新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的研究及應(yīng)用

夏鵬程

摘要：該文通過對先導(dǎo)式溢流閥的工作原理進(jìn)行分析，根據(jù)先導(dǎo)式溢流閥的工作特點，以先導(dǎo)式溢流閥為原型，將被動式控制改為主動式控制，變形出一種主動控制的新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥，將新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的工作步驟進(jìn)行分解分析，利用液壓原理和力學(xué)公式進(jìn)行推導(dǎo)，總結(jié)新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的3個特點，從新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的特點入手，針對傳統(tǒng)衛(wèi)浴市場閥門操作不夠簡單，使用不夠輕便的問題，結(jié)合電器按鈕的方式創(chuàng)造出不同于常規(guī)操作方式的新型閥芯。

關(guān)鍵詞：衛(wèi)浴;溢流閥;先導(dǎo)式;手動;開關(guān)閥

中圖分類號：TG315文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A

0 引言

閥芯是水暖衛(wèi)浴產(chǎn)品最關(guān)鍵的零部件，被譽(yù)為水龍頭的心臟，目前陶瓷閥芯是應(yīng)用最普遍的一種閥，經(jīng)過30多年的發(fā)展陶瓷閥芯已經(jīng)占據(jù)了衛(wèi)浴市場的主導(dǎo)地位，但是隨著智能時代的到來，更加輕巧、便捷的產(chǎn)品越來越來受到消費者青睞，傳統(tǒng)的水龍頭由于使用陶瓷閥芯，在操作過程中避免不了貼合陶瓷片之間相互運(yùn)動而產(chǎn)生的摩擦力，使操作不夠輕便，而且存在著操作方式單一的問題，衛(wèi)浴產(chǎn)品也需要跟進(jìn)時代的發(fā)展，未來開發(fā)出操作水龍頭就像操作電器一樣的產(chǎn)品非常必要。

閥門類型中有一類閥門，稱為先導(dǎo)式壓力閥[1]，如先導(dǎo)式溢流閥[2]、先導(dǎo)式減壓閥，多見于鍋爐、壓力容器，導(dǎo)式壓力閥調(diào)壓輕便。

1 先導(dǎo)式壓力閥的工作原理及特點

圖1為先導(dǎo)式溢流閥，當(dāng)調(diào)壓彈簧4的彈力大于作用在先導(dǎo)閥門1上的液壓力時，先導(dǎo)閥門1關(guān)閉，進(jìn)口的壓力P和旁路k的壓力P2相等，閥門3在平衡彈簧5彈力的作用下關(guān)閉，當(dāng)調(diào)壓彈簧4的彈力小于作用在先導(dǎo)閥門1上的液壓力時，先導(dǎo)閥門1被打開，旁路流體開始流動，由于阻尼孔m的阻尼作用，進(jìn)口的壓力P大于旁路的壓力P2，當(dāng)P和P2作用在閥門3上的液壓力大于平衡彈簧5的彈力時閥門3向上打開，當(dāng)P和P2作用在閥門上的液壓力等于平衡彈簧5的彈力時閥門3不動作，旁路的壓力P2決定了閥門的打開與關(guān)閉，P2是由壓在先導(dǎo)閥門1上的彈簧力決定的，因此只要通過操作螺桿調(diào)整調(diào)壓彈簧4的彈力就能控制閥門2的在多少壓力下開啟，達(dá)到溢流閥的目的。先導(dǎo)式溢流閥的先導(dǎo)閥門截面很小，即使壓力很高，小彈力的彈簧也可以平衡先導(dǎo)閥門上的液壓力，因此先導(dǎo)式溢流閥的一個特點是控制調(diào)壓輕便。

先導(dǎo)式溢流閥是利用管路本身的壓力變化來控制閥口開啟[1-3]，是一種被動控制裝置，假如將被動控制改為主動控制會如何？

圖2為新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥，是先導(dǎo)式溢流閥的變形，將旁路和先導(dǎo)閥門進(jìn)行了改造，先導(dǎo)閥門的控制方式由被動改為主動，功能由溢流閥改為開關(guān)閥，手動操作，出口接油箱改成接管道，彈簧的作用是管道在無壓力時閥門自動關(guān)閉（復(fù)位），為了不影響閥門在低壓下開啟，彈簧彈力設(shè)定很小。

