淺析減壓閥的設(shè)計(jì)原理.doc

淺談減壓閥的分類及結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì) Type And Structure Design for New-Type Pressure Reducing Valve Chen Zheng-li，Yang Ya-qing摘 要：本文簡要介紹了幾種新型減壓閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)。減壓閥是通過手動或電動調(diào)節(jié)，將進(jìn)口壓力降至需要的出口壓力，并能在進(jìn)口壓力及流量變動時，利用介質(zhì)本身的能量，使出口壓力自動保持某一相對穩(wěn)定值的閥門。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，減壓閥是依靠手動或電動機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，使閥門局部阻力變化的節(jié)流元件，通過改變閥座部位的節(jié)流面積，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的流速及動能發(fā)生改變，造成不同的壓降，從而達(dá)到并保持出口側(cè)不同的壓力。氣體管路系統(tǒng)中廣泛使用氣體減壓閥把高壓氣體減壓至所需低壓，來滿足系統(tǒng)的需要。減壓閥的兩個基本功能。一是減壓，即將進(jìn)口壓力降至某一個需要的出口壓力；二是穩(wěn)壓，即能在進(jìn)口壓力及流量變動時，利用本身介質(zhì)能量保持出口壓力基本不變。兩個基本功能缺一不可。而節(jié)流閥雖有減壓功能，通過啟閉件的節(jié)流來實(shí)現(xiàn)，但是它沒有穩(wěn)壓功能，進(jìn)口壓力及流量變動時，出口壓力也隨之變化。這就是兩者之間的最大區(qū)別。一、減壓閥的工作原理減壓閥的工作原理簡而言之就是：A：減壓；B：穩(wěn)壓。減壓的原理是節(jié)流，氣體流經(jīng)活門與活門座之間的縫隙時，壓力減小，達(dá)到減壓的目的。那么，壓力為什么會減小呢？可以從兩個方面來說：1活門與活門座之間的縫隙相對而言面積較小，氣體流經(jīng)的流速較快。這是根據(jù)連續(xù)方程式（根據(jù)質(zhì)量守恒定律：通過流管任意截面的氣體質(zhì)量流量都相等）：11A1=22A2氣體的密度氣體的流速A 流管的截面在氣動裝置中，氣體的流速一般較低，遠(yuǎn)小于音速（340m/s），且經(jīng)過壓縮，一般認(rèn)為是不可壓縮流體。即1 =2。那么 V1A1=V2A2 當(dāng)A1A2時，21。結(jié)論：流管的截面小，氣體的流速就高。在自然界，我們看到在山谷中或城市高樓間風(fēng)速遠(yuǎn)比平地上大（或穿堂風(fēng)）根據(jù)伯努利方程：P /gz2/2g=常數(shù)z流體中任意一點(diǎn)的位置高度P該點(diǎn)上的壓力流體的密度該點(diǎn)上的流體的流速g重力加速度將上式改為 P g z2/2=常數(shù)P流體的壓力能g z流體的位能2/2流體的動能這也稱為能量守恒方程式。對同一流體來而言：P1 g z112/2= P2 g z222/2在減壓閥中，由于行程很短，忽略摩擦阻力和位置高度的影響，則有：P1 12/2= P2 22/2結(jié)論：氣體的流速高處壓力低，流速低處壓力高。那么氣體流經(jīng)活門與活門座之間的縫隙時，流速增加，相應(yīng)壓力就減小。2當(dāng)氣體流經(jīng)突然擴(kuò)大或縮小的截面、彎頭、阻礙物或閥門等處，由于流速的大小和方向改變產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)撞擊和渦旋而引起能量損失。由于這個區(qū)域是不穩(wěn)定的，除區(qū)域質(zhì)點(diǎn)撞擊磨擦消耗能量外，流動時不斷有新質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域，也不斷有質(zhì)點(diǎn)被帶走，這種質(zhì)量交換過程中也要發(fā)生撞擊磨擦等而消耗能量。