CN104864137A - 先导式水压溢流阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种先导式水压溢流阀，包括主阀和先导阀，主阀包括主阀体、主阀套、主阀芯，先导阀包括先导阀阀体、先导阀阀座、先导阀阀芯、先导阀调压弹簧；主阀芯为滑阀结构，其端部呈抛物线状并开设有节流槽，从节流槽的内壁表面向外开设有四个引流孔，在与主阀套相配合的主阀芯的外圆柱面上均匀开设有微形孔；先导阀阀芯为锥阀结构，先导阀阀座的内孔端部的锥角处开设有环形台阶孔，先导阀阀芯上设有一导向活塞，导向活塞与安装在调压螺柄上的导向圆柱、先导阀阀体中的阀芯孔共同构成一调压腔；在导向活塞的端面上开设有环形槽。能够降低气蚀、振动和噪音，提高主阀芯的动压润滑性能，减少拉丝侵蚀。

Description

先导式水压溢流阀

技术领域

本发明涉及阀门制造技术领域，具体是指一种适用于以海水、淡水、高水基等作为工作介质的中高压水液压***中的溢流阀，尤其涉及一种先导式水压溢流阀。

背景技术

水压技术是以天然淡水、海水或自来水代替矿物油作为液压***工作介质的新技术，与油压技术一样，同属于液压传动技术。在液压传动技术的发展进程中，水作为动力传递、交换和控制的媒体曾起着非常重要的作用。在资源短缺和提倡环保的今天，应用水作为液压传动技术的工作介质主要有以下几个优势：1、生态友好，环保无污染；2、清洁安全，可避免火灾；3、价格低廉，来源广泛；4、易于维护和保养。但是当用水介质代替矿物油作为工作介质时，以传统油压溢流阀设计理论设计的水压溢流阀会与液压***之间出现不协调，引起阀甚至整个液压***工作不稳定。

当溢流阀在水介质中使用时，会产生一系列的技术问题，主要有：

1、气蚀与气蚀磨损：由于水介质的汽化压力高，节流口处的流速也很高，所以在纯水液压节流阀中很容易产生气蚀，气蚀对材料表面的破坏作用主要是气泡崩溃后产生的压力波对零件表面产生很强的冲击作用，同矿物油相比，水在气泡破裂时产生的压力冲击更大，破坏力更强；

2、拉丝侵蚀和冲蚀：由于水的粘度低、润滑性差，在相同条件下阀口的流速比油压阀高，在小开度、大压差情况下更是如此，会对阀芯和阀座产生严重的冲刷作用，同时水介质中的细小颗粒被高速水流携带着冲向零件的表面，刮出一条条痕迹；

3、泄漏量大：由于水介质的粘度大约是油的1/30-1/40，因而在相同的过流面积和压差作用下比油的泄露量大，造成***容积效率下降；

4、压力冲击、振动与噪声：由于水介质的弹性模量大约是液压油的1.5-2.4倍，水中声速比液压油中高约10％，因此水的压缩性小、刚性大、压力冲击波在水中的传递速度快而衰减慢，产生剧烈的振动和噪声，即水击现象。

为减小溢流阀的振动、噪声，通常采取减小锥阀半锥角；在先导阀上设置有阻尼孔；在先导阀腔加消振垫改变这一容腔流速场分布，或采用消振塞的微型吸振原理来消除尖叫和振动；在先导阀前端加导向活塞，克服锥阀芯的偏摆。根据中国专利申请号为200410013070.7公布的“先导式水压溢流阀”，主要包括主阀和先导阀，其主要特征在于：在先导阀阀芯上具有导向圆柱面，其与先导阀阀体的内孔之间形成配合间隙，使调压弹簧腔成为阻尼腔；在主阀座之前主阀体的入口处，设置有节流环、其径向有多个直径不同的节流孔。该阀能够降低主阀口工作压差、加宽调压范围、减小先导阀侧向振摆、增加先导阀的阻尼，抗气蚀性能好、噪声低、工作稳定性好。但是这种溢流阀无法降低主阀芯部位的磨损，在先导阀中形成的阻尼腔，当水介质作用在导向圆柱端面上时，易造成流束线型不稳，产生冲击噪声。

发明内容

本发明为了克服现有技术中的不足，提供了一种先导式水压溢流阀，适用于中高压水液压***，能够减小气蚀损失，降低振动，噪声，提高主阀芯与主阀套之间的动压润滑性能，储存水介质中的杂质，减少拉丝侵蚀。

