CN111795033B - 一种直动式溢流阀 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种直动式溢流阀，包括：阀体、中间体、阀盖、活塞、第一弹簧底座和调压弹簧；阀体包括阀体本体，以及阀体本体内部的阀体容腔；阀体本体包括底座和与底座一体连接的侧壁；底座具有与阀体容腔分别相通的进气口、出气口；中间体设置在侧壁上，中间体包括中间体本体，以及中间体本体内部的平衡室；阀盖与中间体本体相连，盖合在平衡室上；阀盖上具有限位环；活塞包括活塞顶部和活塞底部，活塞的内部中心具有反馈孔；活塞底部设置在阀体容腔内；活塞底部上具有进气通道；第一弹簧底座设置在活塞顶部上，且间隔一定间距位于限位环的下方；调压弹簧的底端抵接在第一弹簧底座上，顶端抵接于阀盖的下表面。

Description

一种直动式溢流阀

技术领域

本发明涉及溢流阀装置技术领域，尤其涉及一种直动式溢流阀。

背景技术

轨道交通车辆制动系统用溢流阀均为直动式溢流阀。直动式溢流阀的工作特点是当直动式溢流阀进气口的压缩空气产生的活塞推力大于调压弹簧的设定压力即初始弹簧力时，活塞离开阀座，阀口开启，出气口与进气口导通；当直动式溢流阀进气口的压缩空气产生的活塞推力小于调压弹簧的设定压力时，阀口关闭，出气口与进气口截止。

若直动式溢流阀进气口压力波动频繁，活塞会频繁开启、关闭，进而导致调压弹簧频繁动作并冲击活塞，影响调压弹簧和活塞的疲劳寿命；调压弹簧设定力(刚度)越大，对活塞损伤越严重。当直动式溢流阀串联在系统回路中时，除进气口压力波动影响外，出气口压力波动同样会导致活塞频繁开启关闭。限制调压弹簧动作，可减小活塞受到的冲击，延长直动式溢流阀整体寿命。

此外，直动式溢流阀的调压弹簧设定力(刚度)越大，调压偏差越大、稳定性越差、控制精度越低。因此，选用刚度小的调压弹簧，并限制调压弹簧动作可有效降低直动式溢流阀的调压偏差，提高稳定性和控制精度，并延长使用寿命。

发明内容

本发明的目的是针对现有技术所存在的缺陷，提供一种直动式溢流阀，通过活塞结构及平衡室的设计，减小了压缩气体作用于活塞的面积，实现了可以选用刚度较小的调压弹簧，以及调压弹簧与活塞的分离，达到了在保证直动式溢流阀灵敏度的前提下，降低直动式溢流阀的调压偏差，提高稳定性和控制精度，并延长使用寿命的目的。

为实现上述目的，本发明提供了一种直动式溢流阀，包括：所述直动式溢流阀用于制动系统中，包括：阀体、中间体、阀盖、活塞、第一弹簧底座和调压弹簧；

所述阀体包括阀体本体，以及阀体本体内部的阀体容腔；所述阀体本体包括底座和与底座一体连接的侧壁；所述底座具有与阀体容腔分别相通的进气口、出气口；

所述中间体设置在所述侧壁上，所述中间体包括中间体本体，以及中间体本体内部的平衡室；

所述阀盖与所述中间体本体相连，盖合在所述平衡室上；所述阀盖上具有限位环；

所述活塞为台阶环状，位于所述阀体本体的底座之上；所述活塞包括活塞顶部和活塞底部，所述活塞的内部中心具有反馈孔；所述活塞底部设置在所述阀体容腔内；所述活塞顶部的最大外径与所述平衡室的直径相匹配；所述活塞底部上具有进气通道，所述进气通道与所述进气口的位置相对应，所述反馈孔与所述出气口的位置相对应；所述活塞底部的外径大于所述活塞顶部的外径；

