【毕业论文】天然气汽车供气系统减压装置设计【2014年汽车机械专业答辩资料】

天然气汽车供气系统减压装置设计 I 摘 要 天然气汽车减压装置是天然气的汽车的一个重要部件，它的质量好坏车的性能有很大的关系，它在天然气汽车中主要起减压和稳压的作用。因此，通过利用减压装置，可以把 2-20MPa 的压缩天然气压力降到 1-2.5kPa 进入混合器，以便与空气混合进入汽缸，由于高压气瓶中的 CNG 气体压力随着燃料充装和使用不断变化，要保持较稳定的空燃比控制，还要求无论瓶内压力如何变化，减压调节器也应保证进入混合器的燃气压力基本恒定，以此实现比较稳定的燃气与空气混合比控制。从而实现减压和稳压的作用。 本次毕业设计在原有减压产品的基础上， 对其结构布局及形状进行了修改，并对输入发动机过程中的天然气压力的变化值进行了精确的设计，主要是对一级减压阀的缝隙减压和二级减压阀的缝隙减压，以及三级减压阀利用真空度进行减压进行计算，使其能够满足减压至预期的要求。而且对各主要受载荷的零部件进行了强度校核，使选择的材料满足强度要求。预计本次设计出来的减压装置具有结构简单，外行美观，精度高的特点，可提高同类产品的质量，可以满足广大用户的需求。 关键词 ：天然气汽车；减压装置；减压阀 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 天然气汽车供气系统减压装置设计 i 全套 资料 ， 扣扣 414951605 目 录 摘要 . ABSTRACT. 绪论 .1 0.1 天然气汽车减压装置的用途和功能 .1 0.2 天然气汽车减压装置在我国的发展概况 .1 0.3 天然气汽车减压装置设计的目的和意义 .1 1 设计任务书 .3 1.1 设计题目 .3 1.2 题目说明 .3 1.2.1 设计参数规范 .3 1.2.2 符合标准 .3 1.2.3 设计思路 .3 1.3 设计方案 .3 1.4 资料调研 .4 1.4.1 减压阀的定义 .4 1.4.2 减压阀的工作原理 .4 1.4.3 减压阀的工作过程 .7 2 设计方案的研究与选择 . 9 ii 2.1 减压调节器的分类 .9 2.2 方案选择 .9 2.2.1 方案一及其优缺点 .9 2.2.2 方案二及其优缺点 .9 2.2.3 设计方案的选择 . 10 3 总体方案设计 .11 3.1 一级减压阀的设计 . 11 3.1.1 一级减压阀的工作原理 . 11 3.1.2 一级减压阀阀室的设计 . 11 3.1.3 一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计 . 11 3.2 二级减压阀的设计 . 19 3.2.1 二级减压阀的工作原理 . 19 3.2.2 二级减压阀阀室及盖板、杠杆、上档板的设计 . 19 3.2.3 二级减压阀弹簧的设计 . 19 3.3 三级减压阀的设计 . 22 3.3.1 三级减压阀的工作原理 . 22 3.3.2 三级减压阀盖板、杠杆、上挡板、阀口的设计 . 22 3.3.3 三级减压阀调节弹簧的设计 . 22 3.3.4 三级减压阀膜片的设计与校核 . 25 3.4 怠速阀的设计 . 26 3.4.1 怠速阀的工作原理 . 26 3.4.2 怠速阀阀室及阀体的设计 . 26 3.4.3 怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计 . 28 3.5 其他重要零部件的设计 . 29 3.5.1 高压电磁阀阀芯、先导阀、弹簧的设计 . 29 3.5.2 安全阀及其弹簧的设计 . 30 3.5.3 进气接头的设计 . 31 3.5.4 一级阀盖连结螺柱和三级阀盖连结螺栓的选择 . 32 4 天然气汽车减压装置的使用说明 .35 4.1 天然气汽车减压装置的使用注意事项 . 35 4.2 天然气汽车减压装置的拆装、检查与调整 . 35 4.2.1 拆卸 . 35 4.2.2 清洗、检查、更换 . 35 4.2.3 组装、调整 . 36 5 总结 .38 天然气汽车供气系统减压装置设计 iii 谢辞 . 39 参考文献 .40 天然气汽车供气系统减压装置设计 1 绪 论 0.1 天然气汽车减压装置的用途和功能 以天然气作为燃料的汽车叫做天然气汽车。 为了提高天然气汽车一次冲气行使的里程，车用天然气一般是压缩在 20MPa 存储在高压汽缸里，但发动机工作时，却要求燃气压力降到 1-2.5kPa 进入混合器，以便与空气混合进入汽缸，而且由于高压气瓶中的 CNG 气体压力随着燃料充装和使用不断变化，要保持较稳定的空燃比控制，还要求无论瓶内压力如何变化，减压调节器也应保证进入混合器的燃气压力基本恒定，以此实现比较稳定的燃气与空气混合比控制。