家用高压清洗机开关枪压力阀的设计.pdf

F L U I D MACHI NER Y Vo 1 ． 4 1， N o ． 5， 2 0 1 3 文章编号 1 0 0 5 0 3 2 9 2 0 1 3 0 5 0 0 4 8 0 4 家用高压清洗机开关枪压力阀的设计 金建华 ． 戴映红 。 谭冬云 1 ． 台州职业技术学院， 浙江台州 3 1 8 0 0 0 ； 2 ． 浙江安露清洗机有限公司， 浙江台州 3 1 8 0 0 0 摘要 针对现有高压清洗机调压卸荷阀存在的缺点， 介绍了一种家用高压清洗机开关枪压力 阀的工作原理， 并对其 结构进行设计 ， 同时， 建立了开关枪压力阀在开枪和关枪工作过程的压力变化的数学模型。通过实例推导了柱塞弹簧、 阀芯弹簧的设计计算方法， 得出活塞的运动规律。最后， 对产品试验方案进行设计并对样机进行实验研究， 证明设计理 论的正确性和结构设计的合理性。 关键词 高压清洗机 ； 调压卸荷阀； 开关枪压力阀 中图分类号 T HI 3 7 ； T B 4 9 0 文献标识码 A d o i 1 0 ． 3 9 6 9 ／ j ． i s s n ． 1 0 0 5 0 3 2 9 ． 2 0 1 3 ． 0 5 ． 0 1 1 De s i g n o f Op e n i n g - c l o s i n g No z z l e Gu n Pr e s s u r e Va l v e of Ho u s e h o l d Hi g h Pr e s s u r e Cl e a n e r J I N J i a n h u a ， DAI Yi n g h o n g ， T AN Do n g ． y u n 1 ． T a i z h o u V o c a t i o n a l T e c h n i c a l C o l l e g e ， T a i z h o u 3 1 8 0 0 0 ， C h i n a ； 2 ． Z h i a n g A nl u C l e a n i n g Ma c h i n e r y C o ． L t d ． ， T a i z h o u 3 1 8 0 0 0， C h i n a Ab s t r a c t On t h e s h o r t c o mi n g s o f t h e e x i s t i n g p r e s s u r e r e g u l a t i n g u n l o a d i n g v a l v e o f h ii g h p r e s s u r e c l e a n e r ， t h e w o r k i n g p r i n c i - p i e of t h e o p e n i n g - c l o s i n g n o z z l e g u n p r e s s u r e v alv e of h o u s e h o l d h i g h p r e s s u r e c l e a n e r a r e i n t r o d u c e d a s w e l l a s t h e s t r u c t u r e i s d e s i g n e d ． Me a n wh i l e t h e ma t h e ma t i c mo d e l of p r e s s u r e c h a n g e i n t h e w o r k i n g p r o c e s s of t h e o p e n i n g a n d c l o s i n g n o z z l e gu n are e s t a b l i s h e d ． T h e c alc u l a t i o n me t h o d f o r p l u n g e r s p rin g an d v alv e c o re s p ri n g are d e d u c e d b y e x a mp l e s ， an d t h e mo t i o n l a w o f p i s - t o n s i s o b t mn e d ．