所述第一弹簧底座设置在所述活塞顶部上，且间隔一定间距位于所述限位环的下方；所述第一弹簧底座和所述活塞顶部之间构成所述平衡室；

所述调压弹簧的底端抵接在所述第一弹簧底座上，顶端抵接于所述阀盖的下表面。

优选的，在所述直动式溢流阀的一个开关周期内，所述制动系统的风源中的压缩空气通过进气口经进气通道进入所述阀体容腔，对所述活塞产生第一作用力；当所述第一作用力大于所述调压弹簧的初始弹簧力与所述活塞的重力之和时，所述活塞被所述压缩空气顶起，向所述阀盖方向移动，所述进气口与所述出气口之间的气路连通；所述出气口的压缩空气对活塞底部的底面产生第二作用力，同时，所述压缩空气经所述反馈孔进入所述平衡室，分别对所述活塞顶部的上表面产生第三作用力，对所述第一弹簧底座的下表面产生第四作用力；所述第三作用力与所述第一作用力、第二作用力以及第四作用力的方向相反；所述第四作用力将所述第一弹簧底座顶起，与所述限位环相接；当所述阀体容腔与所述平衡室的压力平衡时，所述活塞回落至所述阀体本体的底座。

优选的，所述底座的侧面具有呼吸器安装口，所述出气口的顶端具有阀座；所述侧壁上具有与所述呼吸器安装口轴向垂直且相通的阀体呼吸通道；

所述阀盖还具有阀盖呼吸通道，所述阀盖呼吸通道与所述阀体呼吸通道的轴向垂直并连通。

进一步优选的，所述直动式溢流阀还包括呼吸器，所述呼吸器设置在所述呼吸器安装口外，使得所述中间体与阀盖之间的盖内空间的气压与大气压平衡。

进一步优选的，所述直动式溢流阀还包括滤网，所述滤网设置在所述阀体呼吸通道内。

进一步优选的，所述中间体本体还具有平行轴向方向设置的中间体呼吸通道；所述中间体呼吸通道对准所述阀体呼吸通道设置。

优选的，所述活塞顶部的外侧套设有活塞密封圈；所述中间体本体的内壁设置有中间体密封圈；所述活塞密封圈和所述中间体密封圈配合，用以所述平衡室的密封。

优选的，所述阀盖还包括调节螺栓和第二弹簧底座，所述调节螺栓的一端穿过所述阀盖的顶部与所述第二弹簧底座的上表面抵接，所述第二弹簧底座的下表面与所述调压弹簧的顶端相抵接；通过所述调节螺栓调整所述第二弹簧底座与所述第一弹簧底座之间的距离，从而调整调压弹簧的初始弹簧力。

本发明实施例提供的直动式溢流阀，通过活塞结构及平衡室的设计，减小了压缩气体作用于活塞的面积，实现了在直动式溢流阀中可以选用刚度较小的调压弹簧，同时，实现了调压弹簧与活塞的分离，达到了在保证直动式溢流阀灵敏度的前提下，降低了直动式溢流阀的调压偏差，提高了稳定性和控制精度。由于调压弹簧的初始弹簧力减小，活塞的受力减小，降低了活塞受力变形的风险，延长了直动式溢流阀的使用寿命。

附图说明

图1为本发明实施例提供的直动式溢流阀的剖视图；

图2为本发明实施例提供的阀体的结构示意图；

图3为本发明实施例提供的直动式溢流阀在制动系统中的气路图；

图4为本发明实施例提供的中间体的结构示意图；

图5为本发明实施例提供的活塞的结构示意图；

图6为本发明实施例提供的活塞的剖视图；

图7为本发明实施例提供的直动式溢流阀的剖视孔径结构示意图。

具体实施方式

下面通过附图和实施例，对本发明的技术方案做进一步的详细描述。

本发明实施例提供的直动式溢流阀，可以用于轨道交通车辆制动系统中，维持制动系统的正常运行，对制动系统起安全保护作用。需要说明的是，本发明实施例的直动式溢流阀的压缩气体是由制动系统的风源输入的。