因此在燃气供给系统中必须要有减压调节器。天然气汽车的核心和关键 部件就是减压调节器，在CNG 汽车上，减压调节器的作用主要是起减压和稳压的作用，它的性能好坏，将会直接影响到天然气汽车的性能。 0.2 天然气汽车减压装置在我国的发展概况 天然气汽车减压装置是随着天然气汽车的产生而产生的，同时，也随着天然气汽车的发展而发展。 早在 1958 年，四川就曾研制过天然气汽车，但是由于当时科技的发展，有一些技术问题不能解决，以及当时油价较低，而未能得到发展。 1986 年，四川石油管理局南充机械厂组织人员再次着手该技术的研究工作。 1988 年，中国石油天然气总公司从新西兰引进压缩天然 气充气站装置（其中就包括了减压装置），在南充建立起了全国第一座压缩天然气充气站。南充机械厂用进口配件改装了全国首批50 辆压缩天然气汽车，并结合自己的经验，根据国情，借鉴国外的先进技术，实现了天然气汽车减压装置及其他车用燃气装置的全部国产化。该装置在 1991 年通过技术鉴定， 1993 年通过部级验收，样车经测试，性能达到国外同类产品水平。目前，国内特别是四川、重庆等天然气供气减压系统生产企业已形成国产上万套的天然气汽车减压装置的产业规模，它们生产的产品成为国内各大汽车厂燃气汽车改装车用减压器的指定产品。近些年又有 四川彭州兴威、重庆恩洁威、四川宜宾海家、成飞公司等 CNG 技术开发公司的减压调节器产品不断推出。 0.3 天然气汽车减压装置设计的目的和意义 从 20 世纪 70 年代开始，国际上燃气汽车技术逐渐进入较快的发展时期 。 在当今社会，天然气与柴油的热值相当，但价格仅为柴油的三分之二左右，而且天 2 然气汽车对大气的污染小，可以大大改善环境污染和能源紧缺的问题，因此，天然气汽车以其排放清洁、技术成熟、资源丰富等特点在世界范围内已得到广泛应用 。 虽然天然气汽车在在近几年来，在我国发展的很快，但是那只是相对的。预计到 2010 年的时候， 我国民用机动车保有量将增加到 4900 万辆，而天然气汽车却只达到 100 万辆。如果以 1000 立方米天然气相对于 1 吨石油来计算，世界上天然气的储量和石油的储量是在同一数量级的。天然气汽车以其减轻环境污染、缓解石油资源的优点得到了快速发展，但是我国的天然气汽车在 2010 年只能达到100 万辆，而与世界水平相比还有非常大的差别。这主要是由于天然气汽车在发展过程中会遇到很多困难。据统计，建设一座天然气汽车加气站一次性投资大约需要 200-300 万元，保证一座中等加气站有一定的效益，至少需要有 100 辆天然气汽车，而改装一部汽 车需要投资约 100 万元。如此昂贵的投资，会让那些车主对汽车的改装望而却步。因此，我们必须对压缩天然气装置（包括减压装置）的制造和改装成本进行一次大的调整，对其性能进行改进，另一方面，在我国市场上销售的天然气减压装置一半是国产的，一半是进口的。国产减压调节器在国内的竞争力是有限的，在国际上更是有限。把国产产品打到国际市场上去就需要对现有产品的性能、外观、体积、质量、成本等关键问题进行改进和调整。 天然气的减压装置是天然气发动机供气系统中的关键部件，它需要根据发动机的不同工况改变供给混合器的低压天然气量从而使混 合器配制不同空燃比的混合气，以满足发动机的不同工况的要求。由于发动机所需要的天然气的压力很低（通常控制在 0-0.178MPa），要将 20MPa 的天然气压力降到如此低的气压是很难的，同时需要将气压稳定在所要求的范围内，从而达到由减压器出口流出的低压气量，仅由混合器喉管真空度所决定，保证调节可靠使发动机工况稳定，节约燃气，改善排放的目的。 天然气汽车供气系统减压装置设计 3 1 设计任务书 1.1 设计题目 天然气汽车供气系统减压装置设计 1.2 题目说明 1.2.1 设计参数规范 减压阀进口额定压力为 20MPa，进气接头强度试验压力 为 27.5MPa，当进气压力为 2-20MPa时，进行一级减压后，压力变化为 0.5MPa，变化许可值为 0.05MPa，进行二级减压后，压力变化为 0.2-0.3MPa，其变化许可值为 0.02MPa，之后进行三级减压，而其阀口的开启程度由发动机工作时的真空度的大小自动调节，但是可以调节初始开度。突然输出放气时，最大流量可达 40m3/h， 当气瓶压力小于2MPa 时，仍能对发动机正常供气。 1.2.2 符合标准 减压调节器各部分应符合标准 QC/T245-1998 的有关规定。 1.2.3 设计思路 根据国内外文献资料，了 解有关天然气汽车供气系统减压装置的基本情况。