F i n a l l y p r o d u c t t e s t s c h e me i s d e s i g n e d a n d p r o t o t y p e i s e x pe ri me n t al s t u d i e d w h i c h c o n I r n l s c o r r e c t n e s s of t h e d e s i g n t h e o ry a n d r e a s o n a b l e n e s s of t h e s t r u c t u re d e s i g n ． Ke y wo r d s h i g h p r e s s u r e c l e a n e r ； p r e s s u r e r e gul a t i n g u n l o a d i n g v alv e； o pen i n g - c l o s i n g n o z z l e gun p r e s s u r e v alv e l 前言 高压清洗机是通过动力装置使高压柱塞泵产 生高压水来冲洗物体表面， 水的冲击力大于污垢 与物体 表面附着力 ， 高压水就会将污垢剥 离 ， 冲 走， 达到清洗物体表面的一种清洗设备。根据使 用场合的不同， 高压清洗机分为商用、 工业用和家 用三类。家用高压清洗机是近几年发展起来的一 种新型家用电器， 一般用于庭院、 汽车、 墙面、 器物 等的高压喷射冲洗， 其压力范围在 5 1 5 M P a ， 介 质为常温清水。商用和工业用清洗机一般配置调 压阀， 可以根据具体使用情况， 在额定压力范围内 事先进行调压 ， 并配换 喷头 ， 并能实现关枪 关闭 收稿 日期 2 0 1 20 93 0 修稿 日期 2 0 1 3一o 40 7 基金项 目 台州市科技计划重点项 目 1 1 1 Z D 0 8 喷枪 卸荷的功能。而家用清洗机 由于使用过程 特点的不同， 在使用过程中需要根据清洗部位和 清洗进程不同即时调整压力 ， 并需要频繁地暂停 工作和继续工作 ， 即关枪暂停和开枪 打开喷枪 继续。除了具有一般商用高压清洗机的关枪卸荷 的功能外， 家用高压清洗机使用者希望该类产品 还具有关枪停机 电机停止运行 和开枪开机 电 机启动 的功能， 以节约水电和保护清洗机不受 损坏。 2 传统高压清洗机调压卸荷阀的设计 高压清洗机具有在额定压力范围内的调压功 2 0 1 3年第 4 1 卷第5期 流体机械 4 9 能。其调压功能的实现方式有二种 ， 一是设置调 压阀， 二是使用可调压喷头； 另外， 高压清洗机在 使用过程中常常需要临时关闭喷枪暂停喷射清洗 操作 ， 喷枪关闭时泵内的水压力急剧上升 ， 必须进 行溢流卸荷⋯ 。高压 清洗机采 用 的调压 卸荷装 置如图 1 所示 ， 其工作原理如下 高压清洗机打开喷枪正常工作时 ， 泵 出水 口 的高压水通 过高压水人 口进入调压 卸荷 阀的阀 腔 ， 在出水 口处高压水顶开单向阀流人喷枪管路 ， 其 清洗压力是 通过调节 弹簧压缩 量实 现 ] 。此 时活塞在阀腔压力， 弹簧力， 液动力的作用下平 衡 。