天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 I 摘 要 天然氣汽車減壓裝置是天然氣的汽車的一個重要部件，它的質量好壞車的性能有很大的關系，它在天然氣汽車中主要起減壓和穩(wěn)壓的作用。因此，通過利用減壓裝置，可以把 2-20MPa 的壓縮天然氣壓力降到 1-2.5kPa 進入混合器，以便與空氣混合進入汽缸，由于高壓氣瓶中的 CNG 氣體壓力隨著燃料充裝和使用不斷變化，要保持較穩(wěn)定的空燃比控制，還要求無論瓶內壓力如何變化，減壓調節(jié)器也應保證進入混合器的燃氣壓力基本恒定，以此實現(xiàn)比較穩(wěn)定的燃氣與空氣混合比控制。從而實現(xiàn)減壓和穩(wěn)壓的作用。 本次畢業(yè)設計在原有減壓產(chǎn)品的基礎上， 對其結構布局及形狀進行了修改，并對輸入發(fā)動機過程中的天然氣壓力的變化值進行了精確的設計，主要是對一級減壓閥的縫隙減壓和二級減壓閥的縫隙減壓，以及三級減壓閥利用真空度進行減壓進行計算，使其能夠滿足減壓至預期的要求。而且對各主要受載荷的零部件進行了強度校核，使選擇的材料滿足強度要求。預計本次設計出來的減壓裝置具有結構簡單，外行美觀，精度高的特點，可提高同類產(chǎn)品的質量，可以滿足廣大用戶的需求。 關鍵詞 ：天然氣汽車；減壓裝置；減壓閥 II ABSTRACT The natural gas automobile decompressor is a natural gas automobile important part, its quality quality vehicle performance has the very big relations, it is main the reduced pressure in the natural gas automobile and the constant voltage function. Therefore, through use decompressor, may 1-20MPa compression natural gas pressure drop to 1-2.5kPa enters the mixer, in order to enters the cylinder with the air mix, because in the high-pressure bottle CNG gas pressure changes, must maintain the stable air-fuel ratio control, also requests regardless of how the bottle internal pressure does change, the reduced pressure regulator also should guarantee enters the mixer basically the fuel gas pressure constant, by this realization quite stable fuel gas and air mixture ratio control. Thus realization reduced pressure and constant voltage function. This graduation project in original reduced pressure product foundation, have carried on the revision to its structural configuration and the shape, and to input in the engine process the natural gas pressure change value to carry on the precise design, mainly is to the level pressure relief valve slit reduced pressure and two level of pressure relief valve slit reduced pressure, as well as three levels of pressure relief valves carry on the reduced pressure using the vacuum degree to carry on the computation, enables its to satisfy the reduced pressure to the anticipated request. Moreover to each mainly has been carried on the load spare part the intensity examination, causes the choice the material to satisfy the intensity request. Estimated this time designs the decompressor has the structure simply, the layman is artistic, precision high characteristic, may enhance the similar product the quality, May satisfy the user community the demand. Key words: Natural gas automobile； decompressor； pressure relief valve 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 i 目 錄 摘要 . ABSTRACT. 緒論 .1 0.1 天然氣汽車減壓裝置的用途和功能 . 1 0.2 天然氣汽車減壓裝置在我國的發(fā)展概況 . 1 0.3 天然氣汽車減壓裝置設計的目的和意義 . 1 1 設計任務書 .3 1.1 設計題目 . 3 1.2 題目說明 . 3 1.2.1 設 計參數(shù)規(guī)范 . 3 1.2.2 符合標準 . 3 1.2.3 設計思路 . 3 1.3 設計方案 . 3 1.4 資料調研 . 4 1.4.1 減壓閥的定義 . 4 1.4.2 減壓閥的工作原理 . 4 1.4.3 減壓閥的工作過程 . 7 2 設計方案的研究與選擇 . 9 2.1 減壓調節(jié)器的分類 . 9 2.2 方案選擇 . 9 2.2.1 方案一及其優(yōu)缺點 . 9 2.2.2 方案二及其優(yōu)缺點 . 9 2.2.3 設計方案的選擇 . 10 3 總體方案設計 .11 3.1 一級減壓閥的設計 . 11 3.1.1 一級減壓閥的工作原理 . 11 3.1.2 一級減壓閥閥室的設計 . 11 3.1.3 一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設計 . 11 3.2 二級減壓閥的設計 . 19 3.2.1 二級減壓閥的工作原理 . 19 3.2.2 二級減壓閥閥室及蓋板、杠桿、上檔板的設計 . 19 3.2.3 二級減壓閥彈簧的設計 . 19 3.3 三級減壓閥的設計 . 22 ii 3.3.1 三級減壓閥的工作原理 . 22 3.3.2 三級減壓閥蓋板、杠桿、上擋板、閥口的設計 . 22 3.3.3 三級減壓閥調節(jié)彈簧的設計 . 22 3.3.4 三級減壓閥膜片的設計與校核 . 25 3.4 怠速閥的設計 . 26 3.4.1 怠速閥的工作原理 . 26 3.4.2 怠速閥閥室及閥體的設計 . 26 3.4.3 怠速閥芯及怠速閥彈簧的設計 . 28 3.5 其他重要零部件的設計 . 29 3.5.1 高壓電磁閥閥芯、先導閥、彈簧的設計 . 