流動狀態(tài)復(fù)雜，有湍流，有旋渦，很難進(jìn)行理論計(jì)算，一般都依靠實(shí)驗(yàn)測得各類系數(shù)。綜上所述，我們可以基本了解減壓閥的減壓原理。當(dāng)進(jìn)口壓力減小時，那么，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體壓力也減小，出口腔的壓力也減小，作用在活塞上的力也減小，破壞了原有力的平衡。彈簧往下壓活塞進(jìn)而壓活門，使活門開度增大，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體增多，壓力也就上升，作用在活塞上抵消彈簧力而達(dá)到一個新的平衡。當(dāng)入口壓力增大時，那么，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體壓力也增大，出口腔的壓力也增大，作用在活塞上的力也增大，破壞了原有力的平衡。往上頂活塞進(jìn)而使活門開度減小，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體減小，壓力也就減小，活塞回復(fù)而達(dá)到一個新的平衡。因?yàn)閺椈傻男谐淌钦{(diào)定的，要達(dá)到平衡，出口腔的壓力必需跟彈簧力平衡，當(dāng)進(jìn)口壓力及流量變動時，利用彈簧力與出口腔的壓力平衡保持出口壓力基本不變。這是一個動平衡過程，并不是瞬間完成的。因?yàn)閺椈?、活塞、活門等都有一定的質(zhì)量，在移動中與閥體等一些其它零件都有磨擦。二、減壓閥的分類以及基本結(jié)構(gòu)性能氣體減壓閥按其結(jié)構(gòu)主要分為彈簧活塞式、彈簧膜片式、氣腔控制活塞式和氣腔控制膜片式。1 新型活塞式 通過彈簧來調(diào)定出口壓力，彈簧力的傳遞通過活塞來實(shí)現(xiàn)。分為普通型和改進(jìn)型。普通型的優(yōu)點(diǎn)是結(jié)構(gòu)簡單、制造方便、價格便宜。缺點(diǎn)是主活門的密封力始終隨著進(jìn)出口氣體壓力的壓差變化而變化。密封力過大會損壞密封面，久之會產(chǎn)生內(nèi)漏，密封力過小則達(dá)不到密封比壓要求，也會產(chǎn)生內(nèi)漏，從而導(dǎo)致出口壓力不穩(wěn)定；同時單一主彈簧存在彈簧力的不穩(wěn)定，導(dǎo)致減壓閥工作后出口端靜壓復(fù)位的重復(fù)性差，且在額定大流量供氣情況下會產(chǎn)生減壓閥出口端的壓力波動大。改進(jìn)型增設(shè)了平衡腔結(jié)構(gòu)，保證主活門的密封力不會隨進(jìn)出口氣體壓力的壓差變化而變化，由于密封力始終不變，從而使主活門的密封可靠；同時增加了復(fù)合彈簧，彌補(bǔ)了單一主彈簧力不穩(wěn)定的缺陷，提高了減壓閥出口端靜壓復(fù)位的重復(fù)性，使額定大流量供氣情況下減壓閥出口端的壓力達(dá)到穩(wěn)定。增設(shè)了超壓自排氣功能，保證由于某些特殊因素影響出口氣體升高時自動排氣降壓；也可以保證由于調(diào)壓過高反向調(diào)低壓力時自動排氣降壓，而不必在出口端排氣降壓。2 新型膜片式通過彈簧來調(diào)定出口壓力，彈簧力的傳遞通過膜片來實(shí)現(xiàn)。由于膜片對壓力變化的靈敏度高于活塞對壓力變化的靈敏度，因此彈簧膜片式氣體減壓閥性能優(yōu)于彈簧活塞式氣體減壓閥，滿足了要求較高的氣路系統(tǒng)的使用。3 氣控活塞式減壓閥 氣腔控制活塞式通過調(diào)節(jié)控制氣腔內(nèi)氣體壓力來調(diào)節(jié)出口壓力，控制氣腔內(nèi)氣體壓力的傳遞通過活塞來實(shí)現(xiàn)。該減壓閥具有出口壓力穩(wěn)定、流量大、動靜壓差小等特點(diǎn)。如果減壓閥進(jìn)出口壓差變化大，工作流量要求較大時，選用帶平衡腔結(jié)構(gòu)的氣控活塞式減壓閥是比較好的選擇。氣控活塞式減壓閥缺點(diǎn)是操作難度加大，應(yīng)了解基本原理后在進(jìn)行實(shí)際操作，否則會因?yàn)椴僮魇д`導(dǎo)致出口壓力超過預(yù)定壓力，使安全閥產(chǎn)生不必要的起跳而受到損壞。