本发明是通过以下技术方案实现：

一种先导式水压溢流阀，包括主阀和先导阀两部分，所述主阀包括主阀体、主阀套、主阀芯，主阀套安装在主阀体的孔中，主阀芯安装在主阀套内，主阀芯的弹簧腔中安装有主阀复位弹簧；所述先导阀包括先导阀阀体、先导阀阀座、先导阀阀芯、先导阀调压弹簧，所述先导阀阀座和先导阀阀芯均安装在先导阀阀体内；所述主阀芯为滑阀结构，主阀芯的端部呈抛物线状，在其端部沿轴线方向开设有节流槽，该节流槽由圆柱段与圆锥段组成，从节流槽的圆柱段内壁表面向外沿其径向开设有四个引流孔，在与主阀套相配合的主阀芯的外圆柱面上均匀开设有微形孔；所述先导阀阀芯为锥阀结构，先导阀阀座的内孔端部的锥角处开设有环形台阶孔，使得先导阀阀座与先导阀阀芯形成具有二级节流的阀口结构，所述先导阀阀芯上设有一导向活塞，导向活塞与安装在调压螺柄上的导向圆柱、先导阀阀体中的阀芯孔共同构成一调压腔；所述导向活塞朝向先导阀阀芯的一侧端面上开设有两个直径不同的同心环形槽，环形槽的截面呈半圆形。

作为本发明的优选技术方案，所述主阀体上开设有进水口、出水口和遥控口，从进水口流进的水介质一方面作用在主阀芯的下端，另一方面经主阀体上的水平液阻孔、竖直液阻孔与先导阀阀体的前腔相通，经先导阀阀体上的固定液阻到主阀芯的弹簧腔中，在主阀体和先导阀阀体上开设有流道与出水口相通；阀体上进水口和出水口与液压***其它元件间采用板式连接或管式连接。

作为本发明的优选技术方案，所述主阀体和先导阀阀体采用奥氏体不锈钢制成，表面进行阳极化处理；主阀芯和先导阀阀芯以金属为基材，表面喷涂氧化锆陶瓷。

其工作原理为：

先导式溢流阀在工作时，进水口接在液压泵的出口，出水口与水箱相连。

1)、先讨论遥控口K与外部不相通的情况：水介质从进水口进入，通过水平液阻孔、竖直液阻孔到达先导阀的前腔，经过阻尼套中间的阻尼孔，作用在先导阀阀芯的锥面上。当进水口的进口压力较低时，水介质的压力不能克服先导阀调压弹簧的弹簧力，先导阀阀芯关闭，由于阀内的水介质为静止液体，主阀芯的上腔和下腔压力相等，此时，主阀芯在较软的主阀复位弹簧的作用下处于主阀套座孔位置，主阀口封闭，进水口与出水口不通，无液流通过。当进水口的进口压力较高时，作用于先导阀阀芯上的液压力等于先导阀调压弹簧的弹簧力时，先导阀阀芯离开先导阀阀座，开启阀口，于是阀内的水介质经先导阀的阀口以及流道回到主阀的出水口，溢流到水箱；主阀进水口的水介质则经水平液阻孔、竖直液阻孔补充到先导阀的阀口，因水介质经过水平液阻孔和竖直液阻孔时存在局部压力损失，因此先导阀的进口压力低于主阀进口压力，即主阀芯上腔的压力低于下腔压力，主阀芯在上腔和下腔压力差的作用下克服主阀复位弹簧的弹簧力向上移动，开启主阀口，主阀进口的水介质经过主阀口溢流到水箱。

2)、当主阀体上的遥控口直接接在水箱上时的情况：则先导阀前腔和主阀芯上腔的压力近似等于零，此时先导阀阀口关闭，主阀芯的下腔只需要很低的压力就能够克服主阀复位弹簧的弹簧力开启阀口，使得进水口和出水口相通，液压泵输出的水介质全部回流到水箱中。

3)、当主阀体上的遥控口接远程调压阀时的情况：这时远程调压阀就代替了原来的先导阀工作，调节远程调压阀的弹簧力，就可以调节该先导式水压溢流阀中的主阀的工作压力。远程调压阀的调节压力必须小于先导式水压溢流阀的先导阀的调定压力，否则远程调压阀将不起作用。

与现有的技术相比，本发明的有益效果是：

1、通过在将主阀芯的前端加工成抛物线形状，能够把集中的气蚀冲击从主阀阀口处向后延伸出去，提高主阀芯的抗气蚀能力；通过在主阀芯上加工有节流槽，有利于提高水介质流量特性的刚性，使得液压径向力得到平衡，适用于中高压液压***中；通过在主阀芯上加工有引流孔，能够提高主阀出口处的压力，减小主阀进出口的压差，抑制气蚀、降低噪声；通过在主阀芯上加工有微形孔，提高主阀芯的动压润滑效果以及能够储存杂质，减少拉丝侵蚀；

