительной арматуры зависит и возможность подсоса воды из смывного бачка в водопроводную сеть, а также подсоса в нее воздуха из туалетной комнаты. Как известно, в воздухе туалетной комнаты может содержаться опасная для здоровья микрофлора.

Наполнительная арматура есть в каждом доме, а иногда и не одна. Она есть в любом унитазе. С ней знакомы практически все. Однако по причине сложности современной наполнительной арматуры детально разбираются в ней не все, но многие считают, что «кое-что в ней понимают». Поэтому в последнее время появился ряд мифов об особенностях наполнительной арматуры, которые здесь будут разрушены. Для этого требуется детальное и глубокое изучение конструктивных особенностей современной и предшествующей ей наполнительной арматуры.

Еще недавно наполнительная арматура была простой, но она по разным причинам быстро выходила из строя. Однако благодаря ее простоте некоторые потребители мелкие неисправности устраняли сами. Если же не устранялись такие неисправности, как утечка воды в унитаз, то это никого не волновало. Индивидуальных водосчетчиков в жилом секторе, как правило, не было. Убытки же от непроизводительных потерь воды дотировались государством. Сейчас все изменилось. Повальная установка водосчетчиков в жилом секторе заставляет потребителя бережно относиться к расходованию воды, так как за ее потребляемые объемы он расплачивается из собственного кармана. Теперь потребитель, у которого установлены водосчетчики, не будет остужать арбуз водопроводной водой или полоскать белье проточной водой, бросив в таз с бельем душевую сетку смесителя.

Взаимосвязь геометрии наполнительных арматур и смывных бачков

Изложение конструктивных особенностей наполнительной арматуры возможно только с учетом конструктивных особенностей смывного бачка, в который монтируется эта арматура. Поэтому следует начинать «издалека». Сначала для подачи воды в чашу унитаза применялись высокорасполагаемые бачки с боковой подводкой воды. Такие смывные бачки, подвешенные к стене над унитазом примерно на уровне чуть более одного метра, за счет сифонного эффекта в трубе, соединяющей смывной бачок и чашу унитаза, обеспечивают большие средние расходы на смыв. Это существенно улучшает качество смыва содержимого унитаза. Первые, а также все последующие высокорасполагаемые смывные бачки выполнялись с боковым подводом воды.

Сложности доступа к высоко расположенному бачку для ремонта привело к созданию среднерасполагаемых смывных бачков, закрепляемых на стене над унитазом на высоте примерно 0,8 м. На величине среднего расхода на смыв это отражается не очень заметно. Поэтому и в конструкции смывного бачка практически ничего не меняется.
Со временем бачки вообще стали устанавливать на полочку унитаза. Получился компакт-унитаз — очень удобный для обслуживания. В самом смывном бачке несколько изменилось только дно, так как этот бачок необходимо крепить к полочке унитаза. Правда, при этом несколько ухудшились показатели качества смыва содержимого унитаза. Однако со временем эту проблему удалось решить за счет совершенствования конструкции элементов всего канала, по которому вода поступает из бачка в чашу унитаза, а также с помощью других технических решений, улучшающих качество смыва.

Принципиально-конструктивная схема смывного бачка с боковой подводкой воды приведена на рис. 1.

В старых смывных бачках отверстия для монтажа спускной и наполнительной арматуры не размещались в одной продольной плоскости. Поэтому подвижные элементы наполнительной арматуры не касались элементов спускной арматуры. Это объяснялось тем, что имелась возможность смывные бачки делать достаточно широкими. Однако с появлением компакт-унитазов, для увеличения среднего расхода на смыв, высоту смывных бачков стали увеличивать, чтобы увеличить перепад давлений на спускном отверстии клапана. Простой подъем вертикальных стенок бачка привел бы к увеличению его керамической массы, то есть к увеличению материалоемкости, а также к увеличению полезного объема смывного бачка, который не должен быть больше 6&ndash8 л. Поэтому при увеличении высоты бачков для снижения материалоемкости и полезного объема уменьшают их длину и ширину. Высота старых бачков составляла 250&ndash300 мм, теперь высота бачков доходит до 450 мм.