设计一种符合上述规范的减压装置，其中包括方案设计及工作原理的分析，总体结构设计以及重要零件的强度校核。 1.3 设计方案 根据已有国家标准和要求，一级减压阀的输入压力为 2-20MPa，而要求供给发动机的压力为负压，压力降低非常大，一级或者二级减压都不能一下就减压到规定的要求，而且减压器主要是起减压和稳压的作用，在减压过程中要吸收大量的热量，如果只采用一级或者二级减压装置，会因温度降低太多而无法达到要求，因此只能采用三级减压，才可以将输入压力降低到规定的要求。由于在 减压过程中要吸收大量的热量，减压器上一般都设有将发动机循环水引人减压器的水套，利用发动机循环冷却水的热量加热减压器。 4 1.4 资料调研 1.4.1 减压阀的定义 国标 GB12244-89关于减压阀的定义是 :通过启闭件的节流 ,将进口压力降至某一个需要的出口压力 ,并能在进口压力及流量变动时 ,利用本身介质能量保持出口压力基本不变的阀门。就是说这样的一句话已经说明了减压阀的两个基本功能。一是减压 ,即将进口压力降至某一个需要的出口压力；二是稳压 ,即能在进口压力及流量变动时 ,利用本身介质能量保持出口压力基本不变。两个基 本功能缺一不可。而节流阀虽有减压功能 ,通过启闭件的节流来实现 ,但是它没有稳压功能。 1.4.2 减压阀的工作原理 减压阀的工作原理简而言之就是： A:减压； B:稳压。减压的原理是节流 ,气体流经活门与活门座之间的缝隙时 ,压力减小 ,达到减压的目的。稳压的原理是力的平衡 ,因为弹簧的行程是设定的 ,要达到平衡 ,出口腔的压力必须跟弹簧力平衡 ,当进口压力及流量变动时 ,利用弹簧力与出口腔的压力平衡保持出口压力基本不变。这是一个动平衡过程 ,并不是瞬间完成的。因为弹簧、活门等有一定的质量 ,在移动中与阀体等一些其他零件都有摩擦。 1.4.2.1 一级减压部分 图 1.1 一级减压原理 图 1.1是一级减压原理示意图。从储气瓶流出的 CNG气体依靠自身的压力打开一级阀门，从一级阀门和阀座之间的缝隙流入一级减压室，在此过程中 CNG气体的压力被大幅度降低。在一级减压室内壁上有许多挡片， CNG气体在流过它们时压力被进一步降低。随着一级减压室中气体数量不断增多，室内压力不断升高，天然气汽车供气系统减压装置设计 5 当压力上升到一定值时，一级膜片向上凸起，压迫一级弹簧，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度减小，减少 CNG气体的进入，随着一级减压室中的 CNG气体不断进入二级 减压阀室，一级减压室中的气压降低，当压力降至某一值时，在一级弹簧预紧力的作用下，压下一级膜片，通过一级圆柱又带动一级杠杆动作，使一级阀门开度增大， CNG气体又流入一级减压室。 一级阀门的开启与关闭由一级膜片的位置决定，而一级膜片的位置又受到一级减压室压力、二级减压室压力、一级弹簧预紧力的共同影响。增加一级弹簧预紧力，降低一级减压室压力及提高二级减压室压力等都将使一级膜片下移，一级阀门开度加大；反之，一级膜片上移，则一级阀门开度减小。 1.4.2.2 二级减压部分 图 1.2 二级减压原理 图 1.2是二级减 压原理示意图。在一级减压室中经过初步减压的 CNG气体经过二级阀门进入二级减压室，由于二级阀门的节流作用，压力得到更进一步的降低。随着进入二级减压室中的气体数量的增多，当二级室内压力超过二级弹簧的预紧力时，二级膜片向上凸起，压迫二级弹簧，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度减小，减少了 CNG气体的进入量。随着二级减压室中的 CNG气体不断进入三级减压室，二级减压室中的气压降低，当压力小于二级弹簧预紧力时，在二级弹簧预紧力的作用下，二级膜片被压下，通过二级圆柱又带动二级杠杆动作，使二级阀门开度增大，进入 二级减压室的 CNG气体量又开始增多。二级阀门的开启与关闭由二级杠杆来控制，二级杠杆的动作由二级膜片位置决定，而二级膜片的位置由二级减压室压力、二级弹簧预紧力、三级减压室压力共同决定。 6 1.4.2.3 三级减压部分 三级减压是为了进一步降低天然气的压力，使其接近负压。图 1.3是三级减压、真空加浓和怠速调整的原理图。 经过两级减压的天然气通过三级阀门进入三级减压室。由于三级阀门的节流作用使 CNG气体的压力降至负压左右。接近负压的天然气由 CNG燃料出口进入混合器。三级阀门的开启和关闭受到三级杠杆的作用，而三级杠杆 的动作又受到真空膜片的位置（由真空膜片弹簧预紧力、进气管真空度及三级减压室压力决定） ,三级膜片的位置（由三级减压室的压力、下盖室压力决定）、怠速调整螺钉及三级杠杆弹簧预紧力的共同作用。 