TORQUE SENSOR–BASED DURABILITY TESTING OF FAUCET HEADWORKS

Abstract

Faucet headworks are essential components for regulating water flow in sanitary fixture systems. Repetitive mechanical actuation during long-term use can lead to friction-induced performance degradation; therefore, experimentally evaluating the torque–friction behavior of headworks is crucial for ensuring sealing reliability and extending service life. In this study, a dynamic torque measurement system was developed in accordance with the TS EN 200 standard by integrating a geared DC motor, an optical encoder, and an HX711 load cell module. The system records in real time the torsional moment generated during the opening and closing motions of the headwork, while the encoder precisely defines the motion limits. Torque data obtained from multiple cyclical tests clearly reveal the relationship between material contact surfaces and frictional characteristics. Comparative analyses show that compression headworks exhibit higher torque fluctuations due to friction than ceramic headworks. Additionally, parameters such as material hardness, surface roughness, and contact pressure were found to significantly influence torque behavior. The proposed measurement approach provides reliable quantitative data that can improve headwork design, quality control processes, and lifetime testing protocols, thereby enhancing the overall durability and performance of faucet systems.

Keywords

• Faucet Headwork
• Dynamic Torque Measurement
• Load Cell Module

Supporting Institution

Manisa Celal Bayar University

Ethical Statement

Scientific research and publication ethics were followed in this study. There is no conflict of interest in the study.

Thanks

We would like to thank E.C.A. Valfsel Armatür Sanayi A.Ş. for providing the test environment and the necessary equipment.

MUSLUK SALMASTRALARI DAYANIKLILIK TESTLERİNİN TORK SENSÖRÜ KULLANILARAK GERÇEKLEŞTİRİLMESİ

Abstract

Musluk salmastraları, armatür sistemlerinde akış kontrolünün sağlanmasında işlevsel öneme sahip olup, uzun süreli kullanımda tekrarlı mekanik hareketlere maruz kaldıklarından sürtünmeye bağlı performans kayıpları ortaya çıkabilmektedir. Bu nedenle, salmastraların tork–sürtünme davranışlarının deneysel olarak değerlendirilmesi hem sızdırmazlık güvenilirliği hem de kullanım ömrü açısından kritik bir gereklilik oluşturmaktadır. Bu çalışmada, TS EN 200 standardı temel alınarak redüktörlü DC motor, optik enkoder ve HX711 yük hücresi modülü kullanılarak dinamik tork ölçüm sistemine dayalı bir test düzeneği geliştirilmiştir. Sistem, salmastranın açılma ve kapanma hareketi sırasında oluşan burulma momentini gerçek zamanlı olarak kaydetmekte ve optik enkoder aracılığıyla hareket sınırları tam olarak tanımlanmaktadır. Çoklu çevrimler boyunca elde edilen tork verileri, malzeme temas yüzeyleri ile sürtünme karakteristiği arasındaki ilişkiyi açık biçimde ortaya koymuştur. Karşılaştırmalı değerlendirmelerde, klapeli salmastraların seramik salmastralara kıyasla daha yüksek sürtünmeye bağlı tork dalgalanmaları sergilediği belirlenmiştir. Ayrıca sonuçların, malzeme sertliği, yüzey pürüzlülüğü ve temas basıncı gibi yüzey etkileşim karakteristiklerinin tork davranışı üzerinde belirleyici olduğu görülmüştür. Geliştirilen ölçüm yaklaşımı, salmastra tasarımı, kalite kontrol süreçleri ve ömür test protokollerinin iyileştirilmesine yönelik güvenilir sayısal veri sunmaktadır.

Keywords

• Musluk Salmastraları
• Dinamik Tork Ölçümü
• Yük Hücresi Modülü

Supporting Institution

Manisa Celal Bayar Üniversitesi

Ethical Statement

Bu çalışmada bilimsel araştırma ve yayın etiğine uyulmuştur. Çalışmada herhangi bir çıkar çatışması bulunmamaktadır.

Thanks

Test ortamı ve gerekli ekipmanlar için E.C.A. Valfsel Armatür Sanayi A.Ş firmasına teşekkür ederiz.