图1为本发明实施例提供的直动式溢流阀的剖视图，如图1所示，一种直动式溢流阀包括：阀体1、中间体2、阀盖3、活塞4、第一弹簧底座5和调压弹簧6。

图2为本发明实施例提供的阀体的结构示意图。结合图1和图2所示，阀体1包括阀体本体11和阀体容腔12。阀体容腔12设置在阀体本体11的内部，是压缩气体在阀体本体11内的主要容置区域。

阀体本体11包括底座111以及与底座111一体连接的侧壁112。

底座111是阀体1内气体输送和交换的主要结构，底座111上具有进气口1111、出气口1112和呼吸器安装口1113。其中，进气口1111、出气口1112分别与阀体容腔12相通，呼吸器安装口1113具体设置在底座111的侧面，在一个具体的例子中，呼吸器安装口1113外设置有呼吸器7，呼吸器7与大气相通。

进气口1111是压缩空气输入阀体1内的入口。

出气口1112是阀体1内气体的溢出口。

当直动式溢流阀安装在制动系统末端使用时，出气口1112与大气相通，将制动系统中超出设定压力的压缩空气排至大气中，以维持制动系统工作压力的稳定，对制动系统起安全保护作用；

当直动式溢流阀并联在制动系统中使用时，如图3所示，出气口1112接空气弹簧200时，在直动式溢流阀进气口1111压力不足时保证制动模块100的优先用风需求，图3所示为直动式溢流阀在制动系统中的气路图。

再如图1、图2所示，在一个具体的实施例中，出气口1112的顶端具有与底座111一体成型的圆弧凸起即阀座113。

为方便直动式溢流阀的安装，底座111上还具有安装孔1114。具体可以采用螺栓固定方式，通过安装孔1114将直动式溢流阀进行固定。

阀体本体11的侧壁112上具有阀体呼吸通道1121。阀体呼吸通道1121与呼吸器安装口1113轴向垂直且相通。为防止呼吸器7吸入的灰尘等杂质进入阀体1内，对直动式溢流阀造成机械损害，在阀体呼吸通道1121内还设置有滤网(图中未示出)。

中间体2设置在侧壁112上，图4为本发明实施例提供的中间体的结构示意图，结合图4所示，中间体2包括中间体本体21，以及中间体本体21内部的平衡室22。

为提高直动式溢流阀的防水防尘性能，中间体本体21上具有平行轴向方向设置的中间体呼吸通道211。中间体呼吸通道211对准阀体呼吸通道1121设置。

在一个优选的例子中，中间体本体21的内壁还设置有中间体密封圈212。

阀盖3与中间体本体21相连，盖合在平衡室22上，阀盖3与中间体2之间，构成直动式溢流阀的盖内空间10。其中，盖内空间10的气压通过呼吸器7实现与大气压的平衡。

阀盖3上具有限位环31，限位环31具体为阀盖3内壁一凸起结构，主要用来限制第一弹簧底座5向阀盖3方向移动的距离，从而限制调压弹簧6的位移。

在一个优选的实施例中，阀盖3还具有阀盖呼吸通道32，阀盖呼吸通道32与中间体呼吸通道211的轴向垂直并连通。并且，阀体呼吸通道1121、中间体呼吸通道211、阀盖呼吸通道32通过呼吸器7与大气相通，形成直动式溢流阀迷宫式的呼吸结构。

在一个可选的实施例中，阀盖3还包括调节螺栓33和第二弹簧底座34，调节螺栓33的一端穿过阀盖3的顶部与第二弹簧底座34的上表面抵接，第二弹簧底座34的下表面与调压弹簧6相抵接；通过调节螺栓33调整第二弹簧底座34与第一弹簧底座5之间的距离，从而调整调压弹簧6的初始弹簧力。

直动式溢流阀主要依靠活塞4在阀体本体11内的运动，实现气压的调节。活塞4设置在阀体容腔12内，并位于阀体本体11的底座111之上。活塞4为台阶环状。图5为本发明实施例提供的活塞的结构示意图；图6为本发明实施例提供的活塞的剖视图。进一步结合图5和图6所示，活塞4包括活塞顶部41和活塞底部42。