1.4.2.4 真空加浓部分 它是设置在二级减压室上方的一个真空泵室，在一定的进气管真空度范围内增加进入气缸的天然气量，达到加浓混合气的目的。真空泵室通过一个真空管引入发动机的进气管真空度。当进气管真空度增大时，真空膜片向上压缩真空弹簧，三级杠杆随之作用，加大三级阀门的开度，增加三级减压室中天然气的供给量。随着进气管真空度的 增大，三级杠杆会压下助射阀阀芯，打开助射阀，使三级减压室同二级减压室膜片与阻尼板之间的小室连通，使二级减压室膜片与阻尼板间的压力降低，二级减压阀膜片在二级弹簧预紧力的作用下向下移动，通过二级圆柱又带动二级杠杆使二级阀门开度增加，增加 CNG 气体的进气量。调节助射阀螺钉可调整助射阀通道的截面，改变进气量。 1.4.2.5 怠速调整部分 图 1.3 三级减压、真空加浓和怠速调整原理 天然气汽车供气系统减压装置设计 7 怠速工况的调整是通过旋动怠速调节螺钉实现的。向下旋动（顺时针）调节螺钉，则推动压头使三级杠杆动作，减小三级阀门的开度，从而减小天然 气的供给量；反之，向外旋动（逆时针）则使三级阀门开度增大，增加天然气的供给量。 1.4.2.6 启动加浓部分 图 1.4 启动加浓原理 可在启动时向发动机额外提供天然气，以满足启动时发动机对混合气浓度的要求。原理如图 1.4 所示。 在减压器主气道之外设置一旁通气道，旁通气道的接通与截断由起动电磁阀控制。启动时，起动电磁阀使旁通气道接通。 CNG 气体由一级减压室直接进入三级减压室，增大了天然气的供给量，起动调整螺钉用于调整旁通气道进口截面的大小，可根据需要改变启 动时 CNG 气体的供给量。 1.4.3 减压阀的工作过程 1.4.3.1 启动 发动机启动时，转速极低，混合器喉管处的气流速度及真空度都很低，因此，三级阀门的开度很小，吸出的 CNG气体数量也很少。尤其在冷启动时，由于发动机温度很低，气缸内混合气过稀，难以保证其着火与燃烧。为保证顺利启动发动机，要求在启动时减压器供给较浓的混合气，完成这项任务的装置是起动电磁阀。 发动机启动时，起动电磁阀接通，起动旁通气道打开，来自一级减压室的 CNG气体经起动电磁阀的阀门和旁通气道直接进入三级减压室，通过燃料出口供给混合气，从而 保证发动机的顺利着火运转。随着发动机转速的升高，混合器喉管中的真空度增加，三级减压室的阀门开度相应增大，从一级减压室、二级减压室送 8 出的天然气增多，可保证发动机稳定运转，起动电磁阀关闭，截断旁通气道。 1.4.3.2 怠速工况 发动机怠速运转时，由于节气门开度很小，转速又低，因此混合器喉管处的真空度很低，难以从减压器燃料出口吸出天然气，但怠速工况下节气门后面的真空度却很高，利用一真空管将此真空度引入真空泵室，节气门后的真空度越大，真空膜片压缩真空弹簧并带动三级阀门开启得越大，进入三级减压室的 CNG 便增多，这就 满足了怠速工况对混合气的要求。 1.4.3.3 一般运转工况 在发动机运转过程中，随着节气门开度的增大及转速的升高，混合器喉管处的真空度也在不断的增大，这一真空度通过主通道传到三级减压室，使三级减压室的阀门开度增大，送出较多的天然气以满足发动机的需要。 1.4.3.4 瞬变工况 汽车在运行过程中，由于路况的突变会引起发动机的转速和负荷的突然改变，从而导致喉管真空度发生变化，三级减压室的压力就会出现波动，此压力波动将会影响到三级阀门开度的大小，使三级减压室 CNG 供给量发生相应的变化，以满足发动机的需要，为了保 证减压阀在发动机瞬变工况下的工作稳定性，减压阀中各运动零件的质量应较小。 1.4.3.5 停机 发动机停止工作后，混合器喉管处及节气门后的真空度均消失，三级膜片及真空膜片均在各弹簧预紧力的作用下处于平衡状态，三级阀门在三级杠杆弹簧的作用下关闭，停止向混合器供给天然气。 天然气汽车供气系统减压装置设计 9 2 设计方案的研究与选择 2.1 减压调节器的分类 减压阀按其结构主要分为弹簧活塞式减压阀、弹簧膜片式减压阀、气腔控制活塞式减压阀和气腔控制膜片式减压阀；按多级减压室的组装方式可分为正压进气减压阀和负压进气减压阀；按减压方 式可分为杠杆式减压阀和正负式弹簧减压阀；按是否用电动控制可分为机电控制式减压阀和机械控制式减压阀。 2.2 方案选择 2.2.1 方案一及其优缺点 根据以上分析，采用三级减压，本方案拟采用三级减压，中压截止，负压进气，机械启动式。一级减压方式为杠杆减压，二级减压方式为正负弹簧减压。 本方案的工作原理方框图如下： 本方案的优点是结构紧凑，简单，铸造容易，高度小，体积小，零部件少。