一种按压式高压阀门及开阀方法与流程

本发明涉及高压阀门技术领域，尤其涉及一种按压式高压阀门及开阀方法。

背景技术：

高压阀门广泛应用于超硬材料制造、化学工业、石油化工、超高静压挤压、金属成型等领域。可用于控制空气、水、蒸汽、泥浆、油品和液态金属等各种类型流体的流动。根据具体用途、结构不同，有高压球阀、高压截止阀、减压阀等。根据操作方式，还可以分为按压式和旋转式两种。旋转式阀门由于使用方便，可靠性高，被广泛使用。而按压式阀门的使用范围有限，但其功能和使用场景却不能用旋转式阀门替代。

在高压气枪(PCP)和特种刀具上，也广泛使用高压阀门。例如WASP高压气瓶匕首，是一种潜水用刀具。刀柄内部有一个高度压缩的空气管，刀柄带有一个按钮控制阀门，按下去后，超高压空气就会瞬间顺着刀身内的细管道喷出，从而拥有普通刀具无法具有的功能。在高压气枪(PCP)上，高压阀门也是必不可少的器件之一。目前大部分高压气枪都是通过击锤撞击高压阀门，使气路打开高压阀门的好坏，不仅影响着气枪的功能能否实现，还影响着子弹出膛速度的一致性，以及气枪在击发过程中的震动情况，进而影响射击精度。

在气枪和WASP高压气瓶匕首上，使用的都是一种按压式高压阀门。按压式高压阀门的一个重要特征参数就是按压力的大小。常见按压式阀门的结构如图8所示，现有的按压阀门广泛应用在生活中的低压环境，例如灭蚊喷雾等类似各种生活用品中。通常情况下，这种阀门的内外压差较小，适合手动开阀。在高压情况下，则通常需要剧烈的撞击开阀。

现有按压式阀门在使用过程中，有以下不足：1、按压开阀力与高压气体的气压成正比，且通常过大。为使阀门打开，主要需要克服高压气与低压气之间的压差，造成的开阀力。开阀力与阀门的阀块面积以及内外压差值成正比。在内外压差较大时，手动操作非常困难，而如果减小阀块面积，则通气孔减小，可能会造成通气量不能达到要求；2、流量速度难以控制。在开阀使用时，经常会遇到希望能够对流速进行调节的情况，而常用的阀门在开阀后，按压行程与流速之间的关系非常敏感，少量的按压行程就会造成流速的显著增加。因此，阀门通常按下后就达到最大通气量状态，很难实现手动控制。

技术实现要素：

鉴于上述的分析，本发明旨在提供一种按压式高压阀门及开阀方法，用以解决现有的按压式高压阀门的内部气体高压时，在内外压差较大的情况下，按压开阀需要的开阀力大，手动操作非常困难，且撞击开阀力度越大，整体震动越大，精度越差，而如果减小阀块面积，则通气孔减小，可能会造成通气量不能达到要求，而且，按压式高压阀门通常开阀行程很小，而很小的开阀行程对应的流体流速变化很大，对流速的控制非常困难。