活塞底部42的外径大于活塞顶部41的外径。活塞底部42上具有进气通道421，用于导通阀体容腔12被活塞底部42隔开的区域和进气口1111之间的气路，使得压缩气体从进气口1111输送到活塞底部42的上方，直接作用于环状的活塞顶部41的下表面，从而有效的减小了压缩气体对活塞4的作用面积。相比于常规活塞结构压缩气体直接作用于活塞底部42下表面来说，在压缩气体压力相同的条件下，减小了压缩气体产生的活塞推力，因而本发明的直动式溢流阀需要的调压弹簧6的设定压力即初始弹簧力减小，即在本发明的直动式溢流阀中可以选用更小刚度的调压弹簧6。

直动式溢流阀的流量大小与活塞4的最大直径正相关，需要说明的是本发明实施例提供的直动式溢流阀，虽然压缩气体对活塞4的作用面积减小，但是，活塞4的最大直径没变小，因此，本发明的直动式溢流阀可以满足制动系统中大流量的要求。同时，本发明仍保持了直动式溢流阀的一级结构，选用刚度小的调压弹簧6，可以提高响应速度。

活塞4的内部中心具有反馈孔43。为方便压缩气体的输入和输出，进气通道421与进气口1111的位置相对应，反馈孔43与出气口1112的位置相对应。在一个具体的实施例中，进气通道421对称分布。在另一个具体的实施例中，活塞底部42的侧面具有导向带安装槽422，导向带安装槽422内设置有导向带423，导向带423可以引导活塞4的运动方向。进一步的，活塞底部42的底面还设置有硫化橡胶堆424，硫化橡胶堆424与阀座113配合，可以控制直动式溢流阀阀口的开启和关闭。

在一个具体的实施例中，活塞顶部41的外侧套设有活塞密封圈安装槽411，活塞密封圈安装槽411内设置有活塞密封圈412，活塞密封圈412与中间体密封圈212配合，对平衡室22进行密封。

在一个优选的实施例中，活塞顶部41还具有活塞支撑座413，活塞支撑座413上具有通气孔414。

再如图1所示，第一弹簧底座5套设在活塞顶部41的活塞支撑座413上，且间隔一定间距位于限位环31的下方。第一弹簧底座5和所述活塞顶部41之间构成平衡室22；平衡室22中的气体可以通过通气孔414输入输出。

调压弹簧6是直动式溢流阀压力控制的核心部件。调压弹簧6的刚度直接决定了直动式溢流阀的控制精度，调压弹簧6的刚度越小，调压偏差越小，直动式溢流阀的控制精度越高，即进气口1111的压力波动较小时，直动式溢流阀也能通过调压弹簧6的伸缩量的变化体现出来。

再结合图1所示，调压弹簧6的底端61抵接在第一弹簧底座5上，顶端62抵接于阀盖3下方的第二弹簧底座34的下表面，随着第一弹簧底座5的升起和回落而压缩和伸长。通过限位环31对第一弹簧底座5进行限位，避免调压弹簧6因疲劳造成的使用寿命短的问题。

同时，由于本发明的直动式溢流阀可以选用刚度小的调压弹簧6，使得调压弹簧6的初始弹簧力减小，活塞4的受力减小，降低了活塞4的受力变形的风险，延长直动式溢流阀的使用寿命。

以上对直动式溢流阀的各个主要组成部件及其连接关系进行了说明，下面介绍该直动式溢流阀的工作原理。

在直动式溢流阀的一个开关周期内，制动系统的风源中的压缩空气通过进气口1111经进气通道421进入阀体容腔12，对活塞4产生第一作用力；当第一作用力大于调压弹簧6的初始弹簧力与活塞4的重力之和时，活塞4被压缩空气顶起，向阀盖3方向移动，进气口1111与出气口1112之间的气路连通；出气口1112的压缩空气对活塞底部42的底面产生第二作用力，同时，压缩空气经反馈孔43进入平衡室22，分别对活塞顶部41的上表面产生第三作用力，对第一弹簧底座5的下表面产生第四作用力；第三作用力与第一作用力、第二作用力以及第四作用力的方向相反；第四作用力将第一弹簧底座5顶起，直至与限位环31相接；当阀体容腔12与平衡室22的压力平衡时，活塞4在自身重力的作用下，回落至阀体本体11的底座111，进气口1111与出气口1112之间的气路被切断，直动式溢流阀的阀口关闭，这样，直动式溢流阀的开启压力与关闭压力一致，即启闭压差为0，可以防止气体回流。

