微灌过滤器用水压驱动反冲洗阀启闭机构的力学计算-上海联兵环保免费电话：400-600-5030

【摘要】 从工业用液压系统换向阀的结构设计、所用液压介质类型等技术出发,分析影响换向阀各方面稳定性能的因素,针对性地设计出一种微灌系统过滤器用的新型换向阀——水压驱动反冲洗阀,通过介绍产品的结构和工作原理,提出了反冲洗时所需驱动力的计算方法,并结合过滤器的正常压力条件,对驱动力进行了校核,得出水压驱动反冲洗阀在0.18 MPa以上的水流压力下即可正常工作,满足产品靠过滤系统管路的自身压力实现反冲洗的要求。
关键词:换向阀 过滤器 水压驱动 反冲洗 力学计算
中图分类号:S277.9+9文献标识码:A
引言
换向阀是液压系统中应用最多的一类控制元件,在目前的液压系统中,由于机、电、液与气的联合使用,液压技术已渗透到诸如汽车、机床、装载机、提升机等工业现代化机械设备中,因此,换向阀的结构设计将是各液压系统的一个关键性串联环节,合理研究和设计出针对不同机械设备所需的液压系统专用换向阀产品,是保证各行业现代化机械设备正常工作的前提,其换向性能直接关系到整个液压系统的性能,从而影响着各设备的工作效率、可靠性和安全性等运行质量[1~3]。
过滤器用水压驱动反冲洗三向阀(以下简称水动阀)是针对微灌系统用反冲洗过滤器而开发的一种新型换向阀产品,其安装操作简单,换向性能稳定,能够为系统提供正、反两个不同方向的水流,从而实现过滤器组的自动或手动反冲洗功能。水动反冲洗阀的液压驱动介质一改传统换向阀的油、电结合模式,靠纯水液压技术,以过滤器管路系统的内部水流作为液压介质,并靠过滤系统管路的自身水压驱动反冲洗阀的水流换向。水动反冲洗阀的液压技术其因介质来源广泛、成本较低、环境友好、清洁安全及阻燃性好的优势[2],其技术和产品将具有较高的研究价值和较广的应用范围。
1 水动阀的结构
水动阀产品设计为平面四通式结构,从外观看基本呈“+”号型,其正剖面如图1所示,由下阀体、阀杆、阀片、上阀体、隔膜、弹簧和阀盖等部件组成。根据产品的使用功能和特点,水动阀的整体结构可分为过水腔和启闭腔两部分。

1.1 过水腔
过水腔是过滤器运行时水流通过阀体的内部通道,靠其内部阀片的上下升降,阀片处于不同的特定位置,使过水腔具有不同的连通方式,从而有不同的水流通过方向。
在下阀体的左侧、右侧和下侧方向分别布置了3个通水口,并与下阀体内的过水腔相通,起着过滤进水、反冲洗排水的作用。3个通水口的管径尺寸相同,采用内螺纹的接口方式,与过滤系统的外部管道连接,根据单个阀的控制单罐过滤流量为20 m3/h的标准,3个通水口的接口直径设计为50 mm。在各个通水口处又分别设有预留小孔,主要用于连接测压设备进行测量过水腔各水口的水压,并为阀的启闭腔提供有压水流。
1.2 启闭腔
水动阀的启闭腔是由上阀体和阀盖围成一空腔,内部安装有弹簧、隔膜和阀杆、密封圈等元件,并构成一联动的启闭机构,其中弹簧为圆锥形螺旋状,主要是提高启动元件的稳定性。上阀体呈渐扩口状,用螺纹与下阀体旋紧固定,在上阀体的侧面有一个直径为12.5 mm水平罗纹圆孔,即驱动口,主要起着腔体内的进排水通道作用。隔膜为一盘状天然橡胶膜,膜厚8 mm,具有较好的回弹性和韧性,并紧贴上阀体的内表面,与阀杆的上端连接在一起。隔膜上面有弹簧和阀盖,弹簧装在隔膜和阀盖之间,阀盖与控制体用螺栓紧固。启闭腔整体上相当于一个小型液压系统,在外部有压水流的作用下,能使过水腔内的阀片、阀杆等启闭机构同步上下移动,达到不同的通水效果。
2 水动阀的工作原理
水动阀是一种新型多功能换向阀,它靠管路中的水流压力和阀体内的弹簧机构联合驱动,实现内部阀片的升、降来改变水流方向,从而实现过滤系统的反冲洗功能。
水动阀在过滤和反冲洗模式下的具体工作原理如图2所示:在初始状态下,水动阀的启闭腔内不充水,阀片、膜片处于原始位置,通水口A、通水口B保持连通,内部水流以直线方向通过水动阀的过水腔,使过滤系统维持过滤状态。当有压水流从驱动口进入阀的启闭腔后,水流作用于上阀体和隔膜之间,当水压达到一定压力时,能克服初始状态的所有弹力作用时,膜片被迫向上拱起,带动连在一体的阀杆、碟片上升,到另一特定位置时阀片隔断通水口A、通水口B通道,同时连通通水口B、通水口C,使水流以直角方向通过,这样就使过滤系统进入反冲洗状态。
反冲洗完毕,泄掉启闭腔内的有压水流,在膜片自身弹性和弹簧弹力的作用下,阀杆、阀片和隔膜自动下降,复位到初始状态,此时即截断通水口B、通水口C,重新连通通水口A、通水口B,使水流仍以直线方向通过水动阀的过水腔,过滤系统也回到过滤状态。如此循环,可以完成各组过滤罐的依次反冲洗过程[4~5]。

