夏鵬程
摘要：該文通過對先導式溢流閥的工作原理進行分析，根據先導式溢流閥的工作特點，以先導式溢流閥為原型，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式壓力開關閥，將新型先導式壓力開關閥的工作步驟進行分解分析，利用液壓原理和力學公式進行推導，總結新型先導式壓力開關閥的3個特點，從新型先導式壓力開關閥的特點入手，針對傳統衛浴市場閥門操作不夠簡單，使用不夠輕便的問題，結合電器按鈕的方式創造出不同於常規操作方式的新型閥芯。
關鍵詞：衛浴;溢流閥;先導式;手動;開關閥
中圖分類號：TG315文獻標誌碼：A
0 引言
閥芯是水暖衛浴產品最關鍵的零部件，被譽為水龍頭的心臟，目前陶瓷閥芯是應用最普遍的一種閥，經過30多年的發展陶瓷閥芯已經占據了衛浴市場的主導地位，但是隨著智能時代的到來，更加輕巧、便捷的產品越來越來受到消費者青睞，傳統的水龍頭由於使用陶瓷閥芯，在操作過程中避免不了貼合陶瓷片之間相互運動而產生的摩擦力，使操作不夠輕便，而且存在著操作方式單一的問題，衛浴產品也需要跟進時代的發展，未來開發出操作水龍頭就像操作電器一樣的產品非常必要。
閥門類型中有一類閥門，稱為先導式壓力閥[1]，如先導式溢流閥[2]、先導式減壓閥，多見於鍋爐、壓力容器，導式壓力閥調壓輕便。
1 先導式壓力閥的工作原理及特點
圖1為先導式溢流閥，當調壓彈簧4的彈力大於作用在先導閥門1上的液壓力時，先導閥門1關閉，進口的壓力P和旁路k的壓力P2相等，閥門3在平衡彈簧5彈力的作用下關閉，當調壓彈簧4的彈力小於作用在先導閥門1上的液壓力時，先導閥門1被打開，旁路流體開始流動，由於阻尼孔m的阻尼作用，進口的壓力P大於旁路的壓力P2，當P和P2作用在閥門3上的液壓力大於平衡彈簧5的彈力時閥門3向上打開，當P和P2作用在閥門上的液壓力等於平衡彈簧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閉，P2是由壓在先導閥門1上的彈簧力決定的，因此只要通過操作螺杆調整調壓彈簧4的彈力就能控制閥門2的在多少壓力下開啟，達到溢流閥的目的。先導式溢流閥的先導閥門截面很小，即使壓力很高，小彈力的彈簧也可以平衡先導閥門上的液壓力，因此先導式溢流閥的一個特點是控制調壓輕便。
先導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為新型先導式壓力開關閥，是先導式溢流閥的變形，將旁路和先導閥門進行了改造，先導閥門的控制方式由被動改為主動，功能由溢流閥改為開關閥，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閉（復位），為了不影響閥門在低壓下開啟，彈簧彈力設定很小。
新型先導式壓力閥主要由先導閥門1、閥門2、閥體3組成，閥門2上開有孔m和n，孔m將進口和腔體b連通，孔n將腔體b與出口連通。在閥門關閉狀態時，當孔n被打開時（向上拉開先導閥門1），以水介質為例，旁路水流開始流動，由於小孔m孔徑遠小於孔n，小孔m成為阻尼孔，P2與進口的壓力形成壓差，此時作用在閥門2上液壓力向上，只要液壓力大於彈簧彈力閥門2會被水壓往上推，閥門2打開後，出水管道充水，出口的壓力P1逐漸上升，當水流穩定後，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，由於D2大於D，只要P1和P形成壓差，閥門2就會受到液壓向上的力，只要這個液壓力大於彈簧彈力閥門2就會被打開。
閥門2打開後，當孔n被再次關閉時（向下推先導閥門1），腔體b的壓力P2會上升至與進口的壓力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，閥門關閉。
假如向下推先導閥門至閥門全關的全程的中間某一位置先導閥門1突然停下，閥門2繼續向下運動，孔n被打開，那麼根據式（1）可知閥門2就會反嚮往上運動，當閥門2碰到先導閥門1時，根據式（2）閥門2又會向下運動，在這個反覆的過程中閥門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f=0，式（3）變形如下：
（4）
由式（4）可知，由於D2大於D，那麼P2必須大於P1，要使P2大於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會緊隨先導閥門1，也就是說先導閥門1可以控制閥門2的開啟多少。