29 3.5.2 安全閥及其彈簧的設計 . 30 3.5.3 進氣接頭的設計 . 31 3.5.4 一級閥蓋連結螺柱和三級閥蓋連結螺栓的選擇 . 32 4 天然氣汽車減壓裝置的使用說明 .35 4.1 天然氣汽車減壓裝置的使用注意事項 . 35 4.2 天然氣汽車減壓裝置的拆裝、檢查與調整 . 35 4.2.1 拆卸 . 35 4.2.2 清洗、檢查、更換 . 35 4.2.3 組裝、調整 . 36 5 總結 .38 謝辭 . 39 參考文獻 .40 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 1 緒 論 0.1 天然氣汽車減壓裝置的用途和功能 以天然氣 作為燃料的汽車叫做天然氣汽車。 為了提高天然氣汽車一次沖氣行使的里程，車用天然氣一般是壓縮在 20MPa 存儲在高壓汽缸里，但發(fā)動機工作時，卻要求燃氣壓力降到 1-2.5kPa 進入混合器，以便與空氣混合進入汽缸，而且由于高壓氣瓶中的 CNG 氣體壓力隨著燃料充裝和使用不斷變化，要保持較穩(wěn)定的空燃比控制，還要求無論瓶內壓力如何變化，減壓調節(jié)器也應保證進入混合器的燃氣壓力基本恒定，以此實現(xiàn)比較穩(wěn)定的燃氣與空氣混合比控制。因此在燃氣供給系統(tǒng)中必須要有減壓調節(jié)器。天然氣汽車的核心和關鍵部件就是減壓調節(jié)器，在CNG 汽車上，減壓調 節(jié)器的作用主要是起減壓和穩(wěn)壓的作用，它的性能好壞，將會直接影響到天然氣汽車的性能。 0.2 天然氣汽車減壓裝置在我國的發(fā)展概況 天然氣汽車減壓裝置是隨著天然氣汽車的產(chǎn)生而產(chǎn)生的，同時，也隨著天然氣汽車的發(fā)展而發(fā)展。 早在 1958 年，四川就曾研制過天然氣汽車，但是由于當時科技的發(fā)展，有一些技術問題不能解決，以及當時油價較低，而未能得到發(fā)展。 1986 年，四川石油管理局南充機械廠組織人員再次著手該技術的研究工作。 1988 年，中國石油天然氣總公司從新西蘭引進壓縮天然氣充氣站裝置（其中就包括了減壓裝置），在南 充建立起了全國第一座壓縮天然氣充氣站。南充機械廠用進口配件改裝了全國首批50 輛壓縮天然氣汽車，并結合自己的經(jīng)驗，根據(jù)國情，借鑒國外的先進技術，實現(xiàn)了天然氣汽車減壓裝置及其他車用燃氣裝置的全部國產(chǎn)化。該裝置在 1991 年通過技術鑒定， 1993 年通過部級驗收，樣車經(jīng)測試，性能達到國外同類產(chǎn)品水平。目前，國內特別是四川、重慶等天然氣供氣減壓系統(tǒng)生產(chǎn)企業(yè)已形成國產(chǎn)上萬套的天然氣汽車減壓裝置的產(chǎn)業(yè)規(guī)模，它們生產(chǎn)的產(chǎn)品成為國內各大汽車廠燃氣汽車改裝車用減壓器的指定產(chǎn)品。近些年又有四川彭州興威、重慶恩潔威、四川宜賓海家、成 飛公司等 CNG 技術開發(fā)公司的減壓調節(jié)器產(chǎn)品不斷推出。 0.3 天然氣汽車減壓裝置設計的目的和意義 從 20 世紀 70 年代開始，國際上燃氣汽車技術逐漸進入較快的發(fā)展時期 。 在當今社會，天然氣與柴油的熱值相當，但價格僅為柴油的三分之二左右，而且天 2 然氣汽車對大氣的污染小，可以大大改善環(huán)境污染和能源緊缺的問題，因此，天然氣汽車以其排放清潔、技術成熟、資源豐富等特點在世界范圍內已得到廣泛應用 。 雖然天然氣汽車在在近幾年來，在我國發(fā)展的很快，但是那只是相對的。預計到 2010 年的時候，我國民用機動車保有量將增加到 4900 萬輛， 而天然氣汽車卻只達到 100 萬輛。如果以 1000 立方米天然氣相對于 1 噸石油來計算，世界上天然氣的儲量和石油的儲量是在同一數(shù)量級的。天然氣汽車以其減輕環(huán)境污染、緩解石油資源的優(yōu)點得到了快速發(fā)展，但是我國的天然氣汽車在 2010 年只能達到100 萬輛，而與世界水平相比還有非常大的差別。這主要是由于天然氣汽車在發(fā)展過程中會遇到很多困難。據(jù)統(tǒng)計，建設一座天然氣汽車加氣站一次性投資大約需要 200-300 萬元，保證一座中等加氣站有一定的效益，至少需要有 100 輛天然氣汽車，而改裝一部汽車需要投資約 100 萬元。如此昂貴的投資，會 讓那些車主對汽車的改裝望而卻步。因此，我們必須對壓縮天然氣裝置（包括減壓裝置）的制造和改裝成本進行一次大的調整，對其性能進行改進，另一方面，在我國市場上銷售的天然氣減壓裝置一半是國產(chǎn)的，一半是進口的。國產(chǎn)減壓調節(jié)器在國內的競爭力是有限的，在國際上更是有限。把國產(chǎn)產(chǎn)品打到國際市場上去就需要對現(xiàn)有產(chǎn)品的性能、外觀、體積、質量、成本等關鍵問題進行改進和調整。 天然氣的減壓裝置是天然氣發(fā)動機供氣系統(tǒng)中的關鍵部件，它需要根據(jù)發(fā)動機的不同工況改變供給混合器的低壓天然氣量從而使混合器配制不同空燃比的混合氣，以滿足發(fā)動機的 不同工況的要求。由于發(fā)動機所需要的天然氣的壓力很低（通?？刂圃?0-0.178MPa），要將 20MPa 的天然氣壓力降到如此低的氣壓是很難的，同時需要將氣壓穩(wěn)定在所要求的范圍內，從而達到由減壓器出口流出的低壓氣量，僅由混合器喉管真空度所決定，保證調節(jié)可靠使發(fā)動機工況穩(wěn)定，節(jié)約燃氣，改善排放的目的。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 3 1 設計任務書 1.1 設計題目 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 1.2 題目說明 1.2.1 設計參數(shù)規(guī)范 減壓閥進口額定壓力為 20MPa，進氣接頭強度試驗壓力為 27.5MPa，當進氣壓力為 2-20MPa時，進行一級減壓后，壓力變化為 0.5MPa，變化許可值為 0.05MPa，進行二級減壓后，壓力變化為 0.2-0.3MPa，其變化許可值為 0.02MPa，之后進行三級減壓，而其閥口的開啟程度由發(fā)動機工作時的真空度的大小自動調節(jié)，但是可以調節(jié)初始開度。突然輸出放氣時，最大流量可達 40m3/h， 當氣瓶壓力小于2MPa 時，仍能對發(fā)動機正常供氣。 1.2.2 符合標準 減壓調節(jié)器各部分應符合標準 QC/T245-1998 的有關規(guī)定。 1.2.3 設計思路 根據(jù)國內外文獻資料，了解有關天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置的基本情況 。設計一種符合上述規(guī)范的減壓裝置，其中包括方案設計及工作原理的分析，總體結構設計以及重要零件的強度校核。 1.3 設計方案 根據(jù)已有國家標準和要求，一級減壓閥的輸入壓力為 2-20MPa，而要求供給發(fā)動機的壓力為負壓，壓力降低非常大，一級或者二級減壓都不能一下就減壓到規(guī)定的要求，而且減壓器主要是起減壓和穩(wěn)壓的作用，在減壓過程中要吸收大量的熱量，如果只采用一級或者二級減壓裝置，會因溫度降低太多而無法達到要求，因此只能采用三級減壓，才可以將輸入壓力降低到規(guī)定的要求。由于在減壓過程中要吸收大量的熱量，減壓器上一般都 設有將發(fā)動機循環(huán)水引人減壓器的水套，利用發(fā)動機循環(huán)冷卻水的熱量加熱減壓器。 4 1.4 資料調研 1.4.1 減壓閥的定義 國標 GB12244-89關于減壓閥的定義是 :通過啟閉件的節(jié)流 ,將進口壓力降至某一個需要的出口壓力 ,并能在進口壓力及流量變動時 ,利用本身介質能量保持出口壓力基本不變的閥門。就是說這樣的一句話已經(jīng)說明了減壓閥的兩個基本功能。