3 启闭力计算与校核
水动阀的启闭力主要靠从过滤系统进水管路引来水流的水压对隔膜产生的作用力,从而提升水动阀的升降机构,改变通过阀体内部水流方向。要保证水动阀能实现正常的顺利启闭,需根据水动阀的结构设计来计算正常工作时所需的启闭力Fx和外部提供的实际启闭力Fg,并对二者进行校核,验证Fg>Fx关系是否成立。若成立,则水动阀即可顺利启闭。
3.1 启闭力Fx计算
对水动阀的启闭元件进行受力分析,得出水动阀的启闭力受隔膜、弹簧、阀杆、阀片等启动元件的自重和弹簧的弹力以及阀杆在控制体中心孔的滑动摩擦力、过水腔内水流对阀片的阻力(即水流作用于阀片的液动力)等影响,各力分别计算为

式中 k——弹簧的刚度系数, N/mm
Δx——弹簧的变形量,mm
G——弹簧的切变模量,取7.1 MPa
d——弹簧的直径, mm
R1——圆锥弹簧的小圈半径, mm
R2——圆锥弹簧的大圈半径, mm
n——弹簧的有效圈数
因所用弹簧为等节距圆锥形螺旋式,故弹簧的刚度系数k需采用等节距圆锥形螺旋弹簧的计算公式[6],把G=7.1 MPa、d=3 mm、R1=20 mm、R2=65 mm、n=6代入式(2),得k=15.24 N/mm。
水动阀在完成一个启闭过程中,阀片的位移量为40 mm,此时弹簧也相应地缩短40 mm,再加上弹簧安装时的变形缩短量20 mm,则弹簧的总变形量

由于阀杆在主阀体的中心孔上下滑动,仅受到孔内的O形密封圈对它的径向约束力,因此阀杆受的摩擦力也即为O形密封圈对阀杆的作用力,利用“O型圈在无液压作用下的摩擦力计算方法”计算其滑动摩擦力[8],其公式为

该阻力是水动阀启闭机构在启动过程中阀片受到了液动力,其大小和方向随阀的开口量和位移而变,即阀片在不同的位置有不同的液动力。总液动力包括有瞬态液动力与稳态液动力,各自的大小主要决定于液流流经阀片前后的压力降以及通过阀口的流量[9]。由于该阀在启动的初始时刻,阀片前后的压力降较大,等于启动前作用在阀片上的水压,而启动过程,受管路中水流的影响,阀片前后的压力降较小,近乎为零,故总液动力主要是在水动阀的启闭机构在启动初始时刻产生的瞬态液动力。在系统首部供水压力为0.25 MPa的情况下,用精密压力表测得水动阀过水腔内的水压为0.248 MPa,阀片的直径为35 mm,根据压强的定义可得水压对阀片的作用力为

水动阀的启闭力来源于管路自身水压对阀体内的隔膜产生的作用力,其大小需按水对隔膜在阀杆行程方向上的有效作用面积来计算,力的方向与弹簧弹力相反。由于隔膜不是一平面,曲面尺寸要转化为一有效平面尺寸,根据隔膜在垂直于阀杆行程方


4 结论
(1)水动阀产品是在借鉴国外过滤技术的基础上研制开发出的适合农田微灌过滤系统的过滤关键设备,其结构设计合理,启闭灵活,安装和使用方便。
(2)产品集直通阀与直角阀功能于一体,当管路中的水流自身压力在0.18 MPa以上时即可驱动阀体内的阀片、阀杆和弹簧等机构联合动作的启闭元件,并保证顺利的上升或下降。
(3)在过滤系统中,水流换向性能稳定,方便地完成过滤和反冲洗两个过程的相互转换,从而易于实现对过滤器的手动或自动控制。
(4)对水动阀的安装方式进行调整,可应用在城镇给排水、农村各种饮用水工程中,具有分水、泄水等功能,冬天可防止管路冻裂。

上海联兵环保科技有限公司
地址：上海市松江区工业区茸北分区茸阳路69号
总机：021-51691929
传真：021-57784244
免费电话：400-600-5030
技术支持：13641659499
E-mail：zhanglianbing@126.com
http://www.shlbhb.com