其缺点是不太安全，如果一级阀室损坏，高压天然气会从安全阀中排泄到大气中，污染环境，如果不关闭手动截止阀， 4.0MPa 左右的天然气 长期作用在一、二级阀室，使阀室的弹簧、橡胶的使用寿命下降，而且正负压弹簧减压精度难以控制，需要较高的技术，因此可靠性较差。本方案还有一个缺点就是起动不方便，起动时需要用人工调节怠速旋钮。 2.2.2 方案二及其优缺点 根据以上分析，采用三级减压，本方案拟采用三级减压，高压截止，负压进 10 气，一、二、三级减压方式都是采用杠杆减压，机动起动，组合式。 本方案的工作原理方框图如下： 此方案的优点是容易控制，精度高，起动容易，安全。其缺点是铸造难度大，体积大，零部件多，费用较高。 2.2.3 设计方案的选择 经过 对方案一和方案二的研究，本设计选择方案二，因为采用方案二可使减压阀操作简单，方便，而且，这种方案更加安全。但是在设计中，应该尽量降低铸造的难度，减少零部件的数量。 天然气汽车供气系统减压装置设计 11 3 总体方案设计 3.1 一级减压阀的设计 3.1.1 一级减压阀的工作原理 一级减压阀为常开式减压阀，主要由阀座、阀芯、杠杆、膜片、弹簧、减压室等部分组成。该减压阀在未通入气体时，阀芯与阀口保持一定的间隙，通入高压气体时，随着阀室压力的升高，气体作用在膜片下方并克服膜片上方弹簧的压力使膜片及其芯子产生向上的动作，从而带 动杠杆转动，使阀口关闭。当减压室的气体向二级减压阀输出后，压力降低，膜片及其芯子下移，阀口打开，使高压气体再次进入一级阀室，如此反复，使减压阀在保证流量的基础上，出口压力稳定在一定的范围内。该减压阀的压力弹簧为不可调节式弹簧，如果要调节出口压力和流量，可调节杠杆上的调节螺钉或更换压力弹簧。 3.1.2 一级减压阀阀室的设计 为了密封的严密性，阀室的壁厚初选 5mm，由于初始气体压强在 2-20MPa之间变化，气体对阀芯的冲击力在几十牛顿至几百牛顿之间变化，因此，阀室的内径不能取得太小，但是也没有必要取得太大，参 考现有减压阀，初选 64mm。阀室的容积与阀室的高度有关，容积的大小，与气体变化快慢程度相关，因此，也要取得适当，再参照已有减压阀，初选 27mm。 因为壳体及盖板的实验应力为 0.8+0.1MPa，因此，对一级阀室的强度进行如下校核： 5d 1 02hbh 一 级 一 级 一 级一 级 一 级 （ 3-1） 式中， 一 级=5mm， d一 级=64mm， h一 级=27mm 则 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，阀室的强度满足要求。 3.1.3 一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计 在设计阀口时，阀口不能取得太大，但也不能太小。阀口太大，流量难以控制，阀口太小，气体压强受到影响，因此，在参考了现有减压阀的设计之后，一 12 级阀口的内径初选 4.0mm，外径初选 6.0mm，杠杆的长度初选 36mm，高度初选9.5mm。阀芯的最大行程初选 0.5 0.1mm，膜片到一级阀盖下壁的距离初选25mm，上压板直径初选 40mm，厚度初选 3mm，则弹簧初始压缩后的长度初选为 22mm。 因为该阀的最大流量可达 40m3/h，当气体初始压强为 2-20MPa 时，阀口的实际开度并不等于 0.5 0.1mm，只有当气体压强小于 1MPa 时，阀口开度才能达到0.5 0.1mm，此时，一级阀室的压强不能保持在原定范围，但其流量可达 40m3/h。 天然气缝隙减压的压降与流量 q 的关系与其粘度有关，天然气粘度在不同压强状态下的值是不同的，下面对天然气在高压状况下的粘度进行计算（因 为天然气的主要成份是甲烷，甲烷的含量可高达 98 ，故在计算过程中，将天然气的物理性质以甲烷为准）。 根据烃类物理化学数据手册 822 页，关于高压下气体粘度的计算， （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） 再根据烃类物理化学数据手册 896 页和 86 页查得关于甲烷的参数如下： 绝对粘度0=109.95 10-7Pa s, 临界压力 Pc=4604KPa=4604000/1.01325=46.04atm 临界温度cT=190.58K, 临界体积cV=0.099 10-3m3/mol， 分子量 MW=16.0139 则计算得： 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 当天然气压强为 20MPa 时， 2000 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.884 则， 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 天然气汽车供气系统减压装置设计 13 =1.08 （ 3.568-0.413） =3.407 1 0 9 . 