因此，需要设计一种按压式高压阀门实现用较小的开阀力打开高压阀门，同时降低流速对行程的敏感度，实现对开阀过程中的流体流速的控制。

本发明的目的主要是通过以下技术方案实现的：

一种按压式高压阀门，包括：按压杆、阀门壳体、一级阀门堵头、二级阀门堵头和高压气腔；

按压杆与一级阀门堵头固定连接；

一级阀门堵头嵌套在二级阀门堵头中；二级阀门堵头设置在阀门壳体的内部，并与阀门壳体通过锥面接触安装；阀门壳体上设置出气口；

二级阀门堵头为中空结构，且二级阀门堵头上设置第一通气孔；第一通气孔连通高压气腔。

具体地，一级阀门堵头为锥台结构。

具体地，二级阀门堵头包括：二级堵头主体和二级堵头底部；二级堵头主体与二级堵头底部之间固定连接或为一体结构。

具体地，二级堵头主体上设置有圆锥孔；一级阀门堵头嵌套在圆锥孔中，且一级阀门堵头在高压气腔内的高压气体作用下压紧在二级堵头主体上。

具体地，二级堵头主体的外部设置有圆锥面；阀门壳体与圆锥面接触并密封，且二级阀门堵头在高压气腔高压气体作用下压紧在阀门壳体上。

具体地，二级阀门堵头上还设置有气口挡块，气口挡块用于遮挡出气口。

具体地，气口挡块上设置有第二通气孔，第二通气孔的孔径小于出气口的孔径。

具体地，一级阀门堵头与二级阀门堵头之间设置第一弹簧，第一弹簧用于实现一级阀门堵头的按压后复位。

具体地，高压气腔上设置连接件，二级阀门堵头与连接件之间设置第二弹簧，连接件用于安装第二弹簧及限制二级阀门堵头的按压行程；第二弹簧用于实现二级阀门堵头的按压后复位。

按压式高压阀门的开阀方法，包括以下步骤：

步骤S1：向按压杆施加按压力，推动一级阀门堵头打开；

步骤S2：继续推动一级阀门堵头向二级阀门堵头的二级堵头底部方向移动，直至一级阀门堵头与二级堵头底部接触；

步骤S3：增大施加在按压杆上的按压力，通过一级阀门堵头推动二级阀门堵头向高压气腔方向移动，将阀门完全打开。

本发明至少具有以下有益效果之一：

1、本发明的按压式高压阀门采用多级嵌套型堵头。通过高压阀门堵头多级阀门堵头依次打开的方式，一级阀门堵头嵌套于二级阀门堵头的圆锥孔中，将其端面面积设计的越小，越能够减少一级阀门初始开阀承压面面积，进一步能够减少初始开阀力，一级阀门打开后再打开二级阀门，打开一级阀门堵头后引入高压气平衡阀门压力，降低了二级阀门进一步打开所需要的力度，最终实现了采用较小的按压开阀力打开高压阀门，使本发明的按压式高压阀门应用更加便捷，可操控性高，应用范围广泛。

2、本发明的按压式高压阀门通过多级开阀的过程，改善开阀过程中流速与行程的关系，降低流速与按压行程之间的敏感度，使可用流速的范围更广。

3、本发明在一级阀门堵头与二级阀门堵头之间设置第一弹簧，在二级阀门堵头与高压气腔之间设置第二弹簧，开阀时压缩弹簧，开阀后关闭阀门时利用弹簧弹力复位。本发明的一级阀门堵头、二级阀门堵头和阀门外壳之间的密封与复位主要依靠内外压强差，在压强差较小时利用弹簧辅助复位。

本发明中，上述各技术方案之间还可以相互组合，以实现更多的优选组合方案。本发明的其他特征和优点将在随后的说明书中阐述，并且，部分优点可从说明书中变得显而易见，或者通过实施本发明而了解。本发明的目的和其他优点可通过说明书、权利要求书以及附图中所特别指出的内容中来实现和获得。

附图说明

附图仅用于示出具体实施例的目的，而并不认为是对本发明的限制，在整个附图中，相同的参考符号表示相同的部件。

图1为本发明的按压式高压阀门结构示意图；

图2为本发明的按压式高压阀门模型剖视图一；

图3为本发明的按压式高压阀门模型剖视图二；

图4为本发明的二级阀门堵头结构示意图；

图5为本发明的二级阀门堵头模型图；

图6为本发明的二级阀门堵头模型剖视图；

图7为本发明的按压式高压阀门开阀过程示意图；

图8为现有技术中的常见按压式阀门的结构。

附图标记：

1-按压杆；2-阀门壳体；3-出气口；4-一级阀门堵头；5-二级阀门堵头；51-二级堵头主体；52-二级堵头底部；53-气口挡块；54-第一通气孔；55-第二通气孔；511-圆锥孔；512-圆锥面；6-高压气腔；7-连接件；8-第一弹簧；9-第二弹簧。