綜上所述，先導閥門可以控制主路閥門的開啟多少，可以得出新型先導式壓力開關閥的特點一：先導閥門可以控制閥門流量。
由式（1）、（2）的推導可以得出新型先導式壓力開關閥的特點二：先導閥門可以控制閥門的打開和關閉。
另外由於孔n的直徑遠小於D，水壓作用在先導閥門上的液壓力遠小於作用在閥門上的液壓力，那麼先導閥門上下運動的力比直接控制閥門小得多，所以可以得出新型先導式壓力開關閥的特點三：操控先導閥門的力很小。
2 創新應用
新型先導式壓力開關閥是一種主動式控制的壓力閥，它的作用是控制閥門開關。它的3個特點為設計新型水龍頭閥芯打開了一個突破口，使設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式壓力閥進行結合，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，研究成果如下。
2.1 蹺蹺板式按鈕開關閥
規格尺寸：直徑27 mm 功能：開關
操作方式：蹺蹺板按鈕
工作原理：如圖3所示，當閥在關閉狀態時，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）由於磁吸作用被磁鐵組件4（布置有環型磁鐵）吸至上方，根據先導式壓力開關閥的工作原理，閥門5被打開，如圖3閥打開狀態。同理，當再次按動按鈕1，閥門5被關閉。
特點：採用電燈開關的方式，操作簡單，輕巧;閥門主體採用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;採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，使按鈕操作更加輕鬆。
2.2 彈跳式按鈕開關閥
規格尺寸：直徑31 mm
功能：按鈕開關+流量控制
操作方式：彈跳式按鈕+旋鈕
按鈕開關工作原理：彈跳式按鈕採用原子筆按鈕方式，按動一次控制按鈕的一起或者一落。如圖4所示，當閥在關閉狀態時，按動按鈕1，原子筆按鈕彈起，磁鐵組件4被釋放並且在彈簧2彈力的作用下被頂起，先導閥門3由於磁吸作用被磁鐵組件4吸至上方，根據先導式壓力開關閥的工作原理，閥門5被打開，閥打開狀態參考圖5。當再次按動按鈕1，按鈕落下，磁鐵組件4被原子筆按鈕機構壓至下方，彈簧2被壓縮，先導閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運動，閥門5被關閉。
流量控制工作原理：如圖5所示，當閥門在最大開啟狀態時，逆時針轉動旋鈕6，旋鈕6下端斜台迫使磁鐵組件4往下運動，彈簧2被壓縮，先導閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運動，根據先導式壓力開關閥的工作特點，閥門5將跟隨先導閥門一起運動，從而控制閥門流量減小，當旋鈕6旋到底時，閥門到達最小開啟狀態。當旋鈕6反向轉動時，旋鈕6下端斜台釋放磁鐵組件4，在彈簧2彈力的作用下磁鐵組件4被頂起，先導閥門3由於磁吸作用被磁鐵組件4吸引往上運動，流量加大。
特點：採用原子筆按鈕的開關方式，操作簡單，輕巧;閥門主體採用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;採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，使按鈕操作更加輕鬆;採用斜台旋鈕運動機構，可調流量。
3 結論
新型水龍頭閥芯結合了電器開關的操作方式和新型先導式壓力開關閥技術，具有使用輕便，設計新穎的特點，並且在單一開關功能的基礎又開發出可調流量的多功能閥芯，使這種手動操作的新型先導式壓力開關閥芯能夠在水龍頭產品上得到更廣泛的應用，推進衛浴產品更新換代。
參考文獻
[1]王積偉， 章宏甲， 黃誼.液壓與氣壓傳動（第2版） [M].北京：機械工業出版社，2005：113-159.
[2]張祝新， 趙丁選， 張雅琴.溢流閥與順序閥結構與工作原理的深入分析[J].工具機與液壓，2006（11）：247-248.
[3]夏顯明，魏寶麗.溢流閥、減壓閥和順序閥的比較[J].安徽農業技術師範學院學報，1999，13（2）：54-58.
[4]柯葵，朱立明.流體力學與流體機械[M].上海：同濟大學出版社， 2009：8-28.
