面向汽車零部件生產企業水循環系統的水力排污閥設計研究

摘要：面向汽車零部件生產企業水循環系統，按照水力驅動自清洗過濾器和水力控制閥的工作原理，確定了水力排污閥的設計目標，以水流經各種結構產生壓差為依據，實施了水力排污閥壓差計算，利用設計軟件UG NX8.0進行了結構設計，明確了閥體及零部件材料及參數的選用，研發了一種由水力控制閥控制的水力排污閥，滿足了全自動自清洗過濾器的工作需求。

Abstract： Facing to the water cycle system of automobile parts manufacturing enterprises，combined with the working principle of the hydraulic driven self-cleaning filter and the hydraulic control valve， the design objective and the design principle of the hydraulic drain valve are determined. Based on the principle of pressure loss caused by the water flow， the design software UG is used NX8.0， a kind of hydraulic drain valve controlled by the hydraulic control valve is developed， and met the working requirements of the filter， with the advantages of reasonable structure and simple assembly.

關鍵詞：汽車零部件;全自動自清洗過濾器;水力控制閥;水力排污閥

Key words： automobile parts;automatic self-cleaning filter;hydraulic control valve;hydraulic drain valve

0 ?引言

為了節約水資源，水循環系統是汽車零部件生產企業中的重要組成部分，自清洗過濾器是水循環系統保證水質安全的重要設備[1-2]。自清洗過濾器在動力源方向的設計研究重點主要包含電機驅動和液壓驅動兩種。電機驅動的全自動自清洗過濾器研究比較早，技術相對較成熟;液壓驅動的全自動自清洗過濾器研究時間不長，關鍵技術處于發展階段。由于液壓驅動全自動自清洗過濾器的工作原理和方式不同，采用控制方式也不同，市面很難找到配套的控制閥，因此液壓驅動全自動自清洗過濾器的關鍵技術主要包含自清洗過濾器的工作原理、液壓驅動控制閥和液壓驅動排污閥等關鍵技術[3-6]。本文以水力驅動為動力源，結合水力驅動自清洗過濾器和水力控制閥的工作原理，設計了一種與水力控制閥配套使用的水力排污閥。

1 ?水力排污閥的設計目標

水力驅動自清洗過濾器是一種吸污式利用濾網內外壓差控制水力控制閥和水力排污閥接通和斷開的全自動自清洗過濾器。水力驅動自清洗過濾器和水力控制閥的工作原理：當濾網內外壓差小于設定值時，水力控制閥斷開，自清洗過濾器實施過濾功能;當濾網內外壓差大于設定值時，水力控制閥在壓差的作用下接通，水力排污閥接通空氣，自清洗過濾器實施過濾、吸污和排污功能[5-6]。本文設計的水力排污閥是利用水力壓差推動閥芯移動排污閥口打開將污水排出的水力閥。

2 ?水力排污閥壓差計算

水在流動過程中會產生一定的壓差，壓差的大小主要與水的流速和粘度、管道的長短和直徑、管道的變化結構有關，主要包含等徑直管壓差、變化結構壓差、閥進出口壓差、小孔兩端壓差、平板間隙壓差和環形間隙壓差等[7-10]。結合結構的不同，產生的系統總壓差為對應各項結構壓差之和，各項壓差和系統總壓差具體計算公式如下。

2.1 等徑直管壓差

等徑直管壓差是指當流體流動的過程中會在等徑直管中產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與直管的總長度、流體的密度與流速和管對流體產生的阻力系數有關。

其中a為等徑直管阻力系數，L為等徑直管的總長度，ρ為水的密度，v為水的流速，D為直管內徑。

2.2 變化結構壓差

變化結構壓差是指當流體經過變化結構的導流管時會產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與變化結構導流管的變化結構阻力系數、流體的密度與流速有關。

其中b為變化結構阻力系數，ρ為水密度，v為水的流速。

2.3 閥進出口壓差

閥進出口壓差是指當流體經過閥時在閥的進水口和出水口之間產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與額定流量產生的壓差、實際流量和額定流量有關。