具体实施方式

下面结合附图来具体描述本发明的优选实施例，其中，附图构成本申请一部分，并与本发明的实施例一起用于阐释本发明的原理，并非用于限定本发明的范围。

实施例1

本发明的一个具体实施例，公开了一种按压式高压阀门，如图1所示，包括：按压杆1、阀门壳体2、一级阀门堵头4、二级阀门堵头5和高压气腔6。高压气腔6中存储高压气体(或其他高压流体)，阀门壳体2与高压气腔6固定连接。二级阀门堵头5设置在阀门壳体2的内部，并与阀门壳体2通过锥面接触安装，本发明的按压式高压阀门结构示意图参见图2、图3。换句话说，二级阀门堵头5的外部设置圆锥面512，阀门壳体2内侧锥面与圆锥面512接触，且阀门壳体2与二级阀门堵头5通过圆锥面512密封，同时内部高压气体将二级阀门堵头5压紧在阀门壳体2上。

具体地，阀门壳体2上设置出气口3，作为阀门打开后的气体流通口。

具体地，一级阀门堵头4嵌套在二级阀门堵头5中，一级阀门堵头4为锥台结构，且一级阀门堵头4与按压杆1固定连接。

具体地，二级阀门堵头5可分为三部分：二级堵头主体51、二级堵头底部52和气口挡块53。进一步地，二级堵头主体51上设置第一通气孔54，气口挡块53上开有第二通气孔，如图4、图5、图6所示。二级堵头主体51上设置有圆锥孔511和外部的圆锥面512，一级阀门堵头4嵌套在圆锥孔511中，二级阀门堵头5通过圆锥面512与阀门壳体2形成密封。

即：二级阀门堵头5的外端(靠近阀门壳体2的一端)开有圆锥孔511，圆锥孔511为通孔，且圆锥孔511用于嵌套一级阀门堵头4。

二级阀门堵头5的设置圆锥孔的一端外部设置为锥台型结构具有圆锥面512，圆锥面512与阀门外壳2配合。

二级堵头主体51与二级堵头底部52固定连接或为一体结构，二级堵头主体51与二级堵头底部52构成一个不闭合的中间空腔，中间空腔作为一级阀门打开时一级阀门堵头4的移动空间。

也就是说，二级堵头主体51部分作为二级阀门堵头5的主体结构，一方面提供气路通道，另一方面作为一级阀门堵头4的密封接口和安装接口。在装配过程中，首先将一级阀门堵头4放入二级阀门堵头5的圆锥孔511中，然后再将二级堵头底部52与二级堵头主体51连接。二级堵头底部52与二级堵头主体51通过螺纹连接或焊接为一体，二级堵头底部52用来限制一级阀门堵头4的按压行程。

二级阀门堵头5外部的圆锥面512与阀门壳体2配合实现密封，并且高压气腔6中的高压气体将二级阀门堵头5压紧在阀门壳体2上，同时阀门壳体2能够限制二级阀门堵头5向阀门外侧的移动。

进一步地，二级堵头主体51上设置有多个第一通气孔54，如图4、图5、图6所示。第一通气孔54连通高压气腔6，使内部高压气体能够通过第一通气孔54进入二级阀门堵头5的中间空腔中，将一级阀门堵头4压紧到二级阀门堵头5的圆锥孔511上，同时能够使内部高压气体在一级阀门打开后流通到二级阀门堵头5的外侧，减小二级阀门堵头5的内外压强差。