На рис. 2 приведена конструктивная схема слегка уменьшенного в длину, но сильно уменьшенного в ширину смывного бачка. В результате стандартную наполнительную арматуру приходится подгонять под реальную геометрию бачка. На рис. 2 для этой цели фигурно изогнут металлический рычаг наполнительной арматуры. Однако поперечный люфт поплавка вместе с рычагом не всегда гарантирует возможность «некасания» рычага и корпуса спускной арматуры.
Следует отметить, что металлический рычаг сначала выполнялся из дефицитной латуни, а теперь — в основном из оцинкованной стали. Изготовление таких рычагов — процесс достаточно трудоемкий. Поэтому сейчас иногда изготавливают рычаги аналогичного назначения из пластмассы с соответствующими фигурными изгибами.

Несмотря на такую убедительную базу причин уменьшения длины и ширины смывных бачков, некоторые производители арматуры для смывных бачков искренне поддерживают миф о том, что в этом виноваты только дизайнеры. Ведь производителям арматуры приходится ее совершенствовать с учетом изменения геометрии смывных бачков, а это — большие затраты.

Одно из новых направлений в части размещения наполнительной арматуры сводится к попытке разместить наполнительную арматуру между боковой стенкой бачка и спускной арматурой. Это иногда удается сделать в удлиненных смывных бачках, как показано на рис. 3. Достигается это тем, что в связи с уменьшением длины большого плеча для наполнительной арматуры прямого действия приходится уменьшать и длину малого плеча рычага. Это приводит к ограничению рабочего хода уплотнительной прокладки до величины в пределах 1 мм, а также к увеличению габаритов поплавка и к необходимости решать проблему защиты рабочего зазора клапана от абразивных механических частиц. Они всегда содержатся в водопроводной воде из-за применения стальных труб, причем ржавчина с их внутренних стенок генерирует относительно крупные твердые механические частицы, приводящие к негерметичности запорного элемента арматуры, а также к разрушению рабочих поверхностей уплотнительных прокладок клапанов.

В старой наполнительной арматуре с боковой подводкой при длине большого плеча рычага, равной 280 мм, длина малого плеча составляла 10&ndash11 мм. Поэтому зазор между торцом сопла и уплотнительной прокладкой составлял примерно 3 мм, что соизмеримо с диаметром отверстия сопла. В результате проблем с защитой рабочего зазора клапана от механических загрязнений почти не возникало. В результате появился миф о том, что в арматуру прямого действия фильтры устанавливать не надо. Опыт эксплуатации показывает, что это не так. Фильтр хотя бы грубой очистки (до 0,7 мм) необходим для нормальной и долговременной работы наполнительной арматуры прямого действия.

Наполнительная арматура прямого действия для бачков с боковой подводкой воды имеет определенные уже устоявшиеся размеры. Рабочее давление в водопроводной сети может достигать величины порядка 1,0 МПа. На это давление рассчитывается и вся отечественная наполнительная арматура. Реальные устоявшиеся габариты такой арматуры отражены на рис. 4а, на котором приведена принципиально-конструктивная схема наполнительной арматуры прямого действия боковой подводки. Для уменьшения количества деталей с целью снижения себестоимости здесь применяется один качающийся рычаг 1, на котором закреплен поплавок 2. Вылет поплавка от стенки 3 бачка составляет величину порядка 145-155 мм. Если диаметр спускной арматуры принять равным 100 мм, и она размещена в центре бачка, то такая наполнительная арматура требует, чтобы длина бачка была бы не менее 420 мм. Бачки такой длины промышленность уже почти не выпускает. Их можно встретить теперь только у потребителей, которые приобрели их лет 15-20 назад.