9 5 7 2 . 9 6 =182.9 P 当天然气压强为 2MPa 时， 200 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.0884 则， 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 当天然气压强为 0.5MPa 时， 50 . 0 9 9 2 2 . 4cr VV =0.0221 则， 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 当天然气压强为 0.3MPa 时， 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 当天然气压强为 0.2MPa 时， 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 查液压与气动技术 946 页得气体流经平行圆环平 面缝隙的质量流量为： 3 2 21221()1 2 l nmh P PqrRTr （ 3-5） 式中， r1、 r2 为圆环的大、小半径， r1=5.5mm， r2=7.5mm 气体常数 R=0.5183KJ/Kg K=518.3J/Kg K 当 P1=20MPa， P2=0.5MPa 时， 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 当 P1=2MPa， P2=0.5MPa 时， 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 气体从小孔流出流经两圆盘平面间的缝隙时，作用于圆盘的总压力公式为： 2 2 2122 2 2 121() ()2 l n ( )aPPF P r r rrr 一 （ 3-6） 当1P=20MPa 时，高压天然气作用于阀芯的力为： 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 当1P=2MPa 时，高压天然气作用于阀芯的力为： 天然气汽车供气系统减压装置设计 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 当1P=20MPa，2P=0.32MPa 时，膜片芯子受膜片向上的推力为： 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为阀室内径，1d为上压板的直径 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 则， 6 h3 6 8 5 1 0 a lFF 5 杠 杆一 芯杠 杆（ 3.2-1 ） 10 =810.7-700.9 20.536 =109.8N 110N 当1P=20MPa，2P=0.55MPa 时，膜 片芯子受膜片向上的推力为： 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 杆杠 杆 =1685.25-2656 9.536 =957.4N 957N 当1P=2MPa，2P=0.32MPa 时，膜片芯子受膜片向上的推力为： F P A F 一 芯 一 芯 有 效 =6 h3 6 8 5 1 0 a lF 5 杠 杆杠 杆（ 3.2-1 ） 10 16 =810.7-285.8 9.536 =735.3N 735N 当1P=2MPa，2P=0.55MPa 时，膜片芯子受膜片向 上的推力为： 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 杆杠 杆 = 9 . 51 2 8 9 . 7 2 8 5 . 836 =1582.8N 1583N 通过以上计算可知，弹簧在1P=20MPa，2P=0.32-0.55MPa 时的受力范围为110N-957N；在1P=2MPa，2P=0.32-0.55MPa 时的受力范围为 735 N1583N 。因此，要保证1P=2-20MPa 时，2P=0.3-0.55MPa 时，弹簧的受力范围必须在 735N-957N范围内。 在弹簧的设计中，试取初始压缩量1=2mm，所受压力1P=160N，2=4mm，2P=454N，弹簧自由高度 H弹 簧=30mm。 