以上介绍了直动式溢流阀的工作原理，下面以一个具体的实例，对本发明的直动式溢流阀的工作原理的具体推导过程进一步举例说明。需要说明的是，在此推导过程中，假设进气通道的直径忽略不计，活塞重力为G，调压弹簧的初始弹簧力为f,结合图7所示，出气口的直径为d₁，活塞底部的横截面最大直径为d₂，活塞顶部的横截面的最大直径为d₃，活塞顶部与活塞底部的相接处的横截面直径为d₄，第一弹簧底座构成平衡室的部分的横截面的直径为d₅。

当直动式溢流阀的阀口关闭时，出气口的压力为0。进气口的压缩气体对活塞产生的推力的有效作用面积为S。

S＝π/4[(d₂ ²-d₁ ²)+(d₃ ²-d₄ ²)-(d₂ ²-d₄ ²)]＝π/4(d₃ ²-d₁ ²) (式1)

当进气口的气体压力达到P₁时，压缩气体对活塞产生的第一作用力为F₁，即F₁＝P₁*π/4(d₃ ²-d₁ ²) (式2)

当F₁＞f+G时，进气口与出气口之间的气路连通，出气口的压缩气体对活塞底部的底面产生第二作用力，同时压缩气体通过反馈孔进入平衡室，平衡室中的压缩气体对活塞顶部的上表面产生第三作用力F₃，同时对第一弹簧底座的下表面产生第四作用力F₄。

其中，F₃-F₂＝P₁*π/4(d₃ ²-d₁ ²)＝F₁ (式3)

即平衡室压缩气体对活塞产生的第三作用力和出气口的压缩气体对活塞底部的底面产生的第二作用力的合力与进气口的压缩气体对活塞产生的第一作用力相抵消，此时，阀体容腔与平衡室的压力平衡，活塞由于重力G的作用回落至阀座，阀口关闭。

F₄＝P₁*π/4*d₅ ² (式4)

通过设置d₁、d₃、d₅的大小，使得F₄＞F₁时，第一弹簧底座被顶起，与限位环相接。

当进气口P₁减小时，阀口始终处于闭合状态，对调压弹簧无影响。当进气口P₁增大时，阀口再次开启，由于第一弹簧底座已经到达限位环的位置，因此，在第一弹簧座上增加的压力只对限位环增加，对调压弹簧无影响；当出气口压力减小时，F₄减小，由于进气口压力F₁没变化，因此F₄依然大于调压弹簧到达限位环位置的弹簧力，调压弹簧不动作，但是F₃-F₂小于F₁，阀口打开，直至平衡。即避免了调压弹簧频繁伸缩引起的疲劳问题，提高了直动式溢流阀的使用寿命。

本发明实施例提供的直动式溢流阀，通过活塞结构及平衡室的设计，减小了压缩气体作用于活塞的面积，实现了在直动式溢流阀中可以选用刚度较小的调压弹簧，同时，实现了调压弹簧与活塞的分离，达到了在保证直动式溢流阀灵敏度的前提下，降低了直动式溢流阀的调压偏差，提高了稳定性和控制精度。由于调压弹簧的初始弹簧力减小，活塞的受力减小，降低了活塞受力变形的风险，延长了直动式溢流阀的使用寿命。而且，迷宫式的呼吸结构的设计，提高了直动式溢流阀的防水防尘性能。

以上所述的具体实施方式，对本发明的目的、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施方式而已，并不用于限定本发明的保护范围，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (8)