Кроме большой величины вылета поплавка в этой арматуре есть еще один не очень существенный недостаток. По мере опускания поплавка 2 по рычагу 1 уменьшается усилие Рд как следствие разложения подъемной силы поплавка Рп. Это видно из рис. 4а. Может так случиться, что при необходимости обеспечить минимальный уровень воды в смывном бачке и повышенном давлении в водопроводной сети арматура не будет закрываться до конца. Сейчас длина выпускаемых промышленностью бачков с боковой подводкой воды составляет 350-380 мм. Поэтому для них нужна наполнительная арматура с вылетом поплавка в пределах 100-110 мм. В настоящее время уже реализовано одно из технических решений, позволяющее выполнить наполнительную арматуру прямого действия для бачков с боковой подводкой и с вылетом поплавка в пределах 100 мм.

На рис. 4б приведена принципиально-конструктивная схема наполнительной арматуры, в которой связь между поплавком и уплотняющей прокладкой клапана осуществляется с помощью параллелограммного направляющего механизма.

Благодаря параллелограммному направляющему механизму поплавок 6 перемещается в основном вертикально, а его расположение относительно штанги 5 никак не сказывается на усилии от подъемной силы поплавка, передаваемой штанге. Поэтому поплавок 6 в соответствии с рис. 4 можно разместить слева от штанги 5. Это приводит к существенному уменьшению длины вылета поплавка по сравнению с арматурой, конструктивная схема которой приведена на рис. 4а. Существенные проблемы, связанные с размещением арматуры с боковой подводкой в бачке, а также желание убрать из поля зрения штуцер наполнительной арматуры (вместе с подводкой) вынудили создателей наполнительной арматуры разрабатывать конструкции наполнительной арматуры с нижней подводкой воды. Один из вариантов датчика уровня наполнения бачка для данной арматуры приведен в виде принципиально-конструктивной схемы на рис. 5.

Несмотря на простоту, такая конструкция имеет ряд недостатков, один из которых сводится к следующему. Эта конструкция является, по сути дела, датчиком уровня воды в смывном бачке. В момент закрытия клапана арматуры поплавок 3 находится в верхнем, частично утопленном положении. По отношению к стойке он слегка перекошен и в соответствии с рис. 5 стойка 2 контактирует с левой верхней кромкой отверстия поплавка и с правой нижней кромкой этого отверстия. Этот сопровождается появлением сил контактного трения, которые уменьшают подъемную силу поплавка, направленную на преодоление силы давления воды в отверстии сопла на уплотняющую прокладку.

Пока арматура новая и на ее контактирующих поверхностях не отложились соли, присутствующие в воде, подъемная сила поплавка легко справляется с силами, препятствующими закрытию клапана наполнительной арматуры. Однако по прошествии некоторого времени контактирующие поверхности арматуры покрываются довольно жесткими солями, например кальция, что приводит к существенному увеличению сил контактного трения. Особенно эти отложения интенсивно нарастают в месте, где находится уровень заполненного водой бачка. В результате из-за недопустимо большой силы трения после закрытия клапана вода может просачиваться в бачок, приводя к непроизводительным утечкам. Это явление увеличения сил контактного трения особенно заметно проявляется в арматурах с гидравлической задержкой момента закрытия клапана, устройство и работа которых будет изложена ниже.

Существенного снижения сил контактного трения можно добиться, произведя некоторые изменения в направляющем механизме поплавка, как показано, например, на рис. 6. Здесь отверстие в поплавке 3 для стойки 2 смещено ближе к тяге 5, а стойка выполнена не прямой, а ступенчатой. Преимущества этой конструкции видны из сравнения величины горизонтальных сил, приведенных на рис. 5 и 6. Однако с этой точки зрения более эффективным является техническое решение задачи, приведенное на рис. 7.

На рис. 7 приведена принципиально-конструктивная схема наполнительной арматуры прямого действия нижней подводки с параллелограммным направляющим механизмом. По количеству деталей эта конструкция не отличается от конструкций, приведенных на рис. 5 и 6. Однако в ней отсутствуют проблемы с увеличением сил контактного трения из-за отложения солей на подвижных деталях.