2、先导阀阀座与先导阀阀芯之间形成二级节流的阀口结构，在先导阀阀芯开启时，每级阀口都承担了压差，能够减小气蚀；

3、通过设置有导向活塞和导向圆柱，共同组成一调压腔，一方面，先导阀阀芯与先导阀阀体之间的导向配合面可减小先导阀阀芯因受不平衡径向力引起的偏振，另一方面，先导阀阀芯运动时，调压腔内的压力变化使阀芯的运动阻尼增加，从而提高先导阀的工作稳定性；通过在导向活塞上开设有环形槽，能够补偿先导阀阀芯的液动力，同时由于液流方向的改变，产生一个与先导阀调压弹簧弹簧力相反方向的射流力，提高先导阀阀芯行程的稳定性。

附图说明

图1为本发明的结构示意图；

图2为图1中的仰视图；

图3为图1中的A部放大图；

图4为本发明中导向活塞的轴测图；

图5为本发明中导向活塞的截面图；

图6为本发明中遥控口接水箱的使用状态图；

图7为本发明中遥控口接远程调压阀的使用状态图。

图中：1-主阀体；2-主阀套；3-主阀芯；4-主阀复位弹簧；5-先导阀阀体；6-先导阀阀座；7-先导阀阀芯；8-先导阀调压弹簧；9-节流槽；10-引流孔；11-微形孔；12-台阶孔；13-导向活塞；14-导向圆柱；15-调压螺柄；16-调压腔；17-环形槽；18-弹簧腔；19-主阀弹簧座；20-径向通孔；21-先导阀弹簧座；22-阻尼套；a-水平液阻孔；b-竖直液阻孔；c-固定液阻；d-流道；P-进水口；T-出水口；K-遥控口；Y-远程调压阀。

具体实施方式

为了使本发明的目的、技术方案及优点更加清楚明白，以下结合附图及实施例，对本发明进行进一步详细说明。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

如图1所示，本发明提供的先导式水压溢流阀采用的是二级同心结构，与三级同心结构相比，二级同心结构的先导式溢流阀的阀口面积梯度大于三级同心结构，动作灵敏。

该先导式水压溢流阀包括主阀和先导阀两部分，主阀的轴心线与先导阀的轴心线相互垂直。

如图1、图2所示，主阀包括主阀体1、主阀套2、主阀芯3，主阀套2安装在主阀体1的孔中，主阀芯3安装在主阀套2内；主阀芯3的弹簧腔18中安装有主阀复位弹簧4，主阀复位弹簧4的端部顶抵在弹簧腔18的下端面上，并安装在主阀弹簧座19上，主阀复位弹簧4选用刚度较小的圆柱形弹簧。在主阀套2上开设有径向通孔20，主阀套2与主阀体1之间通过矩形密封圈和椭圆形密封圈进行密封，密封圈采用丁腈橡胶材料制成，它具有极低的摩擦系数和良好的自润滑性能，使用寿命长，动静态密封效果好。

如图1所示，主阀芯3采用的是滑阀结构，主阀芯3的端部加工成抛物线形状的，采用这种形状的主阀芯3，能够把集中的气蚀冲击从主阀阀口处向后延伸出去，这使得气蚀产生的部位与损坏部位不一致，保护主阀阀口，提高主阀芯3的抗气蚀能力。

在主阀芯3的端部沿其轴心线方向开设有节流槽9，该节流槽9由圆柱段与圆锥段组成，圆柱段的节流槽过流面积变化率是恒定的，有利于提高水介质流量特性的刚性，圆锥段的节流槽能够使得液压径向力得到平衡，适用于中高压液压***中。从节流槽9的圆柱段内壁表面向外沿其径向开设有四个引流孔10，能够提高主阀出口处的压力，减小主阀进出口的压差，有效地抑制气蚀、降低振动和噪声。

如图1所示，主阀套2的内表面与主阀芯3的圆柱形外表面之间形成摩擦副，根据楔形动压理论：粘性流体(在本实施例中采用的是水)随着摩擦副的运动被带入并充满具有楔形间隙的摩擦副表面之间，产生流体动态压力来平衡外载荷，达到良好的润滑目的。通过在主阀芯3的外圆柱面上均匀开设有微形孔11，能够提高主阀芯3的动压润滑性能，根据Fluent软件仿真可知，带有微形孔11的主阀芯3的表面的压力分布曲线近似于正弦曲线，且正压区面积与负压区面积基本相等。随着微形孔11深度的增加，主阀芯3承载力先增大然后再逐渐减小，存在最优的取值范围，当深度介于3μm-4μm之间时，压力值相对较高，动压润滑效果较好；随着微形孔11半径的增大，主阀芯3的承载力也增大，存在最优的取值范围，当半径介于25μm-45μm之间时，动压润滑效果较好。同时微形孔11能够作为储屑槽，容纳因为主阀套2与主阀芯3之间的边界润滑或干摩擦产生的磨屑以及水介质中自带的杂质颗粒，从而减少磨损，延长主阀芯3的使用寿命。