1.一种直动式溢流阀，其特征在于，所述直动式溢流阀用于制动系统中，包括：阀体、中间体、阀盖、活塞、第一弹簧底座和调压弹簧；

所述阀体包括阀体本体，以及阀体本体内部的阀体容腔；所述阀体本体包括底座和与底座一体连接的侧壁；所述底座具有与阀体容腔分别相通的进气口、出气口；

所述中间体设置在所述侧壁上，所述中间体包括中间体本体，以及中间体本体内部的平衡室；

所述阀盖与所述中间体本体相连，盖合在所述平衡室上；所述阀盖上具有限位环；

所述活塞为台阶环状，位于所述阀体本体的底座之上；所述活塞包括活塞顶部和活塞底部，所述活塞的内部中心具有反馈孔；所述活塞底部设置在所述阀体容腔内；所述活塞顶部的最大外径与所述平衡室的直径相匹配；所述活塞底部上具有进气通道，所述进气通道与所述进气口的位置相对应，所述反馈孔与所述出气口的位置相对应；所述活塞底部的外径大于所述活塞顶部的外径；

所述第一弹簧底座设置在所述活塞顶部上，且间隔一定间距位于所述限位环的下方；所述第一弹簧底座和所述活塞顶部之间构成所述平衡室；

所述调压弹簧的底端抵接在所述第一弹簧底座上，顶端抵接于所述阀盖的下表面。

2.根据权利要求1所述的直动式溢流阀，其特征在于，在所述直动式溢流阀的一个开关周期内，所述制动系统的风源中的压缩空气通过进气口经进气通道进入所述阀体容腔，对所述活塞产生第一作用力；当所述第一作用力大于所述调压弹簧的初始弹簧力与所述活塞的重力之和时，所述活塞被所述压缩空气顶起，向所述阀盖方向移动，所述进气口与所述出气口之间的气路连通；所述出气口的压缩空气对活塞底部的底面产生第二作用力，同时，所述压缩空气经所述反馈孔进入所述平衡室，分别对所述活塞顶部的上表面产生第三作用力，对所述第一弹簧底座的下表面产生第四作用力；所述第三作用力与所述第一作用力、第二作用力以及第四作用力的方向相反；所述第四作用力将所述第一弹簧底座顶起，与所述限位环相接；当所述阀体容腔与所述平衡室的压力平衡时，所述活塞回落至所述阀体本体的底座。

3.根据权利要求1所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述底座的侧面具有呼吸器安装口，所述出气口的顶端具有阀座；所述侧壁上具有与所述呼吸器安装口轴向垂直且相通的阀体呼吸通道；

所述阀盖还具有阀盖呼吸通道，所述阀盖呼吸通道与所述阀体呼吸通道的轴向垂直并连通。

4.根据权利要求3所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述直动式溢流阀还包括呼吸器，所述呼吸器设置在所述呼吸器安装口外，使得所述中间体与阀盖之间的盖内空间的气压与大气压平衡。

5.根据权利要求3所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述直动式溢流阀还包括滤网，所述滤网设置在所述阀体呼吸通道内。

6.根据权利要求3所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述中间体本体还具有平行轴向方向设置的中间体呼吸通道；所述中间体呼吸通道对准所述阀体呼吸通道设置。

7.根据权利要求1所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述活塞顶部的外侧套设有活塞密封圈；所述中间体本体的内壁设置有中间体密封圈；所述活塞密封圈和所述中间体密封圈配合，用以所述平衡室的密封。

8.根据权利要求1所述的直动式溢流阀，其特征在于，所述阀盖还包括调节螺栓和第二弹簧底座，所述调节螺栓的一端穿过所述阀盖的顶部与所述第二弹簧底座的上表面抵接，所述第二弹簧底座的下表面与所述调压弹簧的顶端相抵接；通过所述调节螺栓调整所述第二弹簧底座与所述第一弹簧底座之间的距离，从而调整调压弹簧的初始弹簧力。

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