当喷枪突然关闭时， 由于管道内发生水击 ， 水 击产生的压力增量使阀腔压力升高 ， 由于阀腔压 力升高 ， 推动活塞向上运动 ， 锥面单向阀头上移 ， 溢流 口完全打开 ， 泵 出水 口的高压水 全部进入泵 的溢流卸 荷 腔 ， 达到 卸荷 目的 J 。 当打 开 喷枪 时， 阀腔内水击产生的压力增量消失， 弹簧推动活 塞向下运动， 溢流 口瞬时关闭， 泵内压力迅速建 立 ， 推动单向阀打开泵的出水 口使 阀腔 的压力迅 速恢复到清洗压力。 图 1 调压卸荷 阀结构 虽然 ， 调压卸荷 阀能够实现调压和卸荷的功 能 ， 但存在如下缺点 一是不能即时调压 ， 需要事 先调压 ， 并要配换相应孔径的喷头 ， 而家用清洗机 清洗过程 ， 应根据清洗对象和清洗部位的耐打击 程度、 污物粘着力， 以及清洗进程阶段 如高压打 击粗洗、 最终喷淋 不同， 要求即时调整压力， 方 便操作 ； 二是关枪卸荷后清洗机还处于运转状态 ， 不但浪费能源， 增加使用成本 ， 而且关枪后机器继 续运行 ， 泵 内的水快速循环 ， 温度会很快升高 ， 加 快泵内密封件的老化和磨损， 从而大大缩短清洗 机产品的使用寿命 。使用一 台压力 7 b a r 、 流 量 5 L ／m in的家用清洗机对一辆脏污程度中等的 普通轿车进行实际清洗实验， 实验结果是， 整个清 洗过程用 时 1 8 mi n ， 用 水量 2 0 L左 右 ， 停机 时 间 1 3 m i n 左右， 占总耗时的7 0 ％以上， 停机的时间主 要用在改变清洗位置、 擦洗车身等， 可见， 关枪停 机功能对家用清洗机至关重要 。 3新型开关枪压力阀设计 目前 国内外市场上的清洗机种类很多 ， 但是 普遍采用的是关枪不停机结构。但作为一种新的 家用电器的家用高压清洗机， 必须满足市场期望， 具备关枪停机功能。针对现有调压卸荷阀存在的 不足 ， 笔者开发了一种具有关枪停机 、 开枪开机功 能的开关枪压力 阀。该阀采用 内置于泵头 内部 ， 与可调压喷头配合， 实现即时调压、 关枪卸荷和停 机、 开枪开机的功能。 3 ． 1 关停机压 力阀工作原理 家用高压清洗机开关枪压力阀的结构如图 2 所示 ， 主要 由微动开关 、 推杆、 活塞杆、 活塞、 保压 阀芯等组成。 锄 一 泵 出水 孔活 塞进水 孔 图2 微动开关及溢流保压装置 开枪进行清洗时 ， 高压水通过高压泵 出水 口 处进入阀腔 ， 再经过活塞上进水孔推开保压阀， 再 经 出水接头实现出水 喷洗。当喷枪关闭时 ， 高压 管 内的水压急剧上升 ， 高压水推动活塞压缩弹簧 左移， 使活塞杆跟着左移， 推动推杆关闭微动开 关 ， 切断电源 ， 使 电机关 闭停机 。同时， 活塞杆左 移 ， 打开了活塞杆与活塞左端 内孔单向阀 ， 泵 内压 力通过小孔释放 ， 整机卸荷。与此 同时， 出水接头 处高压水也克服保压阀内的弹簧顶开钢珠， 开启 单向阀， 让高压水流入阀腔至进水口， 实现溢流的 作用。当出水 口压力降低到保压压力 一般在 FLUI D MACHI NERY Vo 1 ． 41， No ． 5， 2 01 3 2 ． 5～ 3 MP a 时 ， 弹簧恢复关闭单 向阀， 溢流停止 ， 水压保持设定 的保压压力 ， 系统处于保压状态 ， 保 证微动开关处于关闭状 态， 电机保持停机 。当再 次开枪时 ， 出水 口压力释放掉 ， 微动开关开启 ， 电 机重新启动 ， 清洗机又继续工作。 3 ． 2 设计计算 3 ． 2 ． 1 活塞弹簧设计计算 选择一款家用高压清洗机作为实例进行设计 计算。设计参数如下 额定工作压力 P 7 M P a ， 保压压力P 。 2 ． 5 M P a ， 活塞直径 D1 6 m m， 活塞 杆直径 d4 m m。如图 3所示。 