其中ΔP閥為閥進出口兩端的壓差，ΔP額流為閥在額定流量下產生的壓差，Q實為閥的實際流量，Q額為閥的額定流量。

2.4 小孔兩端壓差

小孔兩端壓差是指當流體經過小孔時在小孔兩端之間產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與小孔長徑比系數、實際流量、孔的面積形狀與尺寸有關。

其中ΔP小孔為小孔兩端壓差，c為與小孔長徑比相關的系數，Q小孔為小孔的實際流量，H為與孔的形狀和尺寸相關的系數，S為小孔的面積。

2.5 平板間隙壓差

平板間隙壓差是指當流體經過平板間隙時在平板間隙兩端之間產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與間隙流量，平板相對速度，間隙的寬度、高度和長度等有關。

其中ΔP平為平板間隙兩端的壓力差，Q平為通過間隙的流量，v平為平板之間的相對速度，a為間隙的寬度，b為間隙的高度，c為間隙的長度，μ為水的動力粘度。

2.6 環形間隙壓差

環形間隙壓差是指當流體經過環形間隙時在環形間隙兩端之間產生一定的壓力損失并形成壓差，產生的壓差與環形間隙流量、孔的直徑、流體的動力粘度等有關。

其中ΔP環為環狀間隙兩端的壓力差，Q環為通過環狀間隙的流量，υ環為軸孔之間的相對速度，D為孔的直徑，ΔR為軸孔同心時間隙的高度，χ為偏心率，μ為水的動力粘度。

2.7 系統總壓差

系統的總壓差應為上述6種壓差之和，其中當沒有相關的結構時，相對應的壓差為0。

3 ?水力排污閥的設計

3.1 水力排污閥的結構設計

水力排污閥主要利用UG NX8.0進行結構設計，結構設計如圖1所示，主要由調節螺栓、復位彈簧、閥芯、主閥體、污水進水孔、污水出水孔、水力控制閥進水孔和水力控制閥出水孔等零部件組成。

3.2 水力排污閥的工作原理

結合設計的水力排污閥，水力排污閥的工作原理：當水力控制閥斷開時，水力控制閥進水孔沒有高壓水流過，閥芯靜止，水力排污閥處于斷開狀態;當水力控制閥接通時，高壓水經過水力控制閥進水孔、閥芯上的小孔和水力控制閥出水孔等流入大氣，由于高壓水經過水力控制閥、閥芯上的小孔和管道存在壓力損失產生壓差，閥芯在壓差的作用下沿閥芯軸線向右移動，污水進水孔和污水出水孔接通，將濾網內的污水排出至污水池;當水力控制閥斷開時，高壓水斷流，閥芯在復位彈簧的作用下復位，水力排污閥斷開，污水進水孔和污水出水孔斷開，自清洗過濾器停止排污。

3.3 水力排污閥零部件與材料的選用

水力排污閥材料的選用主要包含閥體和閥內件等零部件材料的選用。結合水力排污閥的工作環境和要求，常選用不銹鋼等鋼制材料，毛坯可選用鍛件或型材。水力排污閥的閥內件主要由閥芯和復位彈簧等組成。閥芯可采用不銹鋼、鋁材或青銅等材料。復位彈簧可選用不銹鋼和彈簧鋼等材料制成的壓簧，具體尺寸根據壓差的需要選用。

4 ?結論

面向汽車零部件生產企業水循環系統，結合水力驅動自清洗過濾器的工作原理，以水流動過程中會產生壓差，設計了一種利用壓差為動力源的水力排污閥。通過水力控制閥控制水力排污閥的接通和斷開，將全自動自清洗過濾器內的污水經過水力排污閥的排入污水蓄水池，有效的實現了全自動自清洗過濾器過濾、自動吸污和排污功能，滿足了過濾器的工作需求，具有結構合理和裝配簡單等優點，它可廣泛適用于鋼鐵生產、汽車零部件生產、化工和熱電廠等領域。

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