氣體減壓閥的原理及應(yīng)用

針對國家標(biāo)準(zhǔn)gb1244-89減壓閥的定義，減壓閥可以通過打開部件的開口將進(jìn)口壓力降至所需的出口壓力，并利用自身的介質(zhì)能量在輸入和輸出流量變化時，以保持整體的出口壓力。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(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。1出口壓的動平衡增壓法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。穩(wěn)壓的原理是力的平衡,因?yàn)閺椈傻男谐淌窃O(shè)定的,要達(dá)到平衡,出口腔的壓力必須跟彈簧力平衡,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)閺椈伞⒒钊?、門等有一定的質(zhì)量,在移動中與閥體等一些其他零件都有摩擦。2抗壓閥的分類和基本結(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。2.1增設(shè)了平衡腔結(jié)構(gòu)通過彈簧來設(shè)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(如圖2),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(把活塞頂開,從活門桿上方的小孔處排出);也可以保證由于設(shè)定壓力過高時自動排氣降壓,而不必在出口端排氣降壓。2.2彈簧活塞式通過彈簧來設(shè)定出口壓力,彈簧力的傳遞通過膜片來實(shí)現(xiàn)。分為普通型和改進(jìn)型,結(jié)構(gòu)與彈簧活塞式差不多。由于膜片墩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。2.3結(jié)構(gòu)形式比較由于彈簧加工的限制,彈簧活塞式和彈簧膜片式氣體減壓閥的出口壓力均受彈簧力的限制,達(dá)到一定壓力后就難以再調(diào)壓力,而且動靜壓差比較大。氣腔控制活塞式通過調(diào)整控制氣腔內(nèi)氣體壓力來調(diào)整出口壓力,控制氣腔內(nèi)氣體壓力的傳遞通過活塞來實(shí)現(xiàn)。分為普通型和改進(jìn)型,有無平衡腔結(jié)構(gòu)的區(qū)別。優(yōu)點(diǎn)是出口壓力穩(wěn)定,流量大,動靜壓差比較小,可進(jìn)行遠(yuǎn)程控制;缺點(diǎn)是操作難度加大,應(yīng)了解基本原理后再進(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(如圖3)。2.4內(nèi)氣體壓力的傳遞氣腔控制膜片式通過調(diào)整控制氣腔內(nèi)氣體壓力來調(diào)整出口壓力,控制氣腔內(nèi)氣體壓力的傳遞通過膜片來實(shí)現(xiàn),分為普通型和改進(jìn)型。優(yōu)缺點(diǎn)跟氣腔控制活塞式基本相同,如圖4,此減壓閥增設(shè)了安全閥,安全閥的起跳是由出口壓力與控制氣腔內(nèi)氣體壓力的壓差來控制的,保證了減壓閥的運(yùn)行安全。3減壓閥的設(shè)計原理減壓閥主要由調(diào)整機(jī)構(gòu)、卸載機(jī)構(gòu)、敏感機(jī)構(gòu)、彈簧機(jī)構(gòu)等組成。3.1高壓力和壓力設(shè)計方法d口的確定調(diào)整機(jī)構(gòu)即活門和活門座。它的主要功能是調(diào)整流通面積(節(jié)流面積)的大小。調(diào)整機(jī)構(gòu)的設(shè)計準(zhǔn)則是:流損小,活動靈敏,關(guān)閉時有可靠的密封性,尺寸由設(shè)計流量來確定。結(jié)構(gòu)見圖5?；铋T座口徑按下式計算:d口=GT√入/Aμπhpλd口=GΤ入/Aμπhpλ式中d口——活門座口徑G——設(shè)計流量T入——進(jìn)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)μ——流量系數(shù)。由實(shí)驗(yàn)確定h——活門行程p入——進(jìn)口壓力一般來說,選用的活門座口徑應(yīng)比計算值略大,為了留有一定的調(diào)整余地。活門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)計流量。活門座和活門應(yīng)選用一些強(qiáng)度高、耐磨性好、加工性好的材料并根據(jù)密封要求的不同,選用不同的密封材料。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)計和加工。3.2平衡腔結(jié)構(gòu)的設(shè)計卸載機(jī)構(gòu)的作用是卸掉一部分負(fù)載,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(見圖6)。在活門的整體形狀設(shè)計中,使進(jìn)出口壓力在活門上下作用面上相互抵銷,使密封力完全由活門彈簧來提供。也就是改進(jìn)型減壓閥的平衡腔結(jié)構(gòu)。在高、低壓腔之間必須密封,如密封性不好,不但起不了卸載作用,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形圈的選擇、擋圈的尺寸等等,務(wù)必使摩擦滯后現(xiàn)象減小到最低程度。3.3材料以及規(guī)定的種類敏感機(jī)構(gòu)的設(shè)計準(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。活塞的特點(diǎn)是耐壓能力高、行程長、無附加剛度,但質(zhì)量大、阻尼大、占據(jù)空間大。主要由O形圈,V形填料密封。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。主要由F4墊,鋁墊等密封。在實(shí)際使用中,往往會因?yàn)檎`操作而使力的平衡被破壞,造成膜片的變形,在設(shè)計中可考慮對膜片的行程進(jìn)行限制?？偠灾?具體情況具體分析,從而選擇不同的敏感元件。3.4彈簧剛度的設(shè)計彈簧機(jī)構(gòu)主要包括主彈簧、活門彈簧,還有復(fù)合彈簧。對于主彈簧而言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p出的1～2倍。Z=Gd4/D3nΖ=Gd4/D3n式中G——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。S=F/πdbSMF＜S＜[S]S=F/πdbSΜF(xiàn)＜S＜[S]式中SMF——材料的最小密封比壓S——設(shè)計比壓F——密封力d——活門通徑b——密封面寬度對密封材料F3而言,一般[S]數(shù)值取<350kg/cm2。對密封材料F