一是減壓 ,即將進口壓力降至某一個需要的出口壓力；二是穩(wěn)壓 ,即能在進口壓力及流量變動時 ,利用本身介質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)流來實現(xiàn) ,但是它沒有穩(wěn)壓功能。 1.4.2 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 ,達到減壓的目的。穩(wěn)壓的原理是力的平衡 ,因為彈簧的行程是設定的 ,要達到平衡 ,出口腔的壓力必須跟彈簧力平衡 ,當進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。因為彈簧、活門等有一定的質量 ,在移動中與閥體等一些其他零件都有摩擦。 1.4.2.1 一級減壓部分 圖 1.1 一級減壓原理 圖 1.1是一級減壓原理示意圖。從儲氣瓶流出的 CNG氣體依靠自身的壓力打開一級閥門，從一級閥門和閥座之間的縫隙流入一級減壓室，在此過程中 CNG氣體的壓力被大幅度降低。在一級減壓室內壁上有許多擋片， CNG氣體在流過它們時壓力被進一步降低。隨著一級減壓室中氣體數(shù)量不斷增多，室內壓力不斷升高，天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 5 當壓力上升到一定值時，一級膜片向上凸起，壓迫一級彈簧，通過一級圓柱又帶動一級杠桿動作，使一級閥門開度減小，減少 CNG氣體的進入，隨著一級減壓室中的 CNG氣體不斷進入二級減壓閥室，一級減壓室中的氣壓降低，當壓力降 至某一值時，在一級彈簧預緊力的作用下，壓下一級膜片，通過一級圓柱又帶動一級杠桿動作，使一級閥門開度增大， CNG氣體又流入一級減壓室。 一級閥門的開啟與關閉由一級膜片的位置決定，而一級膜片的位置又受到一級減壓室壓力、二級減壓室壓力、一級彈簧預緊力的共同影響。增加一級彈簧預緊力，降低一級減壓室壓力及提高二級減壓室壓力等都將使一級膜片下移，一級閥門開度加大；反之，一級膜片上移，則一級閥門開度減小。 1.4.2.2 二級減壓部分 圖 1.2 二級減壓原理 圖 1.2是二級減壓原理示意圖。在一級減壓室中經(jīng)過初步減壓的 CNG氣體經(jīng)過二級閥門進入二級減壓室，由于二級閥門的節(jié)流作用，壓力得到更進一步的降低。隨著進入二級減壓室中的氣體數(shù)量的增多，當二級室內壓力超過二級彈簧的預緊力時，二級膜片向上凸起，壓迫二級彈簧，通過二級圓柱又帶動二級杠桿動作，使二級閥門開度減小，減少了 CNG氣體的進入量。隨著二級減壓室中的 CNG氣體不斷進入三級減壓室，二級減壓室中的氣壓降低，當壓力小于二級彈簧預緊力時，在二級彈簧預緊力的作用下，二級膜片被壓下，通過二級圓柱又帶動二級杠桿動作，使二級閥門開度增大，進入二級減壓室的 CNG氣體量又開始增多。二級閥 門的開啟與關閉由二級杠桿來控制，二級杠桿的動作由二級膜片位置決定，而二級膜片的位置由二級減壓室壓力、二級彈簧預緊力、三級減壓室壓力共同決定。 6 1.4.2.3 三級減壓部分 三級減壓是為了進一步降低天然氣的壓力，使其接近負壓。圖 1.3是三級減壓、真空加濃和怠速調整的原理圖。 經(jīng)過兩級減壓的天然氣通過三級閥門進入三級減壓室。由于三級閥門的節(jié)流作用使 CNG氣體的壓力降至負壓左右。接近負壓的天然氣由 CNG燃料出口進入混合器。三級閥門的開啟和關閉受到三級杠桿的作用，而三級杠桿的動作又受到真空膜片的位置（由真空膜片彈簧 預緊力、進氣管真空度及三級減壓室壓力決定） ,三級膜片的位置（由三級減壓室的壓力、下蓋室壓力決定）、怠速調整螺釘及三級杠桿彈簧預緊力的共同作用。 1.4.2.4 真空加濃部分 它是設置在二級減壓室上方的一個真空泵室，在一定的進氣管真空度范圍內增加進入氣缸的天然氣量，達到加濃混合氣的目的。真空泵室通過一個真空管引入發(fā)動機的進氣管真空度。當進氣管真空度增大時，真空膜片向上壓縮真空彈簧，三級杠桿隨之作用，加大三級閥門的開度，增加三級減壓室中天然氣的供給量。隨著進氣管真空度的增大，三級杠桿會壓下助射閥閥芯，打開助射閥 ，使三級減壓室同二級減壓室膜片與阻尼板之間的小室連通，使二級減壓室膜片與阻尼板間的壓力降低，二級減壓閥膜片在二級彈簧預緊力的作用下向下移動，通過二級圓柱又帶動二級杠桿使二級閥門開度增加，增加 CNG 氣體的進氣量。調節(jié)助射閥螺釘可調整助射閥通道的截面，改變進氣量。 1.4.2.5 怠速調整部分 圖 1.3 三級減壓、真空加濃和怠速調整原理 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 7 怠速工況的調整是通過旋動怠速調節(jié)螺釘實現(xiàn)的。向下旋動（順時針）調節(jié)螺釘，則推動壓頭使三級杠桿動作，減小三級閥門的開度，從而減小天然氣的供給量；反之，向外旋動（逆時針）則使三 級閥門開度增大，增加天然氣的供給量。 1.4.2.6 啟動加濃部分 圖 1.4 啟動加濃原理 可在啟動時向發(fā)動機額外提供天然氣，以滿足啟動時發(fā)動機對混合氣濃度的要求。原理如圖 1.4 所示。 在減壓器主氣道之外設置一旁通氣道，旁通氣道的接通與截斷由起動電磁閥控制。啟動時，起動電磁閥使旁通氣道接通。 CNG 氣體由一級減壓室直接進入三級減壓室，增大了天然氣的供給量，起動調整螺釘用于調整旁通氣道進口截面的大小，可根據(jù)需要改變啟動時 CNG 氣體的供給量。 1.4.3 減壓 閥的工作過程 1.4.3.1 啟動 發(fā)動機啟動時，轉速極低，混合器喉管處的氣流速度及真空度都很低，因此，三級閥門的開度很小，吸出的 CNG氣體數(shù)量也很少。尤其在冷啟動時，由于發(fā)動機溫度很低，氣缸內混合氣過稀，難以保證其著火與燃燒。為保證順利啟動發(fā)動機，要求在啟動時減壓器供給較濃的混合氣，完成這項任務的裝置是起動電磁閥。 發(fā)動機啟動時，起動電磁閥接通，起動旁通氣道打開，來自一級減壓室的 CNG氣體經(jīng)起動電磁閥的閥門和旁通氣道直接進入三級減壓室，通過燃料出口供給混合氣，從而保證發(fā)動機的順利著火運轉。隨著發(fā)動機轉速的 升高，混合器喉管中的真空度增加，三級減壓室的閥門開度相應增大，從一級減壓室、二級減壓室送 8 出的天然氣增多，可保證發(fā)動機穩(wěn)定運轉，起動電磁閥關閉，截斷旁通氣道。 1.4.3.2 怠速工況 發(fā)動機怠速運轉時，由于節(jié)氣門開度很小，轉速又低，因此混合器喉管處的真空度很低，難以從減壓器燃料出口吸出天然氣，但怠速工況下節(jié)氣門后面的真空度卻很高，利用一真空管將此真空度引入真空泵室，節(jié)氣門后的真空度越大，真空膜片壓縮真空彈簧并帶動三級閥門開啟得越大，進入三級減壓室的 CNG 便增多，這就滿足了怠速工況對混合氣的要求。 1.4.3.3 一般運轉工況 在發(fā)動機運轉過程中，隨著節(jié)氣門開度的增大及轉速的升高，混合器喉管處的真空度也在不斷的增大，這一真空度通過主通道傳到三級減壓室，使三級減壓室的閥門開度增大，送出較多的天然氣以滿足發(fā)動機的需要。 1.4.3.4 瞬變工況 汽車在運行過程中，由于路況的突變會引起發(fā)動機的轉速和負荷的突然改變，從而導致喉管真空度發(fā)生變化，三級減壓室的壓力就會出現(xiàn)波動，此壓力波動將會影響到三級閥門開度的大小，使三級減壓室 CNG 供給量發(fā)生相應的變化，以滿足發(fā)動機的需要，為了保證減壓閥在發(fā)動機瞬變工況下的工作穩(wěn)定性，減 壓閥中各運動零件的質量應較小。 1.4.3.5 停機 發(fā)動機停止工作后，混合器喉管處及節(jié)氣門后的真空度均消失，三級膜片及真空膜片均在各彈簧預緊力的作用下處于平衡狀態(tài)，三級閥門在三級杠桿彈簧的作用下關閉，停止向混合器供給天然氣。