新型先导式压力开关阀的研究及应用
夏鹏程
摘要：该文通过对先导式溢流阀的工作原理进行分析，根据先导式溢流阀的工作特点，以先导式溢流阀为原型，将被动式控制改为主动式控制，变形出一种主动控制的新型先导式压力开关阀，将新型先导式压力开关阀的工作步骤进行分解分析，利用液压原理和力学公式进行推导，总结新型先导式压力开关阀的3个特点，从新型先导式压力开关阀的特点入手，针对传统卫浴市场阀门操作不够简单，使用不够轻便的问题，结合电器按钮的方式创造出不同于常规操作方式的新型阀芯。
关键词：卫浴;溢流阀;先导式;手动;开关阀
中图分类号：TG315文献标志码：A
0 引言
阀芯是水暖卫浴产品最关键的零部件，被誉为水龙头的心脏，目前陶瓷阀芯是应用最普遍的一种阀，经过30多年的发展陶瓷阀芯已经占据了卫浴市场的主导地位，但是随着智能时代的到来，更加轻巧、便捷的产品越来越来受到消费者青睐，传统的水龙头由于使用陶瓷阀芯，在操作过程中避免不了贴合陶瓷片之间相互运动而产生的摩擦力，使操作不够轻便，而且存在着操作方式单一的问题，卫浴产品也需要跟进时代的发展，未来开发出操作水龙头就像操作电器一样的产品非常必要。
阀门类型中有一类阀门，称为先导式压力阀[1]，如先导式溢流阀[2]、先导式减压阀，多见于锅炉、压力容器，导式压力阀调压轻便。
1 先导式压力阀的工作原理及特点
图1为先导式溢流阀，当调压弹簧4的弹力大于作用在先导阀门1上的液压力时，先导阀门1关闭，进口的压力P和旁路k的压力P2相等，阀门3在平衡弹簧5弹力的作用下关闭，当调压弹簧4的弹力小于作用在先导阀门1上的液压力时，先导阀门1被打开，旁路流体开始流动，由于阻尼孔m的阻尼作用，进口的压力P大于旁路的压力P2，当P和P2作用在阀门3上的液压力大于平衡弹簧5的弹力时阀门3向上打开，当P和P2作用在阀门上的液压力等于平衡弹簧5的弹力时阀门3不动作，旁路的压力P2决定了阀门的打开与关闭，P2是由压在先导阀门1上的弹簧力决定的，因此只要通过操作螺杆调整调压弹簧4的弹力就能控制阀门2的在多少压力下开启，达到溢流阀的目的。先导式溢流阀的先导阀门截面很小，即使压力很高，小弹力的弹簧也可以平衡先导阀门上的液压力，因此先导式溢流阀的一个特点是控制调压轻便。
先导式溢流阀是利用管路本身的压力变化来控制阀口开启[1-3]，是一种被动控制装置，假如将被动控制改为主动控制会如何？
图2为新型先导式压力开关阀，是先导式溢流阀的变形，将旁路和先导阀门进行了改造，先导阀门的控制方式由被动改为主动，功能由溢流阀改为开关阀，手动操作，出口接油箱改成接管道，弹簧的作用是管道在无压力时阀门自动关闭（复位），为了不影响阀门在低压下开启，弹簧弹力设定很小。
新型先导式压力阀主要由先导阀门1、阀门2、阀体3组成，阀门2上开有孔m和n，孔m将进口和腔体b连通，孔n将腔体b与出口连通。在阀门关闭状态时，当孔n被打开时（向上拉开先导阀门1），以水介质为例，旁路水流开始流动，由于小孔m孔径远小于孔n，小孔m成为阻尼孔，P2与进口的压力形成压差，此时作用在阀门2上液压力向上，只要液压力大于弹簧弹力阀门2会被水压往上推，阀门2打开后，出水管道充水，出口的压力P1逐渐上升，当水流稳定后，压力P2和P1相等，此时作用在閥门2上向上的液压力F为：
F=（P-P1）π（D2/2）2- （D/2）2 ? ? （1）
式中：P为进口的压力;P1为出口的压力;D2为阀门2的直径;D为出口直径。
由式（1）可知，由于D2大于D，只要P1和P形成压差，阀门2就会受到液压向上的力，只要这个液压力大于弹簧弹力阀门2就会被打开。
阀门2打开后，当孔n被再次关闭时（向下推先导阀门1），腔体b的压力P2会上升至与进口的压力P相等，此时作用在阀门2上向下的液压力F为：
F=（P-P1）π （D/2）2? （2）
式中：先导阀门1作用在阀门2上的面积极小，忽略未计，由式（2）可知，只要孔n被关闭，阀门2就会被水压和弹簧弹力往下推，直至阀门2下端封住出口，阀门关闭。
假如向下推先导阀门至阀门全关的全程的中间某一位置先导阀门1突然停下，阀门2继续向下运动，孔n被打开，那么根据式（1）可知阀门2就会反向往上运动，当阀门2碰到先导阀门1时，根据式（2）阀门2又会向下运动，在这个反复的过程中阀门2会自动找到一个平衡点，使垂直方向上作用在阀门2上液压力和弹簧弹力相等，表达式如下：