进一步地，也可以将第一通气孔54设置在二级堵头底部52上，仅需要保证一级阀门堵头4与二级堵头底部52接触时不会堵住第一通气孔54即可。

进一步地，为了在一级阀门打开后快速提高阀门壳体2腔体中的气体压强，减小二级阀门堵头5所受到的内侧高压气体与外侧低压气体之间的压强差，在二级阀门堵头5上还设置有气口挡块53，气口挡块53安装在二级堵头主体51上，气口挡块53能够遮挡出气口3。气口挡块53用于一级阀门打开时，减小出气口3的面积，增加出气口3附近压强，降低二级阀门打开所需要的力。一级阀门堵头4打开后，为了维持气体流通，使高压阀门始终保持打开状态，在气口挡块53上设置有第二通气孔54。同时为了实现提高二级阀门堵头5外侧压强的作用，使第二通气孔54的孔径小于出气口3的孔径。

也就是说：气口挡块53的作用是部分遮挡出气口3，二级阀门堵头5与阀门壳体2配合安装后，气口挡块53能够部分堵住出气口3，用于一级阀门堵头4打开时，减小出气时实际气体流通的面积。气口挡块53上开有第二通气孔55，第二通气孔55的孔径小于出气口3的孔径，实际出气孔面积为气口挡块53上开设的第二通气孔55的孔面积。

减小出气口3处的气体流通面积，使一级阀门堵头4打开后，内部高压气体暂存于出气口3与一级阀门堵头4之间的阀门壳体2内腔中，提高出气口3内侧的气体压强即提高二级阀门堵头5外侧的压强，减小了二级阀门堵头5的内侧高压(高压气腔内气体)和外侧低压(出气口3内部气压)之间的压强差，进一步减小了打开二级阀门堵头5所需要的开阀力。

具体地，按压杆1与一级阀门堵头4固定连接，通过对按压杆1施加按压力即可推动一级阀门堵头4移动打开一级阀门，进一步增大按压行程，即可进一步推动二级阀门堵头5移动打开二级阀门。

本发明通过提供二次(多次)开阀过程，将首次开阀的阀门面积减小，利用一级阀门堵头打开后释放一定的高压介质到外部环境，减小二级阀门的内外压差，再将二级阀门堵头5打开完成完整的开阀过程。

进一步地，为了实现阀门关闭时一级阀门堵头4和二级阀门堵头5的复位动作，一级阀门堵头4与二级阀门堵头5之间设置第一弹簧8，第一弹簧8用于实现一级阀门堵头4的按压后的复位动作。高压气腔6上设置连接件7，二级阀门堵头5与连接件7之间设置第二弹簧9，第二弹簧9用于实现二级阀门堵头5的按压后的复位动作。

一级阀门堵头4在关闭状况下，受到内外压差和第一弹簧8的弹簧推力的作用，压紧在二级阀门堵头5的圆锥孔511上，一级阀门堵头4与二级阀门堵头5间利用锥度密封，同时二级阀门堵头5的圆锥孔511限制一级阀门堵头4向阀门外侧移动，如图1所示。

二级阀门堵头5受到内外压差、第二弹簧9的弹簧推力和一级阀门堵头4的作用力，压紧在阀门壳体2上，与阀门壳体2利用锥度密封，同时阀门壳体2限制二级阀门堵头5向阀门外侧移动，如图1所示。其中，弹簧推力较小，主要用于在无外力作用时阀门的自动关闭，即阀门内外压差很小的情况下，利用弹簧弹力使一级阀门堵头4和二级阀门堵头5复位，完成阀门的关闭。

实施时，对按压杆1施加按压力，推动一级阀门堵头4打开，高压气腔6中的高压气体溢出至阀门壳体2的内部空腔中，提高了二级阀门堵头5外部的压强，减小了二级阀门堵头5内侧高压气体和外侧低压气体的压强差，降低了打开二级阀门堵头5所需要的开阀力。阀门按压力消失后，一级阀门堵头4和二级阀门堵头5在弹簧弹力和内外压力差的作用下，恢复至关闭状态。

本发明通过利用二级(多级)阀门的组合结构，减少了高压阀门开阀时的阻力。同时，改善了阀门流速随按压行程的变化趋势，在不影响阀门最大流速的条件下，提升了按压式阀门的性能。