新型先導(dǎo)式壓力閥主要由先導(dǎo)閥門1、閥門2、閥體3組成，閥門2上開有孔m和n，孔m將進(jìn)口和腔體b連通，孔n將腔體b與出口連通。在閥門關(guān)閉狀態(tài)時，當(dāng)孔n被打開時（向上拉開先導(dǎo)閥門1），以水介質(zhì)為例，旁路水流開始流動，由于小孔m孔徑遠(yuǎn)小于孔n，小孔m成為阻尼孔，P2與進(jìn)口的壓力形成壓差，此時作用在閥門2上液壓力向上，只要液壓力大于彈簧彈力閥門2會被水壓往上推，閥門2打開后，出水管道充水，出口的壓力P1逐漸上升，當(dāng)水流穩(wěn)定后，壓力P2和P1相等，此時作用在閥門2上向上的液壓力F為：

F=（P-P1）π（D2/2）2- （D/2）2 ? ? （1）

式中：P為進(jìn)口的壓力;P1為出口的壓力;D2為閥門2的直徑;D為出口直徑。

由式（1）可知，由于D2大于D，只要P1和P形成壓差，閥門2就會受到液壓向上的力，只要這個液壓力大于彈簧彈力閥門2就會被打開。

閥門2打開后，當(dāng)孔n被再次關(guān)閉時（向下推先導(dǎo)閥門1），腔體b的壓力P2會上升至與進(jìn)口的壓力P相等，此時作用在閥門2上向下的液壓力F為：

F=（P-P1）π （D/2）2? （2）

式中：先導(dǎo)閥門1作用在閥門2上的面積極小，忽略未計，由式（2）可知，只要孔n被關(guān)閉，閥門2就會被水壓和彈簧彈力往下推，直至閥門2下端封住出口，閥門關(guān)閉。

假如向下推先導(dǎo)閥門至閥門全關(guān)的全程的中間某一位置先導(dǎo)閥門1突然停下，閥門2繼續(xù)向下運(yùn)動，孔n被打開，那么根據(jù)式（1）可知閥門2就會反向往上運(yùn)動，當(dāng)閥門2碰到先導(dǎo)閥門1時，根據(jù)式（2）閥門2又會向下運(yùn)動，在這個反復(fù)的過程中閥門2會自動找到一個平衡點，使垂直方向上作用在閥門2上液壓力和彈簧彈力相等，表達(dá)式如下：

Fπ（（D2/2）2- （D/2）2）+P1π（D/2）2=P2π（D2/2）2 +f （3）

式中：P2為腔體b的壓力;f為彈簧彈力。

彈簧彈力很小，忽略彈簧彈力的作用，假設(shè)f=0，式（3）變形如下：

（4）

由式（4）可知，由于D2大于D，那么P2必須大于P1，要使P2大于P1，孔n將被堵頭限制流量，孔n既不會被堵上也不會完全打開，閥門2會緊隨先導(dǎo)閥門1，也就是說先導(dǎo)閥門1可以控制閥門2的開啟多少。

綜上所述，先導(dǎo)閥門可以控制主路閥門的開啟多少，可以得出新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的特點一：先導(dǎo)閥門可以控制閥門流量。

由式（1）、（2）的推導(dǎo)可以得出新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的特點二：先導(dǎo)閥門可以控制閥門的打開和關(guān)閉。

另外由于孔n的直徑遠(yuǎn)小于D，水壓作用在先導(dǎo)閥門上的液壓力遠(yuǎn)小于作用在閥門上的液壓力，那么先導(dǎo)閥門上下運(yùn)動的力比直接控制閥門小得多，所以可以得出新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的特點三：操控先導(dǎo)閥門的力很小。