一 F, F 图 3关 停 机 压 力 阀 活 塞 柱塞弹簧受到的压缩力 F F l一 一F 3P 1 A 1一P 2 A 2一F 3 1 式中P ， 、 P 活塞右端和左端阀腔内的液体 压力 ， P a F 、 F 活塞右端面和左端 面受到 的 液压作用力 ， N 推杆弹簧的压缩推力 ， N A 、 A 活塞右 端面 和左 端面有 效受 压 面积 ， m 由图 3看 出 A 1 D ／ 4 2 A 2,r r D ／ 4一面 d ／ 4 3 1 清洗机工作时的活塞运动规律 清洗机正常工作时 ， 阀腔 内部压力等于额定 工作压力 ， 且活塞左右腔 内的压力相等 ， 即 P 。 P P。柱塞弹簧所受 的压缩力此时得到平衡 ， 即 F 0。根据式 1 和式 2 、 3 ， 得 F 3p l Al 一．p 2 A 2p A1 一A 2 p 4 推杆弹簧根据推杆弹簧的压缩力设计计算 ， 一 般情况要考虑 F ≥P ， 保证清洗机在正 常运行 中活塞处于平衡状态 ， 微动开关不会动作。 2 活塞弹簧设计计算 喷枪关闭时， 喷枪管内压力瞬时增加， 活塞右 端工作腔受压力冲击 ， 活塞压缩弹簧左移 ， 泵卸荷 后压力阀内得到压力平衡 ， 活塞右端压力 P 减至 保压压力P 0 ． 即P l P 。 2 ． 5 M P a ， 而此时活塞左 端的压力 P 已卸荷至泵的人 口压力 ， P 0， 此 时． 柱塞弹簧受到的压缩力 F F I F 3p l AP 一4 1 4 N 弹簧材料选择铬硅合金弹簧钢丝， 查相关手 册得 知 弹 簧 的 许 用 切 应 力 【 】 0 ． 5 0 - 9 5 0 MP a， 弹簧剪切 弹性模数 G 7 8 0 0 0 MP a ， 选 取弹簧指数 C 4 ． 8 ， 则曲度系数 K1 ． 3 3 。 根据弹簧直径计算公式 l 9 ] d 。 - 1 _ 6√ 2 ． 6 m m ， d o _ 2 ．5 m m 0 根据公式 c 丁I -I 2 ，得弹簧中经 D C d 。 U 0 1 2mm 。 根据微动压力开关打开所需要 的位移量 ， 确 定弹簧压缩量 A 8 m m， 则弹簧刚度为 k 5 1 ． 7 5 N ／ m m 弹簧有效圈数计算 n 4 ． 2 6圈 - -4 ‘ ． 5圈 肋 l 鲞 1 圄 取弹簧节距 t 5 m m， 总圈数 n 6圈 。 3 ． 2 ． 2 保压阀芯的弹簧设计 保压阀芯结构如图 4所示。清洗机处于停机 保压状态时 ， 保压阀芯内的阀芯弹簧必须克服保 压压力 P 。， 推动阀芯钢球右移 ， 关闭单 向阀 ， 保持 活塞右腔最低保压压力 ， 此时 ， P P 。2 ． 5 MP a 图 4保压阀芯 弹簧最大压缩力 F≥p 。 5 式中P 。 弹簧保压压力 ，MP a d 单 向阀孔径 ， mm， 设 d 。3 mm 计算结果为 F≥1 7 ． 6 6 N， 取 F 2 0 N。 选用弹簧材料为 1 C r l 8 N i9 ，[ 】 4 2 0 M P a ， G 7 1 0 0 0 MP a ， 选取弹性指数 C 5 ， 则 曲度系数 K1 ． 2 0 。经计算 计算过程省略 后得到 2 0 1 3年第 4 1 卷第 5期 流体机械 5 l 阀芯弹簧钢丝直径 d 0 ． 9 m m； 弹簧中经 D 4 ． 5 m m； 有效圈数 n 2 7 ； 弹簧节距 ￡ 2 m m。 3 ． 3 样机试验及 结果分析 根据上述设计结果制造的高压清洗机进行样 机试验 ， 试验分常规开关枪 耐久试验 和快速开关 枪功能试验。 1 常规开关枪耐久试验。试验方案 工作 压力 7 MP a ， 流量 5 L ／ m i n ， 采用开 1 m i n ， 关 0 ． 5 m i n 的开关枪循环工作试验， 持续时间为 9 6 h 。