实施例2

本实施例提供一种按压式高压阀门的开阀方法，开阀流程如图7所示，具体包括以下步骤：

步骤S1：向按压杆1施加按压力，推动一级阀门堵头4打开；

步骤S2：继续推动一级阀门堵头4向二级阀门堵头5的二级堵头底部52方向移动，直至一级阀门堵头4与二级堵头底部52接触；

步骤S3：增大施加在按压杆1上的按压力，推动一级阀门堵头4和二级阀门堵头5同步向高压气腔方向移动，将阀门完全打开。

具体地，步骤S1中：按压一级阀门堵头4时，需要克服的阻力为作用在一级阀门堵头4上的内外压差。一级阀门堵头4打开时，流体出口的横截面积为S1，S1的大小取决于一级阀门堵头4下端面(大端面)的面积大小，将一级阀门堵头4的尺寸设计的越小，开阀时流体面积S1越小，因此，S1可以设计为很小的横截面积，二级阀门堵头5打开时，流体出口的横截面积为S2，且S2大于S1。

对比其它按压式阀门结构，在相同的流速设计条件下，本发明打开一级阀门堵头4所需要的开阀按压力为F1＝(Ph-Pl)×S1，其中，Ph高压容器内气体的压力，Pl为外界低压区气体的压力(通常为大气压)；而相同内外压差条件下，常规按压式阀门所需的按压力为F0＝(Ph-Pl)×(S1+S2)。因此，通过设计很小的一级阀门堵头4的结构参数，可以减小流体截面面积S1，进一步，可以显著减少阀门开启时所需要的按压力F1。

步骤S2中，在按压力作用下，一级阀门堵头4与二级阀门堵头5接触后，二级阀门堵头5没有完全封闭高压区与外部低压区的连通。通过二级阀门堵头5上的第一通气孔54和第二通气孔55以及一级阀门堵头4与二级阀门堵头5之间的间隙，高压流体介质可以由内部高压区运动至外界低压区。

一级阀门堵头4与二级阀门堵头5的二级堵头底部52接触时，暂存打开一级阀门堵头4后引入内部高压气体平衡阀门压力，部分内部高压气体流入二级阀门堵头5的中间空腔内，此时的压力状态为内部高压气体压力Ph大于二级阀门堵头5中间空腔内气体的压力Pl′大于外界气压Pl即：Ph＞Pl′＞Pl。二级阀门堵头5的内外压强差为(Ph-Pl′)，低于最初一级阀门堵头4开启时的内外气体压强差为(Ph-Pl)。

考虑到，二级阀门堵头5外部低压Pl′的高低与一级阀门堵头4的开口程度以及出气口3的横截面积有关，一级阀门堵头4开口越大出气口3的流通面积越小，出气口3与二级阀门堵头5之间的气体的压强Pl′越大，打开二级阀门堵头5所需要克服的压强差(Ph-Pl′)越小，打开二级阀门堵头5的开阀力越小。

因此，出气口3设计为受到二级阀门堵头5的气口挡块53的阻挡，气口挡块53上开有孔径极小的第二通气孔55，设计第二通气孔55的截面面积为0.1S1，第二阀门堵头5打开前，第二通气孔55与出气口3重合的部分为实际气体流通孔径的大小，即出气口3的实际气体流通面积约为0.1S1，经试验测得，本发明的按压式高压阀门一级阀门堵头4完全打开时，可有效提高Pl′至0.7Ph大小。

二级阀门堵头5在压强差和流体运动阻力的作用下，继续压紧在阀门壳体2上。通过控制一级阀门堵头4的按压行程，可调节阀门的流速大小。一级阀门堵头4达到最大行程后与二级阀门堵头5接触，此时继续增加按压行程，可打开二级阀门堵头5。

具体地，步骤S3中：继续向按压杆1施加力，按压杆1受到的按压力经一级阀门堵头4传递给二级阀门堵头5，推动二级发明堵头5打开，此时阀门的流速与二级阀门堵头5的外部尺寸参数以及二级阀门堵头5的按压行程有关，通过控制二级阀门堵头5的按压行程，可调节阀门的流速大小。