摘要：該文通過對先導式溢流閥的工作原理進行分析，根據先導式溢流閥的工作特點，以先導式溢流閥為原型，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式壓力開關閥，將新型先導式壓力開關閥的工作步驟進行分解分析，利用液壓原理和力學公式進行推導，總結新型先導式壓力開關閥的3個特點，從新型先導式壓力開關閥的特點入手，針對傳統衛浴市場閥門操作不夠簡單，使用不夠輕便的問題，結合電器按鈕的方式創造出不同於常規操作方式的新型閥芯。
關鍵詞：衛浴;溢流閥;先導式;手動;開關閥
中圖分類號：TG315文獻標誌碼：A
0 引言
閥芯是水暖衛浴產品最關鍵的零部件，被譽為水龍頭的心臟，目前陶瓷閥芯是應用最普遍的一種閥，經過30多年的發展陶瓷閥芯已經占據了衛浴市場的主導地位，但是隨著智能時代的到來，更加輕巧、便捷的產品越來越來受到消費者青睞，傳統的水龍頭由於使用陶瓷閥芯，在操作過程中避免不了貼合陶瓷片之間相互運動而產生的摩擦力，使操作不夠輕便，而且存在著操作方式單一的問題，衛浴產品也需要跟進時代的發展，未來開發出操作水龍頭就像操作電器一樣的產品非常必要。
閥門類型中有一類閥門，稱為先導式壓力閥[1]，如先導式溢流閥[2]、先導式減壓閥，多見於鍋爐、壓力容器，導式壓力閥調壓輕便。
1 先導式壓力閥的工作原理及特點
圖1為先導式溢流閥，當調壓彈簧4的彈力大於作用在先導閥門1上的液壓力時，先導閥門1關閉，進口的壓力P和旁路k的壓力P2相等，閥門3在平衡彈簧5彈力的作用下關閉，當調壓彈簧4的彈力小於作用在先導閥門1上的液壓力時，先導閥門1被打開，旁路流體開始流動，由於阻尼孔m的阻尼作用，進口的壓力P大於旁路的壓力P2，當P和P2作用在閥門3上的液壓力大於平衡彈簧5的彈力時閥門3向上打開，當P和P2作用在閥門上的液壓力等於平衡彈簧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閉，P2是由壓在先導閥門1上的彈簧力決定的，因此只要通過操作螺杆調整調壓彈簧4的彈力就能控制閥門2的在多少壓力下開啟，達到溢流閥的目的。先導式溢流閥的先導閥門截面很小，即使壓力很高，小彈力的彈簧也可以平衡先導閥門上的液壓力，因此先導式溢流閥的一個特點是控制調壓輕便。
先導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為新型先導式壓力開關閥，是先導式溢流閥的變形，將旁路和先導閥門進行了改造，先導閥門的控制方式由被動改為主動，功能由溢流閥改為開關閥，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閉（復位），為了不影響閥門在低壓下開啟，彈簧彈力設定很小。
新型先導式壓力閥主要由先導閥門1、閥門2、閥體3組成，閥門2上開有孔m和n，孔m將進口和腔體b連通，孔n將腔體b與出口連通。在閥門關閉狀態時，當孔n被打開時（向上拉開先導閥門1），以水介質為例，旁路水流開始流動，由於小孔m孔徑遠小於孔n，小孔m成為阻尼孔，P2與進口的壓力形成壓差，此時作用在閥門2上液壓力向上，只要液壓力大於彈簧彈力閥門2會被水壓往上推，閥門2打開後，出水管道充水，出口的壓力P1逐漸上升，當水流穩定後，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，由於D2大於D，只要P1和P形成壓差，閥門2就會受到液壓向上的力，只要這個液壓力大於彈簧彈力閥門2就會被打開。
閥門2打開後，當孔n被再次關閉時（向下推先導閥門1），腔體b的壓力P2會上升至與進口的壓力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，閥門關閉。
假如向下推先導閥門至閥門全關的全程的中間某一位置先導閥門1突然停下，閥門2繼續向下運動，孔n被打開，那麼根據式（1）可知閥門2就會反嚮往上運動，當閥門2碰到先導閥門1時，根據式（2）閥門2又會向下運動，在這個反覆的過程中閥門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f=0，式（3）變形如下：
（4）
由式（4）可知，由於D2大於D，那麼P2必須大於P1，要使P2大於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會緊隨先導閥門1，也就是說先導閥門1可以控制閥門2的開啟多少。