2 創(chuàng)新應(yīng)用

新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥是一種主動式控制的壓力閥，它的作用是控制閥門開關(guān)。它的3個特點為設(shè)計新型水龍頭閥芯打開了一個突破口，使設(shè)計輕巧便捷操作方式的水龍頭閥芯成為可能，完全可以將電器操作的方式和先導(dǎo)式壓力閥進(jìn)行結(jié)合，如蹺蹺板按鈕、按壓彈跳按鈕和旋鈕等，通過大量的研究和改進(jìn)，研究成果如下。

2.1 蹺蹺板式按鈕開關(guān)閥

規(guī)格尺寸：直徑27 mm? ? 功能：開關(guān)

操作方式：蹺蹺板按鈕

工作原理：如圖3所示，當(dāng)閥在關(guān)閉狀態(tài)時，按動按鈕1，使蹺蹺板2的另一端翹起，磁鐵組件4被蹺蹺板2抬起，先導(dǎo)閥門3（主體部分為可被磁吸的材料，下端布置有橡膠堵頭）由于磁吸作用被磁鐵組件4（布置有環(huán)型磁鐵）吸至上方，根據(jù)先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的工作原理，閥門5被打開，如圖3閥打開狀態(tài)。同理，當(dāng)再次按動按鈕1，閥門5被關(guān)閉。

特點：采用電燈開關(guān)的方式，操作簡單，輕巧;閥門主體采用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;采用磁力傳動避免了貫穿連接帶來的密封問題，而且極大地減小了摩擦力，使按鈕操作更加輕松。

2.2 彈跳式按鈕開關(guān)閥

規(guī)格尺寸：直徑31 mm

功能：按鈕開關(guān)+流量控制

操作方式：彈跳式按鈕+旋鈕

按鈕開關(guān)工作原理：彈跳式按鈕采用圓珠筆按鈕方式，按動一次控制按鈕的一起或者一落。如圖4所示，當(dāng)閥在關(guān)閉狀態(tài)時，按動按鈕1，圓珠筆按鈕彈起，磁鐵組件4被釋放并且在彈簧2彈力的作用下被頂起，先導(dǎo)閥門3由于磁吸作用被磁鐵組件4吸至上方，根據(jù)先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的工作原理，閥門5被打開，閥打開狀態(tài)參考圖5。當(dāng)再次按動按鈕1，按鈕落下，磁鐵組件4被圓珠筆按鈕機(jī)構(gòu)壓至下方，彈簧2被壓縮，先導(dǎo)閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運(yùn)動，閥門5被關(guān)閉。

流量控制工作原理：如圖5所示，當(dāng)閥門在最大開啟狀態(tài)時，逆時針轉(zhuǎn)動旋鈕6，旋鈕6下端斜臺迫使磁鐵組件4往下運(yùn)動，彈簧2被壓縮，先導(dǎo)閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運(yùn)動，根據(jù)先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥的工作特點，閥門5將跟隨先導(dǎo)閥門一起運(yùn)動，從而控制閥門流量減小，當(dāng)旋鈕6旋到底時，閥門到達(dá)最小開啟狀態(tài)。當(dāng)旋鈕6反向轉(zhuǎn)動時，旋鈕6下端斜臺釋放磁鐵組件4，在彈簧2彈力的作用下磁鐵組件4被頂起，先導(dǎo)閥門3由于磁吸作用被磁鐵組件4吸引往上運(yùn)動，流量加大。

特點：采用圓珠筆按鈕的開關(guān)方式，操作簡單，輕巧;閥門主體采用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;采用磁力傳動避免了貫穿連接帶來的密封問題，而且極大的減小了摩擦力，使按鈕操作更加輕松;采用斜臺旋鈕運(yùn)動機(jī)構(gòu)，可調(diào)流量。

3 結(jié)論

新型水龍頭閥芯結(jié)合了電器開關(guān)的操作方式和新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥技術(shù)，具有使用輕便，設(shè)計新穎的特點，并且在單一開關(guān)功能的基礎(chǔ)又開發(fā)出可調(diào)流量的多功能閥芯，使這種手動操作的新型先導(dǎo)式壓力開關(guān)閥芯能夠在水龍頭產(chǎn)品上得到更廣泛的應(yīng)用，推進(jìn)衛(wèi)浴產(chǎn)品更新?lián)Q代。

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