Fπ（（D2/2）2- （D/2）2）+P1π（D/2）2=P2π（D2/2）2 +f （3）
式中：P2为腔体b的压力;f为弹簧弹力。
弹簧弹力很小，忽略弹簧弹力的作用，假设f=0，式（3）变形如下：
（4）
由式（4）可知，由于D2大于D，那么P2必须大于P1，要使P2大于P1，孔n将被堵头限制流量，孔n既不会被堵上也不会完全打开，阀门2会紧随先导阀门1，也就是说先导阀门1可以控制阀门2的开启多少。
综上所述，先导阀门可以控制主路阀门的开启多少，可以得出新型先导式压力开关阀的特点一：先导阀门可以控制阀门流量。
由式（1）、（2）的推导可以得出新型先导式压力开关阀的特点二：先导阀门可以控制阀门的打开和关闭。
另外由于孔n的直径远小于D，水压作用在先导阀门上的液压力远小于作用在阀门上的液压力，那么先导阀门上下运动的力比直接控制阀门小得多，所以可以得出新型先导式压力开关阀的特点三：操控先导阀门的力很小。
2 创新应用
新型先导式压力开关阀是一种主动式控制的压力阀，它的作用是控制阀门开关。它的3个特点为设计新型水龙头阀芯打开了一个突破口，使设计轻巧便捷操作方式的水龙头阀芯成为可能，完全可以将电器操作的方式和先导式压力阀进行结合，如跷跷板按钮、按压弹跳按钮和旋钮等，通过大量的研究和改进，研究成果如下。
2.1 跷跷板式按钮开关阀
规格尺寸：直径27 mm? ? 功能：开关
操作方式：跷跷板按钮
工作原理：如图3所示，当阀在关闭状态时，按动按钮1，使跷跷板2的另一端翘起，磁铁组件4被跷跷板2抬起，先导阀门3（主体部分为可被磁吸的材料，下端布置有橡胶堵头）由于磁吸作用被磁铁组件4（布置有环型磁铁）吸至上方，根据先导式压力开关阀的工作原理，阀门5被打开，如图3阀打开状态。同理，當再次按动按钮1，阀门5被关闭。
特点：采用电灯开关的方式，操作简单，轻巧;阀门主体采用柔性膜片材料，消除了活塞式阀门的摩擦力以及泄露问题;采用磁力传动避免了贯穿连接带来的密封问题，而且极大地减小了摩擦力，使按钮操作更加轻松。
2.2 弹跳式按钮开关阀
规格尺寸：直径31 mm
功能：按钮开关+流量控制
操作方式：弹跳式按钮+旋钮
按钮开关工作原理：弹跳式按钮采用圆珠笔按钮方式，按动一次控制按钮的一起或者一落。如图4所示，当阀在关闭状态时，按动按钮1，圆珠笔按钮弹起，磁铁组件4被释放并且在弹簧2弹力的作用下被顶起，先导阀门3由于磁吸作用被磁铁组件4吸至上方，根据先导式压力开关阀的工作原理，阀门5被打开，阀打开状态参考图5。当再次按动按钮1，按钮落下，磁铁组件4被圆珠笔按钮机构压至下方，弹簧2被压缩，先导阀门3在磁铁组件4磁吸作用下往下运动，阀门5被关闭。
流量控制工作原理：如图5所示，当阀门在最大开启状态时，逆时针转动旋钮6，旋钮6下端斜台迫使磁铁组件4往下运动，弹簧2被压缩，先导阀门3在磁铁组件4磁吸作用下往下运动，根据先导式压力开关阀的工作特点，阀门5将跟随先导阀门一起运动，从而控制阀门流量减小，当旋钮6旋到底时，阀门到达最小开启状态。当旋钮6反向转动时，旋钮6下端斜台释放磁铁组件4，在弹簧2弹力的作用下磁铁组件4被顶起，先导阀门3由于磁吸作用被磁铁组件4吸引往上运动，流量加大。
特点：采用圆珠笔按钮的开关方式，操作简单，轻巧;阀门主体采用柔性膜片材料，消除了活塞式阀门的摩擦力以及泄露问题;采用磁力传动避免了贯穿连接带来的密封问题，而且极大的减小了摩擦力，使按钮操作更加轻松;采用斜台旋钮运动机构，可调流量。
3 结论
新型水龙头阀芯结合了电器开关的操作方式和新型先导式压力开关阀技术，具有使用轻便，设计新颖的特点，并且在单一开关功能的基础又开发出可调流量的多功能阀芯，使这种手动操作的新型先导式压力开关阀芯能够在水龙头产品上得到更广泛的应用，推进卫浴产品更新换代。
参考文献
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[4]柯葵，朱立明.流体力学与流体机械[M].上海：同济大学出版社， 2009：8-28.