References

1. Chen, W., Lan, C., Li, K., Yuan, F., 2023. Compensation and Control of Sinusoidal Torque Measurement Error. In 2023 42nd Chinese Control Conference (CCC) (pp. 3086–3090). IEEE. Doi: 10.23919/ccc58697.2023.10240311
2. Das, S., Chakraborty, B., 2018. Design of an absolute shaft encoder using optically modulated binary code. IEEE Sensors Journal, 18(12), 4902–4910. Doi: 10.1109/JSEN.2018.2834378
3. Flieh, H. M., Totoki, E., Lorenz, R. D., 2018. Dynamic shaft torque observer structure enabling accurate dynamometer transient loss measurements. IEEE Transactions on Industry Applications, 54(6), 6121–6132.
4. Ge, N., Xie, L., 2019. High Precision Weight Measurement of Liquid Viscosity. In 2019 International Conference on Electronic Engineering and Informatics (EEI) (pp. 269–276). Doi: 10.1109/EEI48997.2019.00066
5. Girão, C. D., Veiga, J. C., Cristello, J. B., 2020. The Effect of Thermal Cycling and Packing Stress on Stem Friction and Sealability. Proceedings of the Pressure Vessels and Piping Conference, Vol. 2: Computer Technology and Bolted Joints. ASME. Doi: 10.1115/PVP2020-21459
6. Hacıfazlıoğlu, H., 2015. Madenciler için akışkanlar mekaniği. İstanbul Üniversitesi, Mühendislik Fakültesi.
7. Hakulinen, H., 2021. Valve stem packing emission performance development.
8. Işık, H., 2021. Tork Sensöründe Kullanılan Teknolojiler. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, (28), 622–626. Doi: 10.31590/ejosat.1009173

9. Lee, K., Cho, C., 2015. A Feasibility Study of a Noncontact Torque Sensor with Multiple Hall Sensors. Journal of Sensors, 2015, 1–6. Doi: 10.1155/2015/126935
10. Muftah, M. H., Haris, S. M., Petroczki, K., Khidir, E. A., 2013. An improved strain gauge–based dynamic torque measurement method. International Journal of Circuits, Systems and Signal Processing, 7(1), 66–73.
11. Rasheedha, A., Srinathi, K., Sivalavanya, T., Monesha, R. R., Nithin, S., 2020. Arduino Based Automated Dosage Prescriptor Using Load Cell. 2020 4th International Conference on Electronics, Communication and Aerospace Technology (ICECA), pp. 85–89. Doi: 10.1109/ICECA49313.2020.9297476
12. Sotoodeh, K., 2020. A Review of Valve Stem Sealing to Prevent Leakage from the Valve and Its Effect on Valve Operation. Journal of Failure Analysis and Prevention, 21, 9–16. Doi: 10.1007/s11668-020-01050-1
13. Svintsov, A., Alekseev, E., Shambina, S. & Fediuk, R., Fominov, V., 2021. Reliability of water fittings in operating conditions. E3S Web of Conferences, 263, 04010. Doi: 10.1051/e3sconf/202126304010
14. T.C. Tarım ve Orman Bakanlığı. 2023. Değişen İklime Uyum Çerçevesinde Su Verimliliği Strateji Belgesi ve Eylem Planı.
15. Teles, D. B., Gouveia, S. M., Clarke, T. G., 2020. Identification of Leakage in Ball Valves by Analysis of Pressure and Torque Signatures in Cyclical Tests Under Critical Operating Conditions. Engineering Failure Analysis, 117, 104828. Doi: 10.1016/j.engfailanal.2020.104828
16. Türk Standartları Enstitüsü, 2024. TS EN 200 Sıhhi tesisat armatürleri - Tip 1 ve tip 2 su besleme sistemleri için musluk ve bataryalar - Genel teknik özellikler.
17. Yaşar, E., 2020. Bir Tartım Otomasyonunda, Platform Tipi Yük Hücrelerinin, S-Tipi Olarak Kullanılması. Avrupa Bilim ve Teknoloji Dergisi, 221–227. Doi: 10.31590/ejosat.821620
18. Yu, Y., Cui, Y., Zhang, H., Wang, D., Zhong, J., 2022. Evaluation Analysis on Leakage Performance for Beam Seal with Two Sealing Areas. IEEE Access, 10, 29916–29924. Doi: 10.1109/ACCESS.2022.3153981