则， 2k=2121PP = 454 16042 =147N/mm 当1P=20MPa 时，max1h=0.0039mm 又因为杠杆的长度 l杠 杆=36mm，高度 h杠 杆=9.5mm， 所以，1P=20MPa 时，弹簧在工作时的作用力变化值为： F = 360 .0 0 3 9 1 4 79 .5 =2.18N 3N 又因为阀芯的行程 l阀 芯 行 程=0.5 0.01mm，膜片芯子的实际上移距离： 1l 芯 子 变 动 360 . 5 1 . 8 9 m m9 . 5 所以，弹簧在0P=220MPa，1P最大时的受力为： 天然气汽车供气系统减压装置设计 17 maxF=111lPK 芯 子 变 动 = 1601 6 0 1 .8 92 =311N 弹簧在0P=220MPa，1P最小时的受力为： m in m a xF F F =311-3 =308N 根据对弹簧的设计，可算出在该弹簧的作用下，一级减压阀阀室的气体在0P=2-20MPa 时的实际压力范围值。 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 通过以上计算，一级减压弹簧可设计如下： 自由高度10H=30mm，11=2mm，11P=160N，12=4mm，12P=454N，1 2 1 .5 m mD ，1d 3.5mm，中径12D=18mm，总圈数为 5.5 圈，有效圈数为 3.5 圈，旋向右，热处理 HRC4550，弹簧表面不得有任何伤痕和毛刺，表面法兰处理。 该弹簧的示意图如下图 3.1 所示： 18 图 3.1 一级减压阀弹簧 下面对该弹簧进行强度校核： 根据机械设计手册 13 7-5 页，表 7.1-4 弹簧常用材料（摘自GB/T1239.6-1992）弹簧材料选择阀门用油淬火回火碳素弹簧钢丝（ GB4359）牌号为 65Mn，这类材料的性能是强度高，性能好，用于内燃机阀门弹簧或类似用途弹簧，直径 2.0-6.0mm，而本设计的弹簧丝直径 d=3.5mm，满足要求；推荐温度范围为 -40-150， 而本设计的减压阀要 求在 -5-85 ，符合推荐温度范围。根据表 7.1-6 弹簧钢丝的抗拉强度b（摘自 GB/T1239.6-1992） 直径为 3.5mm 的由该材料制成的弹簧的b=1422MPa，由 7-10 页的计算公式可得： 旋绕比 C=dD=5.318=5.14，满足 4C10 的要求； 曲度系数 K=CCC 615.044 14 (3-9) K=14.5 61 5.0414.54 114.54 =1.18+0.12 =1.3 由公式 7.1-3 pdKCFdK D F 23 88 天然气汽车供气系统减压装置设计 19 式中， F= 12 PP =454-160=294N 则 , M P adKCF6.4 0 8)105.3(14.32 9 414.53.188232 再由 7-8 页表 7.1-8 弹簧的许用应力（摘自 GB/T1239.6-1992）可知，由淬火回火钢丝制成的压缩弹 类（指受变载荷作用次数在 106 以上的弹簧）的许用切应力p为（ 0.35 0.40）b，为了安全，取最小值p=0.35b 则 , p=0.35b =0.35 1422 =497.7MPa 因此，p =408.6MPa，满足强度要求，此设计合理。 3.2 二级减压阀的设计 3.2.1 二级减压阀的工作原理 二级减压阀的工作原理与一级减压阀的工作原理基本一致，也属于常开式减压阀，利用缝隙进行减压，但也有一定的不同的地方，二级减压阀的压力弹簧是钮簧，可调节，而杠杆是不可调节的，阀芯可实现微调。 3.2.2 二级减压阀阀室及盖板、杠杆、 上档板的设计 二级阀室设计在壳体的背面，阀口内径 d二 级 阀 口=5mm，阀口外径 D二 级 阀 口=8mm。二级阀室除了与一级阀室联通外，还与怠速阀阀室和三级阀阀室联通，二级阀室上面有阀盖，三级阀口设计在二级阀盖上。二级阀与一级阀一样，利用缝隙减压原理对其进行减压，二级阀膜片的实际受力并移动的面积与盖上 49 的孔面积相等。二级阀膜片上挡板直径2D下 档初选 31mm，杠杆在左端部分的转臂初选为26.5mm，右端部分的转臂长度初选为 16.5mm，即2al 杠 杆=26.5mm，2bl 杠 杆=16.5mm。 3.2.3 二级减压阀弹簧的设计 由已知条件得知，当二级阀口vq=0 时，2P=0.21MPa，1P=0.38MPa，当二级阀口流量 vq=40 3m /h 时，2P=0.19MPa，1P=0.36MPa。 