在本实施例中，微形孔11采用激光加工而成，激光束的功率密度高，经光学***聚焦，可在主阀芯3的表面上形成微米量级的极小光斑，属于非接触式加工，加工速度快，效率高，无噪声，同时激光束移动速度很快，热影响区小，热变形很小。

如图1所示，先导阀包括先导阀阀体5、先导阀阀座6、先导阀阀芯7、先导阀调压弹簧8，所述先导阀阀座6和先导阀阀芯7均安装在先导阀阀体5内。

如图1、图2所示，先导阀阀芯7采用的是锥阀结构，锥阀结构靠先导阀阀芯7和先导阀阀座6的锥面进行密封，密封力随着压力的增高而增大，密封效果好，易获得较高的调节压力，减小运动部件之间的配合公差，实现零泄露；同时锥阀式结构对水介质的适应性比较好，能够自动补偿先导阀阀芯7的磨损。但是锥阀式结构的阀芯在运动过程中，既做轴向振动，又做径向摆动，两种运动都产生噪声，因此在先导阀阀芯7上设有一导向活塞13，导向活塞13与安装在调压螺柄15上的导向圆柱14、先导阀阀体5中的阀芯孔共同构成一调压腔16，导向活塞13、导向圆柱14与先导阀的阀芯孔之间均为间隙配合安装。通过设置有导向活塞13，能够克服先导阀阀芯7的径向摆动。当先导阀阀芯7在开启时，先导阀阀芯7产生移动，调压腔16的容积减小，压力升高，此时，调压腔16产生一个与先导阀阀芯7运动方向相反的附加作用力，从而增加了先导阀阀芯7的运动阻尼，提高行程稳定性，防止先导阀阀芯7发生振动，降低噪声。

调压螺柄15安装在先导阀阀体5中，所述先导阀阀体5与调压螺柄15之间通过矩形密封圈进行密封。在调压螺柄15的端部安装有先导阀弹簧座21，先导阀调压弹簧8安装在先导阀弹簧座21上，先导阀调压弹簧8的选用刚度较大的圆柱形弹簧，能够减缓振动的频率和振幅，降低噪音。

如图1所示，在先导阀阀座6的前端设置有阻尼套22，沿着阻尼套22的中心线方向开设有阻尼孔。

如图1、图4、图5所示，在导向活塞13朝向先导阀阀芯7的一侧端面上开设有两个直径不同的同心环形槽17，环形槽17的截面呈半圆形，导向活塞13的一端进行倒角加工处理。通过设置环形槽17能够改变液流的方向，一方面用以补偿先导阀阀芯7的液动力，另一方面由于液流方向的改变，产生一个与先导阀调压弹簧8弹簧力相反方向的射流力。

如图1、图3所示，在先导阀中，适当减小先导阀阀芯7的半锥角θ，可以减小先导阀的液动力刚度，提高阀的稳定性，同时可以增大先导阀阀芯7与先导阀阀座6接触的支反力，提高密封性能。但是先导阀阀芯7的半锥角θ取得过小，会导致先导阀阀芯7与先导阀阀座6接触的支反力过大，影响阀的溢流性能。在本实施例中，先导阀阀芯7的半锥角θ取20°。

如图1、图3所示，先导阀阀座6的内孔端部的锥角处开设有环形台阶孔12，使得先导阀阀座6与先导阀阀芯7形成具有二级节流的阀口结构，在先导阀阀芯7开启时，每级阀口都承担了压差，能够减小气蚀。

如图1、图2所示，在主阀体1上开设有进水口P、出水口T和遥控口K，在进水口P和出水口T的流道中，折弯处均采用圆弧过渡，在水介质冲击到圆弧形折弯处时，能够使得冲击回溅抵消一部分能量，使流速尽快趋于均匀。从进水口P流进的水介质一方面作用在主阀芯3的下端，另一方面经主阀体1上的水平液阻孔a、竖直液阻孔b与先导阀阀体5的前腔相通，经先导阀阀体5上的固定液阻c到主阀芯3的弹簧腔18中，在主阀体1和先导阀阀体5上开设有流道d与出水口T相通。