试验 地点为某公司清洗机耐久试验室， 试验设备为专 门设计的清洗机试验 台， 如图 5所示。 图5 清洗机试验台系统 试验时， 喷枪 固定 ， 利用液压缸控制喷枪扳机 的开关枪动作 。根 据事先设定 的试验方案 ， 自动 完成开关枪循环试验 ， 并记录试验数据。试验结 果如表 l 。 表 1 样机压力试验记 录 MP a 样机 工作压力 保压压力 最大峰值压力 1 6 ． 9 6～7 ． 0 6 2 ． 5 3～2 ． 5 8 8 ． 2 6 2 7 ． 1 0 ～7 ． 1 5 2 ． 5 52 ． 6 o 8 ． 3 l 2 快速开关枪功能试验。为测试开关枪压 力阀工作 的灵敏度和可靠性 ， 对其 中一台样 机进 行快速开停机循环试验 ， 试验方案是开机 3 s 、 停 机 3 s ， 持续 5 mi n 。试验结果如图 6所示。 一 9． 0 喜 4． 5 幽 0． 0 3． 5 7． O 时 间 s 结果基本一致， 建立的设计计算模型可行； 2 开 关枪压力阀的工作机理正确， 结构设计基本合理， 经过了9 6 h的耐久运行考验； 3 保压稳定， 动作 灵敏， 从关机到保压， 动作时间在 0 ． 2 0 ． 3 s ， 从 开机到恢复工作压力 ， 动作时间约 0 ． 3 s ； 4 关枪 的瞬间 ， 由于喷枪内压力突然增加 ， 对泵及出口管 路形成压力 冲击 ， 其压力峰值是工作压力的 1 ． 1 ～ 1 ． 2倍 ， 在设计时加以考虑。 4结论 1 开关枪压力阀是家用清洗机实现使用功 能的关键装置， 通过设置在高压泵出口的开关枪 压力阀， 配以可调压喷枪喷头， 可以实现即时调 压、 关枪卸荷、 关枪停机、 开枪开机的功能； 2 本文所述的开关枪压力阀的工作机理、 结构设计 ， 建立 的开关枪压力 阀工作过程压力变 化的数学模型和推导出的柱塞弹簧、 阀芯弹簧的 设计计算方法等， 经过样机设计验证是可行有效 的 。 参考文献 [ 1 ] 薛胜雄． 小型高压清洗机的设计 [ J ] ． 流体工程， 1 9 9 2 ， 2 0 0 5 2 6 0 ． [ 2 ] 毛智勇， 刘宝权． 液压与气动传动[ M ] ． 北京 机械 工业出版社 ， 2 o l 1 ， 6 ． [ 3 ] 王公道． 三缸轴斜盘柱塞泵的设计与开发[ D] ． 南 京 南京理工大学， 2 0 0 8 ， 1 2 4 6 - 5 0 ． [ 4 ] 胡彬． 高压水射流清洗机油门控制系统研究 [ D ] ． 杭州 浙江大学 ， 2 0 0 7 ， 8 1 7 1 8 ． [ 5 ] 汪国正． 高压水射流清洗机 [ J ] ． 水利电力机械， l 9 舛 ， 2 3 8 3 9 ． [ 6 ] 熊建华 ， 李根生， 黄中伟 ， 等． 高压水射流深穿透射 孔试验研究[ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 5 8 一 l 1 ， 4 1 ． [ 7 ] 王永强， 韩彩红， 庞雷， 等． 大直径超高压旋转水射 装置的研制及工程应用 [ J ] ． 流体机械， 2 0 1 1 ， 3 9 1 0 4 8 - 5 0 ． [ 8 ] 孙斌， 许安俊． 高压止 回阀断裂失效分析[ J ] ． 压力 容器， 2 0 1 2 ， 2 9 1 6 7 2 ． [ 9 ] 濮 良贵． 机械设 计[ M] ． 北京 高等教育 出版社， 1 9 8 9， 8 ． 作者简介 金建华 1 9 6 4一 ， 男， 高级工程师， 主要研究方向 图6 开关枪压力曲线 为机械设计与制造 ，通讯地址 3 1 8 0 0 0浙江 台州 市 椒 江 经济开 从试验结 果可知 1 试验结果 与理论设 计 发区 学院 路7 8 8 号台州职业技术学院机电工程学院。