Долгие годы в нашей стране массово выпускались наполнительные арматуры боковой подводки с металлическим корпусом и металлическим рычагом. Конструкция корпуса такой арматуры с «начинкой» и смежными деталями приведена на рис. 8. Поплавок на рисунке не показан. Однако когда бачок опорожнен, поплавок под действием собственного веса опускается вниз, рычаг 6 вместе с ним поворачивается вокруг оси 5, отодвигая от седла корпуса шток 2 вместе с прокладкой 3. После этого через сопло вода поступает в сливной патрубок и по противошумной трубке 7 — в смывной бачок.

По мере заполнения бачка поплавок поднимается вместе с уровнем воды и перемещает прокладку 3 в сторону сопла. По мере уменьшения зазора между торцом сопла и уплотнительной прокладкой в нем (в зазоре) происходят сложные процессы.

На рис. 9а сопло, прокладка и зазор между ними приведены в увеличенном виде. На участке входа воды в зазор поток сжимается (сужается), а скорость потока резко увеличивается, и давление в нем падает до значений, при которых вода превращается в пар. Однако при движении дальше по кольцевому зазору скорость воды резко падает и давление в струе, попавшей в это место, снова увеличивается. Пузырьки водяного пара в этом месте схлопываются. Этот процесс сопровождается характерным повышенным шумом и повышением температуры (в точках схлопывания пузырьков), которая может достигать более 1000 °C. Если этот пузырек смыкается на какой-либо поверхности, то эти поверхности разрушаются. Разрушается не только рабочая поверхность резины уплотнительной прокладки, но и рабочая поверхность латунного седла. В темноте участок, в котором схлопываются пузырьки пара, виден, так как этот участок светится. Миллионы схлопывающихся пузырьков быстро разрушают рабочие поверхности клапана (седло + прокладка). Причем интенсивность разрушения с возрастанием давления в водопроводной сети увеличивается.

Шум, производимый миллионами схлопывающихся пузырьков водяного пара, имеет характерный звук. Поэтому иногда такой звук называют кавитационным шумом, а весь процесс появления пузырьков и их схлопывания называется кавитацией.

Как бороться с кавитационным разрушением рабочих поверхностей клапанов? Есть три пути. Первый — подбор материала, слабо подверженного кавитационному разрушению. К таким материалам относятся нержавеющие стали и некоторые виды пластмасс. Второй путь — это создание условий для предотвращения падения давления ниже критического с точки зрения парообразования. В этом случае в сливной гидролинии устанавливаются гидродроссели. За счет ограничения расхода жидкости гидродросселем давление в проточной части увеличивается, и таким образом частично ликвидируются проблемные области, в которых давление может упасть до критического. Повышение давления в сливной гидролинии является также мощным средством снижения уровня шума, создаваемого водой при течении через резко сужающиеся каналы при повышенных давлениях в водопроводной сети. И, наконец, третий путь — это создание условий для схлопывания пузырьков водяного пара в точках, достаточно удаленных от рабочих поверхностей элементов запорного устройства.

На рис. 9б приведено седло, прокладка и зазор между ними в увеличенном масштабе. В отличие от клапана, изображенного на рис. 9а, здесь седло выполнено из пластмассы и имеет ножеобразную форму с притупленной вершиной. Острой эту кольцеобразную вершину выполнять нельзя, ибо она будет сильно врезаться в рабочую поверхность резиновой прокладки и разрушать ее. Кроме того, в пластмассе сложно выполнить острые кромки, так как при остывании в форме она усаживается, и кромки получаются слегка скругленными. Вообще, вопрос со скруглением кромок седла очень сложный. Поэтому однозначную рекомендацию можно дать только для конкретной конструкции запирающего клапана. Ниже некоторые из них будут изложены.

Долгое время корпус и некоторые другие детали делали только из латуни, но когда убедились, что кавитация быстро разрушает латунные седла, и подметили, что пластмассовые седла «держатся» сравнительно долго, то создали комбинированную конструкцию. Она приведена в разрезе на рис. 10 и состоит из латунного штуцера 1, вворачиваемого по резьбе во втулку 2, и пластмассового седла 3, которое размещено между штуцером и втулкой. Резиновая прокладка 4, латунный шток 5, латунная ось 6, латунный рычаг 7 и резиновая противошумная трубка 8 остались такими же, как и в конструкции, приведенной на рис. 8. Таким образом, была соблюдена технологическая и производственная преемственность.