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 9 2 設計方案的研究與選擇 2.1 減壓調節(jié)器的分類 減壓閥按其結構主要分為彈簧活塞式減壓閥、彈簧膜片式減壓閥、氣腔控制活塞式減壓閥和氣腔控制膜片式減壓閥；按多級減壓室的組裝方式可分為正壓進氣減壓閥和負壓進氣減壓閥；按減壓方式可分為杠桿式減壓閥和正負式彈簧減壓閥；按 是否用電動控制可分為機電控制式減壓閥和機械控制式減壓閥。 2.2 方案選擇 2.2.1 方案一及其優(yōu)缺點 根據(jù)以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，中壓截止，負壓進氣，機械啟動式。一級減壓方式為杠桿減壓，二級減壓方式為正負彈簧減壓。 本方案的工作原理方框圖如下： 本方案的優(yōu)點是結構緊湊，簡單，鑄造容易，高度小，體積小，零部件少。其缺點是不太安全，如果一級閥室損壞，高壓天然氣會從安全閥中排泄到大氣中，污染環(huán)境，如果不關閉手動截止閥， 4.0MPa 左右的天然氣長期作用在一、二級閥室，使閥室的彈簧、橡膠 的使用壽命下降，而且正負壓彈簧減壓精度難以控制，需要較高的技術，因此可靠性較差。本方案還有一個缺點就是起動不方便，起動時需要用人工調節(jié)怠速旋鈕。 2.2.2 方案二及其優(yōu)缺點 根據(jù)以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，高壓截止，負壓進 10 氣，一、二、三級減壓方式都是采用杠桿減壓，機動起動，組合式。 本方案的工作原理方框圖如下： 此方案的優(yōu)點是容易控制，精度高，起動容易，安全。其缺點是鑄造難度大，體積大，零部件多，費用較高。 2.2.3 設計方案的選擇 經(jīng)過對方案一和方案二的研究，本設計選擇方案二， 因為采用方案二可使減壓閥操作簡單，方便，而且，這種方案更加安全。但是在設計中，應該盡量降低鑄造的難度，減少零部件的數(shù)量。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 11 3 總體方案設計 3.1 一級減壓閥的設計 3.1.1 一級減壓閥的工作原理 一級減壓閥為常開式減壓閥，主要由閥座、閥芯、杠桿、膜片、彈簧、減壓室等部分組成。該減壓閥在未通入氣體時，閥芯與閥口保持一定的間隙，通入高壓氣體時，隨著閥室壓力的升高，氣體作用在膜片下方并克服膜片上方彈簧的壓力使膜片及其芯子產(chǎn)生向上的動作，從而帶動杠桿轉動，使閥口關閉。當減壓室的氣體向二 級減壓閥輸出后，壓力降低，膜片及其芯子下移，閥口打開，使高壓氣體再次進入一級閥室，如此反復，使減壓閥在保證流量的基礎上，出口壓力穩(wěn)定在一定的范圍內。該減壓閥的壓力彈簧為不可調節(jié)式彈簧，如果要調節(jié)出口壓力和流量，可調節(jié)杠桿上的調節(jié)螺釘或更換壓力彈簧。 3.1.2 一級減壓閥閥室的設計 為了密封的嚴密性，閥室的壁厚初選 5mm，由于初始氣體壓強在 2-20MPa之間變化，氣體對閥芯的沖擊力在幾十牛頓至幾百牛頓之間變化，因此，閥室的內徑不能取得太小，但是也沒有必要取得太大，參考現(xiàn)有減壓閥，初選 64mm。閥室的容積與閥 室的高度有關，容積的大小，與氣體變化快慢程度相關，因此，也要取得適當，再參照已有減壓閥，初選 27mm。 因為殼體及蓋板的實驗應力為 0.8+0.1MPa，因此，對一級閥室的強度進行如下校核： 5d 1 02hbh 一 級 一 級 一 級一 級 一 級 （ 3-1） 式中， 一 級=5mm， d一 級=64mm， h一 級=27mm 則 5665 1 0 2 7 6 4 1 02 5 2 7 1 0b =32 510 N/m2=3.2N/mm2 b =63.7 N/mm2 所以，閥室的強度滿足要求。 3.1.3 一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設計 在設計閥口時，閥口不能取得太大，但也不能太小。閥口太大，流量難以控制，閥口太小，氣體壓強受到影響，因此，在參考了現(xiàn)有減壓閥的設計之后，一 12 級閥口的內徑初選 4.0mm，外徑初選 6.0mm，杠桿的長度初選 36mm，高度初選9.5mm。閥芯的最大行程初選 0.5 0.1mm，膜片到一級閥蓋下壁的距離 初選25mm，上壓板直徑初選 40mm，厚度初選 3mm，則彈簧初始壓縮后的長度初選為 22mm。 因為該閥的最大流量可達 40m3/h，當氣體初始壓強為 2-20MPa 時，閥口的實際開度并不等于 0.5 0.1mm，只有當氣體壓強小于 1MPa 時，閥口開度才能達到0.5 0.1mm，此時，一級閥室的壓強不能保持在原定范圍，但其流量可達 40m3/h。 天然氣縫隙減壓的壓降與流量 q 的關系與其粘度有關，天然氣粘度在不同壓強狀態(tài)下的值是不同的，下面對天然氣在高壓狀況下的粘度進行計算（因為天然氣的主要成份是甲烷，甲烷的含量可高達 98 ，故在計算過程中，將天然氣的物理性質以甲烷為準）。 根據(jù)烴類物理化學數(shù)據(jù)手冊 822 頁，關于高壓下氣體粘度的計算， （0） =1.08 1 . 8 5 8 e x p ( 1 . 4 3 9 ) e x p ( 1 . 1 1 ) rr （ 3-2） cr VV （ 3-3） 1634()ccTM W P （ 3-4） 再根據(jù)烴類物理化學數(shù)據(jù)手冊 896 頁和 86 頁查得關于甲烷的參數(shù)如下： 絕對粘度0=109.95 10-7Pag s, 臨界壓力 Pc=4604KPa=4604000/1.01325=46.04atm 臨界溫度cT=190.58K, 臨界體積cV=0.099 10-3m3/mol， 分子量 MW=16.0139 則計算得： 16341 9 0 . 5 8()1 6 . 0 1 3 9 4 6 . 0 4 =0.0467 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 1 1 11 . 4 3 91 . 0 8 rree 當天然氣壓強為 20MPa 時， 2000 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.884 則， 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 4 3 9 0 . 8 8 4 1 . 1 1 1 0 . 8 8 41 . 0 8 ee 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 13 =1.08 （ 3.568-0.413） =3.407 1 0 9 . 9 5 7 2 . 9 6 =182.9 P 當天然氣壓強為 2MPa 時， 200 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.0884 則， 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 4 3 9 0 . 0 8 8 4 - 1 . 1 1 1 0 . 0 8 8 41 . 0 8 e - e =1.08 （ 1.136-0.988） =0.1598 -109.95=0.1598/0.0467=3.423 =133.27 P 當天然氣壓強為 0.5MPa 時， 50 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.0221 則， 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 4 3 9 0 . 0 2 2 1 - 1 . 1 1 1 0 . 0 2 2 11 . 