4 氣控膜片式減壓閥氣腔控制膜片式通過調(diào)節(jié)控制氣腔內(nèi)氣體壓力來調(diào)節(jié)出口壓力，控制氣腔內(nèi)氣體壓力的傳遞通過膜片來實(shí)現(xiàn)。氣控膜片式減壓閥，出口壓力控制精度高、壓力穩(wěn)定、流量大、動靜壓差小等特點(diǎn)。氣腔出口進(jìn)口 氣控膜片式減壓閥三、減壓閥的設(shè)計(jì)減壓閥主要由調(diào)節(jié)元件、卸荷元件、敏感元件、彈簧機(jī)構(gòu)等組成。1 調(diào)節(jié)元件的設(shè)計(jì)原理 調(diào)節(jié)元件也稱節(jié)流元件，即活門和活門座。它的主要功能是調(diào)節(jié)流通面積（節(jié)流面積）的大小。 調(diào)節(jié)元件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：a） 流線光滑，流損小。b）活動靈敏。c）關(guān)閉時應(yīng)有可靠的密封性。d）尺寸由設(shè)計(jì)流量來確定。如下圖活門座口徑計(jì)算： d口= GT入/AhP入 d口活門座口徑G設(shè)計(jì)流量T入入口氣體溫度A 與氣體性質(zhì)和流動狀態(tài)有關(guān)的系數(shù)（對空氣取0.396） 流量系數(shù)。由實(shí)驗(yàn)確定 h活門行程 P入入口壓力一般來說,選用的活門座口徑應(yīng)比計(jì)算值略大，為了留有一定的調(diào)節(jié)余地?；铋T行程的選擇也要適當(dāng)，過大則穩(wěn)壓精度低，過小則達(dá)不到設(shè)計(jì)流量。一般選h/ d口=0.050.2?；铋T座和活門應(yīng)選用一些強(qiáng)度高、耐磨性好、加工性好的材料。根據(jù)密封要求的不同，選用不同的密封材料。 如尼龍、PCTFE、PEEK等。為了保證密封的可靠，對活門座和活門的結(jié)構(gòu)、尺寸及密封面的表面質(zhì)量進(jìn)行認(rèn)真的設(shè)計(jì)和加工。2 卸荷元件的設(shè)計(jì)卸荷元件的作用是卸掉一部分載荷，減小進(jìn)出口壓力對零件的作用面積，提高穩(wěn)壓精度,保證主密封的可靠性。在活門的整體形狀設(shè)計(jì)中，使進(jìn)出口壓力在活門上下作用面上相互抵消，使密封力由活門彈簧來提供。在高壓低壓腔之間必須密封。如密封性不好，不但起不了卸荷作用，反而會造成高壓氣體經(jīng)此處漏入低壓腔。零件的靈敏度也要好，包括零件表面精度、O型圈的選擇、擋圈的尺寸等等，務(wù)必使磨擦滯后現(xiàn)象降低到最小。3 敏感元件的設(shè)計(jì)敏感元件的設(shè)計(jì)準(zhǔn)則：靈敏度要高，對壓力變化的反饋要及時、靈敏；密封性也要好，隔開出口腔和主彈簧腔，防止泄漏。有時要根據(jù)介質(zhì)的不同、溫度的不同而選用不同的材料?，F(xiàn)在主要采用的是活塞、不銹鋼膜片、橡膠膜片?；钊奶攸c(diǎn)是耐壓能力高、行程大、無附加剛度，但質(zhì)量大、阻尼大、占據(jù)空間大。膜片的特點(diǎn)是剛度小、靈敏度好、有效面積大、質(zhì)量小，但行程小、不銹鋼膜片還有附加剛度、耐壓能力較低。具體情況具體分析，從而選擇不同的敏感元件。4 彈簧機(jī)構(gòu)的設(shè)計(jì)彈簧機(jī)構(gòu)主要包括主彈簧、活門彈簧，還有復(fù)合彈簧。為了保證減壓閥的穩(wěn)壓精度，彈簧剛度越小越好，但不能過小，過小則結(jié)構(gòu)尺寸必然太大，不但動態(tài)穩(wěn)定性不好，還占用空間。一般取Z為出的12倍。ZGd4/8D3nG材料剪切彈性模數(shù)d材料直徑D彈簧中徑n有效工作圈數(shù)同時要考慮出口壓力的范圍，整體尺寸的大小等多種因素。對于活門彈簧而言，主要考慮的是密封力F。 SF/db SSS設(shè)計(jì)比壓F密封力d活門通徑b密封面寬度對密封材料PCTFE而言，S數(shù)值可取350kg/cm2。對密封材料PTFE而言，S數(shù)值可取200kg/cm2。對于一些有特殊要求