同时由于材料的硬度是影响气蚀侵蚀的主要因素，阀芯的抗气蚀能力是随着材料硬度的提高而提高，气蚀破坏与材料的疲劳强度也有关系，这是因为不断生成的气泡会不断对阀芯和阀座产生重复性的冲击。材料的硬度对拉丝侵蚀有很大的影响，材料硬度越高，抗拉丝侵蚀和冲蚀的能力就越强。因此，在本实施例中：

主阀体1和先导阀阀体5采用奥氏体不锈钢(1Cr18Ni9Ti)制成，表面进行阳极化处理(根据实际需要采用软质或硬质阳极化处理)，能有效防止水介质的腐蚀，并进行淬火处理，使得主阀体1和先导阀阀体5的硬度达到HRC33-40；

主阀套2和先导阀阀座6采用铜基合金制成，依靠铜基合金形成氧化膜来减小气蚀；

主阀芯3和先导阀阀芯7以金属为基材，表面喷涂氧化锆陶瓷，由于保留了金属的强韧性和陶瓷的高硬度及优良的抗磨抗腐蚀性能，且克服了氧化锆陶瓷的脆性，同时陶瓷吸振性能好，有利于消减气蚀产生的冲击波，减小***的振动。

如图6所示，当主阀体1上的遥控口K直接接在水箱上时，此时先导阀前腔和主阀芯上腔的压力近似等于零，此时先导阀阀口关闭，主阀芯的下腔只需要很低的压力就能够克服主阀复位弹簧的弹簧力开启阀口，使得进水口P和出水口T相通，液压泵输出的水介质全部回流到水箱中。

如图7所示，当主阀体1上的遥控口K接远程调压阀Y时的情况：这时远程调压阀Y就代替了原来的先导阀工作，调节远程调压阀Y的弹簧力，就可以调节该先导式水压溢流阀中的主阀的工作压力。远程调压阀的调节压力必须小于先导式水压溢流阀的先导阀的调定压力，否则远程调压阀将不起作用。

以上所述仅为本发明的较佳实施例而已，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (3)

1.一种先导式水压溢流阀，包括主阀和先导阀两部分，所述主阀包括主阀体(1)、主阀套(2)、主阀芯(3)，主阀套(2)安装在主阀体(1)的孔中，主阀芯(3)安装在主阀套(2)内，主阀芯(3)的弹簧腔(18)中安装有主阀复位弹簧(4)；所述先导阀包括先导阀阀体(5)、先导阀阀座(6)、先导阀阀芯(7)、先导阀调压弹簧(8)，所述先导阀阀座(6)和先导阀阀芯(7)均安装在先导阀阀体(5)内；其特征在于：

所述主阀芯(3)为滑阀结构，主阀芯(3)的端部呈抛物线状，在其端部沿轴线方向开设有节流槽(9)，该节流槽(9)由圆柱段与圆锥段组成，从节流槽(9)的圆柱段内壁表面向外沿其径向开设有四个引流孔(10)，在与主阀套(2)相配合的主阀芯(3)的外圆柱面上均匀开设有微形孔(11)；

所述先导阀阀芯(7)为锥阀结构，先导阀阀座(6)的内孔端部的锥角处开设有环形台阶孔(12)，使得先导阀阀座(6)与先导阀阀芯(7)形成具有二级节流的阀口结构，所述先导阀阀芯(7)上设有一导向活塞(13)，导向活塞(13)与安装在调压螺柄(15)上的导向圆柱(14)、先导阀阀体(5)中的阀芯孔共同构成一调压腔(16)；

所述导向活塞(13)朝向先导阀阀芯(7)的一侧端面上开设有两个直径不同的同心环形槽(17)，环形槽(17)的截面呈半圆形。

2.根据权利要求1所述的先导式水压溢流阀，其特征在于：所述主阀体(1)上开设有进水口(P)、出水口(T)和遥控口(K)，从进水口(P)流进的水介质一方面作用在主阀芯(3)的下端，另一方面经主阀体(1)上的水平液阻孔(a)、竖直液阻孔(b)与先导阀阀体(5)的前腔相通，经先导阀阀体(5)上的固定液阻(c)到主阀芯(3)的弹簧腔(18)中，在主阀体(1)和先导阀阀体(5)上开设有流道(d)与出水口(T)相通。

3.根据权利要求1或2所述的先导式水压溢流阀，其特征在于：所述主阀体(1)和先导阀阀体(5)采用奥氏体不锈钢制成，表面进行阳极化处理；主阀芯(3)和先导阀阀芯(7)以金属为基材，表面喷涂氧化锆陶瓷。