0 8 e - e =1.08 （ 1.0323-0.9991） =0.0359 -109.95=0.769 =110.72 P 當天然氣壓強為 0.3MPa 時， 30 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.01326 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 4 3 9 0 . 0 1 3 2 6 - 1 . 1 1 1 0 . 0 1 3 2 61 . 0 8 e - e =1.08 （ 1.0193-0.9996） =0.0218 -109.95=0.446 =110.4 P 當天然 氣壓強為 0.2MPa 時， 14 r 20 . 0 9 9 2 2 . 4cVV =0.00884 7( 1 0 9 . 9 5 1 0 ) 0 . 0 4 6 7 = 1 . 8 5 81 . 4 3 9 0 . 0 0 8 8 4 - 1 . 1 1 1 0 . 0 0 8 8 41 . 0 8 e - e =1.08 (1.0128-0.9998) =0.014 -109.95=0.3 =110.25 P 查液壓與氣動技術 946 頁得氣體流經(jīng)平行圓環(huán)平面縫隙的質量流量為： 3 2 21221()1 2 l nmh P PqrRTr （ 3-5） 式中， r1、 r2 為圓環(huán)的大、小半徑， r1=5.5mm， r2=7.5mm 氣體常數(shù) R=0.5183KJ/Kg K=518.3J/Kg K 當 P1=20MPa， P2=0.5MPa 時， 3 2 2 1 2m a x73 . 1 4 ( 2 0 0 . 5 ) 1 040 0 . 7 1 71 8 2 . 9 1 1 0 . 7 2 7 . 53600 1 2 1 0 5 1 8 . 3 3 2 3 . 1 5 l n2 5 . 5h maxh=0.039 410 m=0.0039mm 當 P1=2MPa， P2=0.5MPa 時， m a x3 2 273 . 1 4 ( 2 0 . 5 )40 0 . 7 1 71 3 3 . 2 7 1 1 0 . 7 2 7 . 53600 1 2 1 0 5 1 8 . 3 3 2 3 . 1 5 l n2 5 . 5h maxh=0.173 410 m=0.0173mm 氣體從小孔流出流經(jīng)兩圓盤平面間的縫隙時，作用于圓盤的總壓力公式為： 2 2 2122 2 2 121() ()2 l n ( )aPPF P r r rrr 一 （ 3-6） 當1P=20MPa 時，高壓天然氣作用于閥芯的力為： 66 3 2 3 2 3 23 . 1 4 ( 2 0 0 . 5 ) 1 00 . 5 1 0 3 . 1 4 ( 7 . 5 1 0 ) ( 7 . 5 1 0 ) ( 5 . 5 1 0 ) 7 . 52 l n ( )5 . 5aF 一 =88.3125+2567.7 =2656N 當 1P =2MPa 時，高壓天然氣作用于閥芯的力為： 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 15 6 6 3 2 3 2 3 23 . 1 4 ( 2 0 . 5 ) 1 00 . 5 1 0 3 . 1 4 ( 7 . 5 1 0 ) ( 7 . 5 1 0 ) ( 5 . 5 1 0 ) 7 . 52 l n ( )5 . 5aF 一 =88.3125+197.516 =285.8N 當1P=20MPa，2P=0.32MPa 時，膜片芯子受膜片向上的推力為： F P A F 一 芯 一 芯 有 效 （ 3-7） 214dA 222 1 1有 效2d d d（ - ）4 4 d （ 3-8） 其中，2d為閥室內徑，1d為上壓板的直徑 2d=64mm，1d=40mm 3 2 3 2 3 23 . 1 4 ( 6 4 1 0 ) 3 . 1 4 ( 4 0 1 0 ) 4 0 3 . 1 4 ( 4 0 1 0 )4 4 6 4 4A 有 效 =3685 610 2m 則， 6 h3 6 8 5 1 0 a lFF 5 杠 桿一 芯杠 桿（ 3.2-1 ） 10 =810.7-700.9 20.536 =109.8N 110N 當1P=20MPa，2P=0.55MPa 時，膜片芯子受膜片向上的推力為： F P A F 一 芯 一 芯 有 效 = 56 h( 5 . 5 1 ) 1 0 3 6 8 5 1 0 alF 杠 桿杠 桿 =1685.25-2656 9.536 =957.4N 957N 當1P=2MPa，2P=0.32MPa 時，膜片芯子受膜片向上的推力為： F P A F 一 芯 一 芯 有 效 = 6 h3 6 8 5 1 0 a lF 5 杠 桿杠 桿（ 3.2-1 ） 10 16 =810.7-285.8 9.536 =735.3N 735N 當1P=2MPa，2P=0.55MPa 時，膜片芯子受膜片向上的推力為： F P A F 一 芯 一 芯 有 效 =56 h( 5 . 5 1 ) 1 0 3 6 8 5 1 0 a lF 杠 桿杠 桿 = 9 . 51 2 8 9 . 7 2 8 5 . 836 =1582.8N 1583N 通過以上計算可知，彈簧在1P=20MPa，2P=0.32-0.55MPa 時的受力范圍為110N-957N；在1P=2MPa，2P=0.32-0.55MPa 時的受力范圍為 735 N1583N 。因此，要保證1P=2-20MPa 時，2P=0.3-0.55MPa 時，彈簧的受力范圍必須在 735N-957N范圍內。 在彈簧的設計中，試取初始壓縮量1=2mm，所受壓力1P=160N，2=4mm，2P=454N，彈簧自由高度 H彈 簧=30mm。 則， 2k=2121PP = 454 16042 =147N/mm 當1P=20MPa 時，max1h=0.0039mm 又因為杠桿的長度 l杠 桿=36mm，高度 h杠 桿=9.5mm， 所以，1P=20MPa 時，彈簧在工作時的作用力變化值為： F = 360 .0 0 3 9 1 4 79 .5 =2.18N 3N 又因為閥芯的行程 l閥 芯 行 程=0.5 0.01mm，膜片芯子的實際上移距離： 1l 芯 子 變 動 360 . 5 1 . 8 9 m m9 . 5 所以，彈簧在 0P =220MPa， 1P 最大時的受力為： 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 17 maxF=111lPK 芯 子 變 動 = 1601 6 0 1 .8 92 =311N 彈簧在0P=220MPa，1P最小時的受力為： m in m a xF F F =311-3 =308N 根據(jù)對彈簧的設計，可算出在該彈簧的作用下，一級減壓閥閥室的氣體在0P=2-20MPa 時的實際壓力范圍值。 5m a x1 s m a x 1 . 1 1 0FP A 有 效 = 56311 1 . 1 1 03 6 8 5 1 0 = 51.94 10 Pa 5m i n1 s m i n 1 . 1 1 0FP A 有 效 = 56308 1 . 1 1 03 6 8 5 1 0 = 51.93 10 Pa 通過以上計算，一級減壓彈簧可設計如下： 自由高度10H=30mm，11=2mm，11P=160N，12=4mm，12P=454N，1 21.5m mD ，1d 3.5mm，中徑12D=18mm，總圈數(shù)為 5.5 圈，有效圈數(shù)為 3.5 圈，旋向右，熱處理 HRC4550，彈簧表面不得有任何傷痕和毛刺 ，表面法蘭處理。 該彈簧的示意圖如下圖 3.1 所示： 18 圖 3.1 一級減壓閥彈簧 下面對該彈簧進行強度校核： 根 據(jù) 機械 設 計 手 冊 13 7-5 頁，表 7.1-4 彈 簧 常 用 材 料（ 摘 自GB/T1239.6-1992）彈簧材料選擇閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲（ GB4359）牌號為 65Mn，這類材料的性能是強度高，性能好，用于內燃機閥門彈簧或類似用途彈簧，直徑 2.0-6.0mm，而本設計的彈簧絲直徑 d=3.5mm，滿足要求；推薦溫度范圍為 -40-150， 而本設計的減壓閥要求在 -5-85 ，符合推薦溫度范圍。