Однако к этому времени пластмассы показали свою эффективность с точки зрения механизации процесса изготовления, малого времени, необходимого для изготовления деталей, и сравнительно низкой их стоимости. Поэтому производители арматуры начали выпускать целиком пластмассовую наполнительную арматуру, но с металлическим рычагом.

Одна из первых конструкций отечественных пластмассовых головок наполнительной арматуры приведена на рис. 11. Она практически воспроизводит металлическую конструкцию, приведенную на рис. 8, с той лишь разницей, что корпус головки выполнен из двух скрепленных резьбовым соединением деталей: штуцера 1 с соплом и насадки 2. Шток 3 выполнен пластмассовым, а уплотнительная прокладка 4 — резиновая. Ось 5, как и рычаг 6, уже выполняются из оцинкованной стали, а не из латунного прутка. Противошумная трубка также изготовлена из резины.

Важным требованием, предъявляемым к наполнительной арматуре, является недопущение подсоса воды из смывного бачка в водопроводную сеть, если в последней давление упадет ниже атмосферного. Это случается в моменты перекрытия стояков подачи воды в квартиры. В последнее время появилось новое требование: в подобных ситуациях не допускается и попадание воздуха из туалетной комнаты в водопроводную сеть.

В конструкции, приведенной на рис. 8, в случае падения давления в водопроводной сети до вакуумных значений подсоса воды в водопроводную сеть не произойдет. Этому способствует внушительный зазор между корпусом 1 и штоком 2, который обеспечит «воздушный разрыв потока воды».

Однако воздух из туалетной комнаты будет неограниченно поступать в осушенную полость водопроводной системы. В пластмассовой головке, приведенной на рис. 11, для этих целей (защита от возможности подсоса воды из бачка в водопроводную сеть) предусмотрена щель между сливным патрубком и противошумной трубкой. Пластмасса легко позволяет это сделать. Кроме того, пластмассовые изделия позволяют выполнять ответственные поверхности с относительно высокой точностью. Поэтому в рассматриваемой конструкции (рис. 11) уже можно установить по плотной посадке трубку 8 (ламинарный гидродроссель), которая позволяет уменьшить давление в сопле за счет дросселирования потока и тем самым несколько снизить интенсивность кавитационных процессов.

Рассматриваемая арматура доставила много хлопот потребителям из-за плохой работы, связанной со следующими неприятностями. Во-первых, стальная проволока в качестве оси абсолютно непригодна. Под активным воздействием водопроводной воды она быстро разрушается и рычаг 6 выпадает из зацепления со штоком 3. Стальной оцинкованный рычаг 6 тоже подвергается коррозии, но в значительно меньшей степени, так как он не находится непосредственно в воде. Кроме того, этот рычаг достаточно толстый (его диаметр 4&ndash5 мм). Поэтому до полного разрушения, как ось, он «не доживает». Разрушается в основном тело короткого плеча рычага. Во-вторых, в погоне за снижением себестоимости, детали наполнительной арматуры часто изготавливались из вторичных пластмасс, а стенки, например, штуцера в области конусной его части, не выдерживали силового воздействия воды под давлением, трескались, а иногда и разрушались. В-третьих, не удовлетворяли потребителей и показатели арматуры по уровню шума. Кроме того, элементы запорно-регулирующего органа не были защищены от загрязняющих воду частиц. Все это привело к рождению легенды о том, что металлическая арматура надежнее и долговечнее пластмассовой.

Эту легенду разрушает приведенная на рис. 12 очень «живучая» наполнительная арматура, выпускаемая ООО «ИнкоЭр», и в каталогах обозначаемая как Бм. Она, конечно, имеет некоторые недостатки, но для бюджетной арматуры они не столь существенны.

Это арматура боковой подводки прямого действия. Она также относится к арматурам с клапанами противодавления.