綜上所述，先導閥門可以控制主路閥門的開啟多少，可以得出新型先導式壓力開關閥的特點一：先導閥門可以控制閥門流量。
由式（1）、（2）的推導可以得出新型先導式壓力開關閥的特點二：先導閥門可以控制閥門的打開和關閉。
另外由於孔n的直徑遠小於D，水壓作用在先導閥門上的液壓力遠小於作用在閥門上的液壓力，那麼先導閥門上下運動的力比直接控制閥門小得多，所以可以得出新型先導式壓力開關閥的特點三：操控先導閥門的力很小。
2 創新應用
新型先導式壓力開關閥是一種主動式控制的壓力閥，它的作用是控制閥門開關。它的3個特點為設計新型水龍頭閥芯打開了一個突破口，使設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式壓力閥進行結合，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，研究成果如下。
2.1 蹺蹺板式按鈕開關閥
規格尺寸：直徑27 mm 功能：開關
操作方式：蹺蹺板按鈕
工作原理：如圖3所示，當閥在關閉狀態時，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）由於磁吸作用被磁鐵組件4（布置有環型磁鐵）吸至上方，根據先導式壓力開關閥的工作原理，閥門5被打開，如圖3閥打開狀態。同理，當再次按動按鈕1，閥門5被關閉。
特點：採用電燈開關的方式，操作簡單，輕巧;閥門主體採用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;採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，使按鈕操作更加輕鬆。
2.2 彈跳式按鈕開關閥
規格尺寸：直徑31 mm
功能：按鈕開關+流量控制
操作方式：彈跳式按鈕+旋鈕
按鈕開關工作原理：彈跳式按鈕採用原子筆按鈕方式，按動一次控制按鈕的一起或者一落。如圖4所示，當閥在關閉狀態時，按動按鈕1，原子筆按鈕彈起，磁鐵組件4被釋放並且在彈簧2彈力的作用下被頂起，先導閥門3由於磁吸作用被磁鐵組件4吸至上方，根據先導式壓力開關閥的工作原理，閥門5被打開，閥打開狀態參考圖5。當再次按動按鈕1，按鈕落下，磁鐵組件4被原子筆按鈕機構壓至下方，彈簧2被壓縮，先導閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運動，閥門5被關閉。
流量控制工作原理：如圖5所示，當閥門在最大開啟狀態時，逆時針轉動旋鈕6，旋鈕6下端斜台迫使磁鐵組件4往下運動，彈簧2被壓縮，先導閥門3在磁鐵組件4磁吸作用下往下運動，根據先導式壓力開關閥的工作特點，閥門5將跟隨先導閥門一起運動，從而控制閥門流量減小，當旋鈕6旋到底時，閥門到達最小開啟狀態。當旋鈕6反向轉動時，旋鈕6下端斜台釋放磁鐵組件4，在彈簧2彈力的作用下磁鐵組件4被頂起，先導閥門3由於磁吸作用被磁鐵組件4吸引往上運動，流量加大。
特點：採用原子筆按鈕的開關方式，操作簡單，輕巧;閥門主體採用柔性膜片材料，消除了活塞式閥門的摩擦力以及泄露問題;採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，使按鈕操作更加輕鬆;採用斜台旋鈕運動機構，可調流量。
3 結論
新型水龍頭閥芯結合了電器開關的操作方式和新型先導式壓力開關閥技術，具有使用輕便，設計新穎的特點，並且在單一開關功能的基礎又開發出可調流量的多功能閥芯，使這種手動操作的新型先導式壓力開關閥芯能夠在水龍頭產品上得到更廣泛的應用，推進衛浴產品更新換代。
參考文獻
[1]王積偉， 章宏甲， 黃誼.液壓與氣壓傳動（第2版） [M].北京：機械工業出版社，2005：113-159.
[2]張祝新， 趙丁選， 張雅琴.溢流閥與順序閥結構與工作原理的深入分析[J].工具機與液壓，2006（11）：247-248.
[3]夏顯明，魏寶麗.溢流閥、減壓閥和順序閥的比較[J].安徽農業技術師範學院學報，1999，13（2）：54-58.
[4]柯葵，朱立明.流體力學與流體機械[M].上海：同濟大學出版社， 2009：8-28.
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