根據(jù)表 7.1-6彈簧鋼絲的抗拉強度b（摘自 GB/T1239.6-1992） 直徑為 3.5mm 的由該材料制成的彈簧的b=1422MPa，由 7-10 頁的計算公式可得： 旋繞比 C=dD=5.318=5.14，滿足 4C10 的要求； 曲度系數(shù) K=CCC 615.044 14 (3-9) K=14.5 615.0414.54 114.54 =1.18+0.12 =1.3 由公式 7.1-3 pdKCFdK D F 23 88 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 19 式中， F=12 PP=454-160=294N 則 , M PadKCF6.4 0 8)105.3(14.32 9 414.53.188232 再由 7-8 頁表 7.1-8 彈簧的許用應力（摘自 GB/T1239.6-1992）可知，由淬火回火鋼絲制成的壓縮彈 類（指受變載荷作用次數(shù)在 106 以上的彈簧）的許用切應力p為（ 0.35 0.40）b，為了安全，取最小值p=0.35b 則 , p=0.35b =0.35 1422 =497.7MPa 因此，p =408.6MPa，滿足強度要求，此設計合理。 3.2 二級減壓閥的設計 3.2.1 二級減壓閥的工作原理 二級減壓閥的工作原理與一級減壓閥的工作原理基本一致，也屬于常開式減壓閥，利用縫隙進行減壓，但也有一定的不同的地方，二級減壓閥的壓力彈簧是鈕簧，可調節(jié)，而杠桿是不可調節(jié)的，閥芯可實現(xiàn)微調。 3.2.2 二級減壓閥閥室及蓋板、杠桿、上檔板的設計 二級閥室設計在殼體的背面，閥 口內徑 d二 級 閥 口=5mm，閥口外徑 D二 級 閥 口=8mm。二級閥室除了與一級閥室聯(lián)通外，還與怠速閥閥室和三級閥閥室聯(lián)通，二級閥室上面有閥蓋，三級閥口設計在二級閥蓋上。二級閥與一級閥一樣，利用縫隙減壓原理對其進行減壓，二級閥膜片的實際受力并移動的面積與蓋上 49 的孔面積相等。二級閥膜片上擋板直 徑2D下 檔初選 31mm，杠桿在左端部分的轉臂初選為26.5mm，右端部分的轉臂長度初選為 16.5mm，即2al杠 桿=26.5mm，2bl杠 桿=16.5mm。 3.2.3 二級減壓閥彈簧的設計 由已知條件得知，當二級閥口vq=0 時，2P=0.21MPa，1P=0.38MPa，當二級閥口流量 vq=40 3m /h 時，2P=0.19MPa，1P=0.36MPa。 根據(jù)公式 3-5，可算出二級閥口在 0P =2-20 MPa 時的最大縫隙 maxh 。 20 maxh= 23 122121 2 l n ( )()mrq R TrPP 式中： mq= 40 0.7173600=0.00797Kg/s， = 1 8 2 . 9 1 1 0 . 7 2 7102 =146.81 710 P R=518.3 /J Kg K T=50+273.15=323.15K 2r =2D二 級 閥 口=82=4mm 1r = d2二 級 閥 口=52=2.5mm 1P =0.36MPa 2P=0.19MPa 則 maxh= 731240 . 0 0 7 9 7 1 2 1 4 6 . 8 1 1 0 5 1 8 . 3 3 2 3 . 1 5 l n2 . 53 . 1 4 1 0 22（ 0.36 ） （ 0.19 ） =0.722 410 m =0.0722mm 則，膜片芯子的最大移動量為： 2 6 . 50 . 0 7 2 2 1 6 . 5l 芯 子=0.116mm 膜片芯子受膜片向下的作用力： F二 芯 = 2PA二 芯 有 效 (3-10) 其中， P二 芯為膜片在流量最大時上下面之間的壓力差，2A有 效為與二級彈簧壓力相等的作用力除以膜片上下面之間的壓力差后的值。 2223 . 1 44 9 4DA 22 2 上 擋 2 上 擋 下 擋有 效3 . 1 4 D D3 . 1 4 4 9（ - ）44 = 223 1 3 . 1 4 3 14 9 4 23 . 1 4 4 9 3 . 1 4 3 1（ - ）44 =（ 1884.785- 754.385） 0.633 754.385 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 21 =1470 2mm 當2P=0.21MPa 時，膜片芯子 受膜片向下的作用力為： 61 4 7 0 1 0F 6二 芯 （ 0.21-0.11 ） 10 =147N 當2P=0.19MPa 時，膜片芯子受膜片向下的作用力為： 6 1 4 7 0 1 0F 6二 芯 （ 0.19-0.11 ） 10 =117.6N 118N 在上述計算式中， 60.11 10 Pa 為大氣壓的壓力，三級閥室的壓力約等于大氣壓。 根據(jù)上述計算可得二級彈簧在2 0 . 1 9 0 . 2 1P M P a的情況下的受力范圍為118N147N，則其彈性系數(shù)為： 2()FFKl二 芯 二 芯芯 子 (3-11) K2 = 147 1180.116=250N/mm 由以上計算可看得出來，2K值太大，根據(jù)經(jīng)驗，可選2K=40N/mm，這樣，二級閥的氣體變化量可控制在 0.0032MPa 左右，通過調節(jié)閥芯和膜片芯子上與彈簧相接觸的螺母，使其滿足2P=0.190.21MPa 這一條件。 現(xiàn)將二級減壓閥彈簧的結構示意圖如下圖 3.2 所示： 圖 3.2 二級減壓閥彈簧 22 3.3 三級減壓閥的設計 3.3.1 三級減壓閥的工作原理 在本次設計中，三級減壓閥是常閉式的閥，主要是利用閥室的真空度進行調壓。當閥室內的真空度為 0 或是不夠大時，在壓力彈簧的作用下，閥口處于關閉狀態(tài)。當閥室處于負壓或真空度大于一定的值時，膜片兩邊的壓力差使膜片向閥室里運動，帶動杠桿克服彈簧壓力，使閥口打開供氣。三級壓力彈簧的壓力可以根據(jù)具體的 情況進行調節(jié)。天然氣的流量完全由發(fā)動機的真空度進行調節(jié)。 3.3.2 三級減壓閥蓋板、杠桿、上擋板、閥口的設計 三級閥蓋的底邊外徑與減壓閥殼體底邊的外徑相同，初選 192mm，閥蓋的底邊寬度初選為 11mm，可安裝 M6 的螺栓和螺母。蓋板的 8 個螺孔均布，在閥蓋上還有 4 個進氣孔，從而使膜片與大氣相通。 杠桿的長度初選為 85mm，頭部與三級調節(jié)彈簧相連，在安裝閥芯的部位有一塊墊板，在墊板上絞螺紋孔使閥芯更加牢固。下面是三級減壓杠桿剖面簡圖。 圖 3.3 三級減壓閥杠桿 三級閥口的內徑初選為 8mm，外徑初選為 11mm，三級閥的真空度一般為0.31KPa。 三級閥的上擋板的直徑初選3上 擋D=45mm，厚度初選 1.5mm，中間開 5.5 的孔。 3.3.3 三級減壓閥調節(jié)彈簧的設計 三級閥膜片芯子受膜片向上的作用力為： 3F A P 三 芯 有 效 真 (3-12) 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 23 3A有 效= 214d 222 1 12d d d（ - ）4 4 d = 223 3 34 1 9 2 1 2 2 4D D D 2 上 擋 上 擋 上 擋（ 1 9 2 - 1 2 2 ）4 = 223 . 1 4 3 . 1 4 4 5 4 5 3 . 1 4 4 54 1 9 2 1 2 2 4 2（ 1 9 2 - 1 2 2 ）4 = （ 22155.84-1589-625 ） 0.268+1589.625 =7101.4 2mm 637 1 0 1 . 4 1 0 0 . 3 1 0F 三 芯 =2.2N 6 37 1 0 1 . 