由于一级阀门堵头4开启后，作用在二级阀门堵头5的压强差降低，此时打开二级阀门堵头5的开阀力为F2＝(Ph-Pl′)×S2，作用在按压杆上所需要的力为F＝(Ph-Pl′)×(S1+S2)。在打开二级阀门堵头5后，二级阀门堵头5上的气口挡块53不再阻碍出气口3，阀门完全打开，阀门流速达到最大。

可见，通过本发明的阀门堵头两级(多级)嵌套的方法，在相同流速条件下，作用在按压杆1上的最大按压力为F＝(Ph-Pl′)×(S1+S2)或F＝(Ph-Pl)×S1，低于普通阀门需要的按压力F0＝(Ph-Pl)×(S1+S2)。本发明的按压式高压阀门作用在按压杆1上的最大按压力为F＝(Ph-Pl′)×(S1+S2)时，以Pl′达到0.7Ph计算，可降低最大按压力到普通阀门的30％。

具体地，本发明按压阀门在使用的过程中，按压力变化方式为渐进式增大，然后逐渐减小，不会出现完全无法开阀的情况。

操作人员通过按压杆1推动一级阀门堵头4打开过程中，一级阀门堵头4压缩第一弹簧8，一级阀门堵头4行程逐渐增大推动二级阀门堵头5打开过程中，二级阀门堵头5压缩第二弹簧9。操作人员对阀门的按压力消失后，两级阀门堵头在弹簧力和内外压力差的作用下，恢复至关闭状态。

实施例3

在本实施例中，提供一种实施例1的按压式高压阀门的替代方案，采用双按压杆的方式来实现二级开阀过程。两个按压杆分别与一级阀门堵头4和二级阀门堵头5连接，控制一级阀门堵头4和二级阀门堵头5的次序开阀，即：第一根按压杆推拉一级阀门堵头4，实现一级阀门堵头的开闭；第二根按压杆直接作用在二级阀门堵头5上。通过将两根杆组合起来，实现在一次按压过程中，两根按压杆依次动作，最终实现小推力开阀。

本实施例的方案中，共采用了两级阀门堵头，实际还可选择三级甚至更多级阀门堵头多级嵌套，将高压阀门的开阀过程更加细分为多级开阀过程，实现小推力开阀和对开阀过程的准确控制。

本发明的按压式高压阀门至少具有以下有益效果之一：

1、减小开阀力，提升开阀操作的可靠性。

本发明通过提供二次(多次)开阀过程，将首次开阀的阀门面积减小，利用一级阀门堵头打开后释放一定的高压介质到外部环境，减小二级阀门的内外压差，再将二级阀门堵头5打开完成完整的开阀过程。本发明的一级阀门通过减小一级阀门堵头4端面面积减小开阀力，二级阀门通过减小二级阀门堵头5的内外压差减小最大开阀力。

本发明通过多级嵌套的方式，使初始开阀力和最大开阀力均能够显著减小。相比普通阀门可减小70％以上。在实际应用中，减少按压式阀门的操作难度，增加按压式高压阀门的应用范围。例如在高压气枪上，可降低击锤力度，减轻冲击，提高射击精度。

2、本发明的按压式高压阀门的开阀过程中，流速从零逐渐过渡到最大流速。使阀门可以在小的按压行程下可以有小流速，同时不影响其最大流速。在实际应用中，可以用来获取低流速高压流体，也可获得高流速高压流体。在需要对高压流体的流速进行控制的场合，能够直接操作阀门进行一定的操控。

3、本发明按压阀门在使用的过程中，按压力变化方式为渐进式增大，然后逐渐减小，不会出现完全无法开阀的情况。

以上所述，仅为本发明较佳的具体实施方式，但本发明的保护范围并不局限于此，任何熟悉本技术领域的技术人员在本发明揭露的技术范围内，可轻易想到的变化或替换，都应涵盖在本发明的保护范围之内。