В чем ее преимущества перед приведенными выше арматурами? Главное — она более долговечна. Для этого существует много причин. Прежде всего, ее корпус 1 выполнен из первичного полипропилена с толщиной стенок, выдерживающих долговременное воздействие давления воды до 1,5 МПа. Кроме того, в штуцере корпуса установлен фильтр 2 грубой очистки. Важно также и то, что уплотняющая прокладка выполнена в виде мембраны 3 и изготовлена не из резины, а из пластиката типа ПВХ. В отличие от резины он не подвержен разрушительному воздействию воды и содержащихся в ней примесей. Тот факт, что ось 10 выполнена из полипропилена в виде стержня диаметром 4 мм, не влечет проблем, связанных с ее поломкой. В предыдущих конструкциях, в которых ось и рычаг выполнены металлическими, это случается часто. Даже ось, выполненная из латунной проволоки, в месте контакта с металлическим рычагом постепенно утончается и разрушается. Причиной этому служит окисление водой цинковой составляющей латуни. В результате окисления цинка медь латуни становится пористой, так как теряет цинковую составляющую, скрепляющую сплав. Поверхность отверстия в рычаге под ось, контактирующей с окисленной поверхностью латунной оси, постепенно соскабливает окислы цинка и пористую медь, которые потоком воды из поверхностей касания вымываются.

Мембрана 5 в центральной рабочей части имеет конусообразный выступ, который существенно снижает уровень кавитационного шума. Реально его величина не превышает 35 дБ(А), в то время как у предыдущих арматур он приближается к 50 дБ(А), а иногда даже превышает это значение.

Конусообразный выступ, снижая уровень шума, уменьшает зазор между поверхностью конуса и кромками отверстия сопла до 0,8 мм. Поэтому применение фильтра с размерами ячеек 0,6 × 0,6 мм здесь очень оправдано.

Следует также отметить еще одну причину необходимости присутствия фильтра 2, который должен быть установлен в любой наполнительной арматуре. Из стояков водопроводной системы в трубы разводки квартир часто (особенно это заметно на нижних этажах зданий) проникают различные частицы. Как уже отмечалось, среди них встречаются и крупные частицы ржавчины с внутренней поверхности труб стояков, которые могут перекрыть даже отверстия сопл запорно-регулирующих устройств наполнительной арматуры. В практике Московского водопровода случалось так, что в отверстие сопла наполнительного клапана попадали куски поролона и напрочь забивали его. Этот поролон вместе с потоком воды приходил из нового городского водовода. Часто при прокладке новых труб большого диаметра, чтобы прочистить их внутренние стенки используют поролоновый цилиндр и, подав в эту трубу воду, прогоняют упомянутый цилиндр-пыж по трубе. На выходе этот пыж, естественно, принимает форму шара. Оставшиеся в трубе поролоновые «ошметки» как легкая фракция захватываются водой и разносятся по потребителям.

В водопроводной воде, приходящей из стояков, встречаются сгустки различных волокон, например, льна. Кроме того, часто встречаются кусочки резины, а иногда простая металлическая стружка. Если на входе в арматуру нет фильтра, то упомянутые твердые частицы могут привести к нарушению целостности рабочих поверхностей запорных органов и тогда замены старой арматуры на новую не избежать. При наличии же фильтра, даже «забитого» грязью, отказа арматуры не произойдет (только уменьшится интенсивность наполнения бачка). Для этого случая предусмотрена возможность открутить накидную гайку гибкой подводки со штуцера арматуры, извлечь из штуцера фильтр, промыть его и, если нужно, прочистить некоторые его ячейки и снова установить на место. Без сомнения этот процесс менее затратный, чем покупка новой и замена наполнительной арматуры. Таким образом, легенда о ненужности установки фильтра в наполнительной арматуре прямого действия является несостоятельно.

*Чупраков Ю.И. Устройство и конструктивные особенности наполнительной арматуры смывных бачков // Журнал С.О.К., №8/2013
Автор Ю.И. Чупраков, Журнал С.О.К. август 2013