4 1 0 1 1 0F 三 芯 =7.1N 當流量為 40 3/mh時，三 級閥口的最大縫隙maxh為： 23 1m a x 22211 2 l n()mrq R TrhPP = 732 2 1 25 . 51 2 0 . 0 0 7 9 7 1 4 6 . 8 1 1 0 5 1 8 . 3 3 2 3 . 1 5 l n43 . 1 4 ( 0 . 1 9 0 . 1 1 ) 1 0 =0.998 410 m =0.0998mm 膜片芯子的移動量為： l三 芯 = max 5711h = 570.0998 11 =0.517mm 三級壓力彈簧在三級閥真空度為 0.31KPa 時的最小壓縮為： m a x 5 7 5 72 . 2 1 1 . 41 1 1 1F F N 三 彈 三 芯 m a x 5 7 5 77 . 1 3 6 . 81 1 1 1F F N 三 彈 三 芯 現(xiàn)把三級壓力調節(jié)旋鈕剛旋入時的彈 簧長度初選為 35mm，把三級壓力調節(jié)旋鈕旋緊后的彈簧長度初選為 29.8mm，則三級壓力調節(jié)彈簧可設計如下： 0 35H mm，1 31.6mm ，1 3PN，2 29.8mm ，2 4.8PN，彈簧絲直徑 d=0.7mm，彈簧中徑為 6.5mm，總圈數(shù)為 12，有效圈數(shù)為 4310 ，彈簧需要熱處理，回火，表面氧化，兩端面并緊磨平。 下面對該彈簧進行強度校核： 24 根 據(jù) 機械 設 計 手 冊 13 7-5 頁，表 7.1-4 彈 簧 常 用 材 料（ 摘 自GB/T1239.6-1992）彈簧材料選擇碳素彈簧鋼絲（ D 級），這類材料的性能是強度高，性能好， D 級用于高應力彈簧，直徑 0.08 6.0mm，而本設計的彈簧絲直徑d=0.7mm，滿足要求；推薦溫度范圍為 -40 130， 而本設 計的減壓閥要求在 -5 85 ，符合推薦溫度范圍。根據(jù)表 7.1-5 彈簧鋼絲的抗拉強度b（摘自GB/T1239.6-1992） 直徑為 0.7mm 的由該材料制成的彈簧的b=1710MPa，由 7-10頁的計算公式可得： 旋繞比 C=dD=7.08.5=8.29，滿足 4C10 的要求； 曲度系數(shù) K=CCC 615.044 14 =29.8 615.0429.84 129.84 =1.1+0.07 =1.17 由公式 7.1-3 pdKCFdK D F 23 88 式中， F= 12 PP =4.8-3=1.8N 則， M PadKCF7.90)107.0(14.38.129.817.188232 再由 7-8 頁表 7.1-8 彈簧的許用應力（摘自 GB/T1239.6-1992）可知，由碳素鋼絲制成的壓縮彈 類（指受變載荷作用次數(shù)在 106 以上的彈簧）的許用切應力p為（ 0.30 0.38）b，為了安全，取最小值p=0.30b 則 p=0.30b =0.30 1710 =512MPa 因此，p =90.7MPa，滿足強度要求，此設計合理。 閥芯兩面的壓力差對閥芯的作用力為： 2 68 104FP 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 25 = 2563 . 1 4 81 . 0 1 0 1 04 =5.024N 通過調節(jié)三級壓力調節(jié)旋鈕可調節(jié)三級閥的初始開度。 3.3.4 三級減壓閥膜片的設計與校核 三級減壓閥減壓的原 理主要是根據(jù)真空度的原理進行減壓，三級閥與大氣相通，利用膜片內外的壓差進行氣體的控制?，F(xiàn)對三級閥的膜片進行設計。 三級閥的膜片直徑與外殼的外徑基本相同，初選 196mm，內徑初選 180mm，周圍開 8 個 6 螺紋孔，使連接三級閥蓋與閥體的螺紋從中穿過。厚度初選 3mm?，F(xiàn)將膜片示意圖表示如圖 3.4： 圖 3.4 三級減壓閥膜片 對三級閥膜片進行校核： 根據(jù)實用閥門設計手冊 111134 頁表 5-235 橡膠膜片厚度計算公式： 0 .7 c mzm mPAD (3-13) 式中，減壓閥的出口壓力cP=0.3-1KPa 26 膜片的自由面積mzA 221 8 0 6444 =25434-113 =25321 2mm 膜片的直徑mD=196mm 膜片的厚度 m 1mm 則， 0.7c mzmmPAD =11 9 614.3 2 5 3 2 1103.07.03 =0.01MPa 查 1134 頁表 5-236 橡膠的許用剪切應力 =2.4MPa 所以， ，強度滿足要求。 3.4 怠速閥的設計 3.4.1 怠速閥的工作原理 怠速閥是在發(fā)動機起 動時從二級閥向發(fā)動機直接輸氣的閥。在發(fā)動機剛起動時，由于發(fā)動機沒真空度，供給發(fā)動機起動的氣體只能從二級閥室直接輸出。在怠速閥中有一個與閥體旋緊且密封的室，它與二級閥室相連通。當電磁鐵通電時，閥芯向上移動，氣體由二級閥經(jīng)斜孔流入密封室，再經(jīng)垂直小孔流入閥體內腔，并最終流入發(fā)動機。 3.4.2 怠速閥閥室及閥體的設計 怠速閥閥室的結構簡圖如下圖所示： 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 27 圖 3.5 怠速閥閥室 閥室的 62 的內腔可放置電磁鐵， M14 螺紋可與閥體旋合， 氣體只貯存在M14 螺孔腔內。 22 圓端面用密封墊圈密封。 怠速閥體是用 QAL10-4-4 材料制作而成，它的形狀如下圖所示： 圖 3.6 怠速閥閥體 閥體左邊的 M12 的螺紋可與螺母旋合，從而固定住電磁鐵， 10 內腔可放置閥芯和調節(jié)螺栓，右邊的 M14 的螺紋與閥室 M14 的螺紋旋合，并壓緊密封墊圈。 28 6 圓柱從閥室底孔 6.5 穿過。 3.4.3 怠速閥芯及怠速閥彈簧的設計 怠速閥芯是用電工鋼 DT4 材料制成的。閥芯的剖視簡圖如下圖所示： 圖 3.7 怠速閥閥芯 因為彈簧設計與閥芯的質量有關，即減壓閥倒置時，閥芯不能移動，這就意味著彈簧的最小壓縮力應大于閥芯的重力。下面對閥芯的重力進行粗略計算。 G m g vg (3-14) 根據(jù)上面的視圖可得： hSv (3-15) v= 2 2 2 23 . 1 4 1 0 3 . 1 4 7 3 . 1 4 3 . 8 3 . 1 4 4 . 51 9 3 1 . 9 6 . 54 4 4 4 =1491.5+115.4+21.5-103.3 =1525.1 2mm =1.525 6310m 查 DT4 的密度 =7.85 3/g cm =7.85 3310 /Kg m 則 G vg = 367 . 8 5 1 0 1 . 5 2 5 1 0 9 . 8 =0.12N 對于彈簧的設計，先選擇彈簧的材料為碳素彈簧鋼絲 a1.1-d制成的。把彈簧壓縮后的最大長度設計初選為 18mm，彈簧的自由長度初選為 24mm，則彈簧的1=6mm，1P=3.2N，中徑2D=15mm， d=1.1mm，右旋，總圈數(shù)為 6，有效圈數(shù) 4。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 29 3.5 其他重要零部件的設計 3.5.1 高壓電磁閥閥芯、先導閥、彈簧的設計 高壓電磁閥先導閥是用 59-1 鉛黃銅制作而成的，它放置在 8 的閥體內腔里，其形狀如下圖 3.8 所示： 圖 3.8 高壓電磁閥先導閥 先導閥的重 量輕，體積小，容易被磁鐵吸起，它的 5 孔可裝入彈簧的一端， 4 的柱體用于堵住閥芯的 1.5 孔。閥芯的體積大，受壓力大，不易被電磁鐵吸起，當先導閥被吸起后， 2 20MPa 的氣體從閥芯 1.5 的小 孔流出后，閥芯下部的壓強在不斷增大，兩邊的壓差逐漸消失，閥芯被電磁鐵很容易的提起，閥芯的簡圖如圖 3.9 所示。 圖 3.9 高壓電磁閥閥芯 高壓電磁閥彈簧的初始壓力為1P與閥芯和先導閥的重力有關，先導閥與閥芯的重量粗略計算如下： 查得 59-1 鉛黃銅的密度 = 338 .5 1 0 /K g m 根據(jù)以上兩個 簡圖可計算出體積 30 2 2 2 2 23 . 1 4 8 3 . 1 4 5 3 . 1 4 4 3 . 1 4 8 3 . 1 4 46 4 1 3 9 94 4 4 4 4v + 2 2 23 . 1 4 8 3 . 1 4 4 3 . 1 4 1 . 5( 1 2 3 6 3 ) 64 4 4 = 3 0 1 . 4 4 7 8 . 5 1 6 3 . 2 8 4 5 2 . 1 6 1 1 3 . 0 4 ( 2 0 0 . 9 6 2 5 . 1 2 ) 1 0 . 6 = 3890.58mm = 938 9 0 .5 8 1 0 m 則 G vg = 398 . 5 1 0 8 9 0 . 5 8 1 0 9 . 8 =0.08N 故，彈簧的初始壓縮力1P初選 1.8N，1初選 7mm，2P初選 2.5N，2初選 5mm，自由高度0H初選 12mm，彈簧中徑2D初選 4mm，彈簧絲直徑 d 初選 0.4mm，總圈數(shù)為 8 圈，有效圈數(shù)為 7 圈，該彈簧是由 QBe-2 材料制成，要求兩端面并緊磨平。 3.5.2 安全閥及其彈簧的設計 安全閥可保證減壓閥的安全，它采用彈簧式自動排氣泄壓的方式設計而成。安全閥包括閥體、調節(jié)螺 塞、彈簧、閥芯、墊圈等部分。它被組裝后安裝在一級減壓閥的側壓口，從而保證一級閥室的氣壓不超過額定壓力的 1.3 倍，即 0.65MPa。 安全閥的設計簡圖如圖 3.10 所示： 圖 3.10 安全閥閥體 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 31 當一級閥室的壓力達到 0.65MPa 時，閥芯的受力 F 計算如下： 1 m a xF P A小 孔 (3-16) F = 2663 . 1 4 4 . 50 . 6 5 1 0 1 04 =10.33N 則，設計彈簧的初始壓力1 21PN，1 10mm ，自由高度0 15.5H mm，中徑2D=6mm，彈簧絲直徑 d=0.8mm，旋向右，總圈數(shù)為 6.5 圈，有效圈數(shù)為 4.5 圈，回火處理， HRC42-47，由碳素彈簧鋼絲 a 材料制成。 3.5.3 進氣接頭的設計 進氣接頭采用 45 號鋼制作而成，進氣接頭左端裝氣壓表，右端接天然氣管，天然氣進氣管可用右邊的螺母旋合。進氣接頭的強度試驗應力為 27.5Mpa。進氣接頭如圖 3.11 所示： 圖 3.11 進氣接頭 進氣接頭最危險的截面為 A-A 截面，這一危險截面必須要進行強度校核。 由簡明材料力學 10知識可知： bF PSSS (3-17) 式中， 0.8 0.1MPa S d L （ d 為 14.5 孔的內徑， L 為其寬度） 32 ()S D d L （ D 為 14.5 的外徑） 則 bPSS = 62 7 . 5 1 0 4 ( 6 3 2 5 1 9 2 )( 1 4 . 5 4 ) ( 6 3 2 5 1 9 2 ) = 610.5 10 =10.5MPa 查簡明材料力學 10可知， 45 號鋼的許用應力 =186MPa，由此可知： 1 8 6 M P a 所以，該進氣接頭設計合理。 3.5.4 一級閥蓋連結螺柱和三級閥蓋連結螺栓的選擇 由于各級減壓閥的試驗壓力為 0.8 0.1MPa ，一級閥蓋連結螺柱和三級閥蓋的連結螺栓必須承受得住 0.9MPa 的天然氣所施加的拉力。下面在此基礎上對螺柱和螺栓進行選擇和強度校核。 由于之前在計算的過程中，閥蓋外徑初選 192mm 底邊寬度初選 11mm，根據(jù)該寬度，可安裝 M6 1 的螺栓和螺母，材料選擇 50 鋼，下面對其進行強度校核。 214bPSFdS n 一 級 內 腔 22244dPd n一 級 內 腔 222Pddn一 級 內 腔 (3-18) 式中， d一 級 內 腔為一級減壓閥閥室內徑， P 為試驗壓力， n 為起主要作用的螺栓數(shù)，2d為螺栓中徑，查機械工程及自動化簡明設計手冊 12419 頁表 C-1 得， 2d =d 0.6495P (3-19) 2d= 6 0.6495 1 =5.3505mm 則， b 222Pddn一 級 內 腔 = 6 3 2320 . 8 1 0 ( 6 4 1 0 )( 5 . 3 5 0 5 1 0 ) 4 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 33 = 628.6 10 Pa =28.6 MPa 根據(jù)機械設計 784 頁表 5-10 螺紋聯(lián)接的安全系數(shù) S，可知， M6 的螺栓在不控制預緊力承受變載荷時合金鋼的安全系數(shù)為 10-6.8,為了安全起見，取安全系數(shù) S=10。 再根據(jù)機械設計 784 頁查得螺栓的許用拉應力計算公式為： sS (3-20) 上式中，s為螺紋連接件材料的屈服極限， S 為安全系數(shù)。 查資料知 50 鋼徑調質處理的屈服極限s=392 6210 /Nm 6 63 9 2 1 0 3 9 . 2 1 010sS 則， b=28.6MPa，滿足要求。 因此，一級閥蓋連結螺栓選 50 鋼，材料，調質處理，螺紋外徑初選 6mm，螺紋的外形尺寸如圖 3.12 所示： 61.53 5 8.530 圖 3.12 一級閥蓋連結螺栓 螺柱在壓鑄外殼時采用預埋處理的方法與殼體連為一體。 三級閥蓋連結螺栓與一級閥蓋連結螺栓一樣，應對其強度進行校核。 如果三級螺柱選用 75 鋼，螺紋取 M6，則其所受拉力計算如下： 22b 2 22 244dPPdFdS d nn 三 級 內 徑三 級 內 徑 （ 3-21） 上式中， d三 級 內 徑為三級減壓閥閥室的內徑，取其值為 170mm， P 為試驗壓力， 34 2d為螺栓中徑， n 為螺栓數(shù)。 則 b222Pddn三 級 內 徑 = 6 3 2320 . 8 1 0 (1 7 0 1 0 )( 5 . 3 5 0 5 1 0 ) 8 =101MPa 三級螺栓為松螺栓連接?？蓮臋C械設計 7的 84 頁表 5-10 查得松螺栓連接的安全系數(shù) S=1.2 1.7，為了安全起見，取 S=1.7。 將 S=1.7 代入公式 sS 可得： 3 1 2 . 8 2 0 7 . 51 . 7s M P aS 則， 1 0 1b M P a 上式計算中， 352.8MPa 為 45 鋼材料經(jīng)正火處理后的屈服極限，其值從機械設計手冊 14464 頁查得。 根據(jù)以上計算，三級螺栓應選擇經(jīng)正火處理的 45 鋼 M6 1 螺栓。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設計 35 4 天然氣汽車減壓裝置的使用說明 4.1 天然氣汽車減壓裝置的使用注意事項 1. 天然氣汽車減壓裝置在安裝時，應該 檢查和調整一、二級壓力，使其在規(guī)定的范圍內工作（一級減壓閥壓強為 3.2-4.5MPa，二級減壓閥的壓強為0.19-0.21MPa），并使閥芯吃合均勻，密封嚴密。 2. 如果發(fā)現(xiàn)發(fā)動機運轉不正常，應該及時檢查并調整天然氣汽車的減壓裝置。如二、三級彈簧精度下降，可通過調整繼續(xù)使用，如一級彈簧精度下降，則需要拆換彈簧。 3. 如果發(fā)現(xiàn)貯氣瓶天然氣燒不完或不能用至 1KPa 以下，應檢查一級閥芯間隙是否過小，一、二級減壓閥的壓力是否在規(guī)定的范圍內，高壓電磁閥閥芯是否有卡滯現(xiàn)象，如果出現(xiàn)以上問題，應該對其進行調整或拆換零 件。 4.2 天然氣汽車減壓裝置的拆裝、檢查與調整 4.2.1 拆卸 1. 卸下高壓電磁閥線圈固定螺母，取下線圈。 2. 卸下高壓電磁閥閥筒，取出閥芯，回位彈簧。 3. 卸下傳感器滑移電阻，卸下壓力表。 4. 拆下三級閥蓋螺栓，取下閥蓋。 5. 將三級閥膜片向離開高壓氣體進口方向滑移約 15mm，然后取下。 6. 卸下三級杠桿固定螺釘，取下三級杠桿。 7. 卸下二級閥彈簧和二級閥蓋上