根据公式 3-5，可算出二级阀口在0P=2-20 MPa 时的最大缝隙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 级 阀 口=82=4mm 1r = d2二 级 阀 口=52=2.5mm 1P =0.36MPa 2P=0.19MPa 则 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 则，膜片芯子的最大移动量为： 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 芯为膜片在流量最大时上下面之间的压力差，2A有 效为与二级弹簧压力相等的作用力除以膜片上下面之间的压力差后的值。 2223 . 1 44 9 4DA 22 2 上 挡 2 上 挡 下 挡有 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 天然气汽车供气系统减压装置设计 21 =1470 2mm 当2P=0.21MPa 时，膜片芯子受膜片向下的作用力为： 61 4 7 0 1 0F 6二 芯 （ 0.21-0.11 ） 10 =147N 当2P=0.19MPa 时，膜片芯子受膜片向下的作用力为： 6 1 4 7 0 1 0F 6二 芯 （ 0.19-0.11 ） 10 =117.6N 118N 在上述计算式中， 60.11 10 Pa 为大气压的压力，三级阀室的压力约等于大气压。 根据上述计算可得二级弹簧在2 0 . 1 9 0 . 2 1P M P a的情况下的受力范围为118N147N，则其弹性系数为： 2()FFKl二 芯 二 芯芯 子 (3-11) K2 = 147 1180.116=250N/mm 由以上计算可看得出来，2K值太大，根据经验，可选2K=40N/mm，这样，二级阀的气体变化量可控制在 0.0032MPa 左右，通过调节阀芯和膜片芯子上与弹簧相接触的螺母，使其满足2P=0.190.21MPa 这一条件。 现将二级减压阀弹簧的结构示意图如下图 3.2 所示： 图 3.2 二级减压阀弹簧 22 3.3 三级减压阀的设计 3.3.1 三级减压阀的工作原理 在本次设计中，三级减压阀是常闭式的阀，主要是利用阀室的真空度进行调压。当阀室内的真空度为 0 或是不够大时，在压力弹簧的作用下，阀口处于关闭状态。当阀室处于负压或真空度大于一定的值时，膜片两边的压力差使膜片向阀室里运动，带动杠杆克服弹簧压力，使阀口 打开供气。三级压力弹簧的压力可以根据具体的情况进行调节。天然气的流量完全由发动机的真空度进行调节。 3.3.2 三级减压阀盖板、杠杆、上挡板、阀口的设计 三级阀盖的底边外径与减压阀壳体底边的外径相同，初选 192mm，阀盖的底边宽度初选为 11mm，可安装 M6 的螺栓和螺母。盖板的 8 个螺孔均布，在阀盖上还有 4 个进气孔，从而使膜片与大气相通。 杠杆的长度初选为 85mm，头部与三级调节弹簧相连，在安装阀芯的部位有一块垫板，在垫板上绞螺纹孔使阀芯更加牢固。下面是三级减压杠杆剖面简图。 图 3.3 三级减压阀杠杆 三级 阀口的内径初选为 8mm，外径初选为 11mm，三级阀的真空度一般为0.31KPa。 三级阀的上挡板的直径初选3上 挡D=45mm，厚度初选 1.5mm，中间开 5.5 的孔。 3.3.3 三级减压阀调节弹簧的设计 三级阀膜片芯子受膜片向上的作用力为： 3F A P 三 芯 有 效 真 (3-12) 天然气汽车供气系统减压装置设计 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 挡 上 挡 上 挡（ 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 当流量为 40 3/mh时，三级阀口的最大缝隙maxh为： 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 膜片芯子的移动量为： l三 芯 = max 5711h = 570.0998 11 =0.517mm 三级压力弹簧在三级阀真空度为 0.31KPa 时的最小压缩为： m a x 5 7 5 72 . 2 1 1 . 41 1 1 1F F N 三 弹 三 芯 m a x 5 7 5 77 . 1 3 6 . 81 1 1 1F F N 三 弹 三 芯 现把三级压力调节旋钮刚旋入时的弹簧长度初选为 35mm，把三级压力调节旋钮旋紧后的弹簧长度初选为 29.8mm，则三级压力调节弹簧可设计如下： 0 35H mm，1 31.6mm ，1 3PN，2 29.8mm ，2 4.8PN，弹簧丝直径 d=0.7mm，弹簧中径为 6.5mm，总圈数为 12，有效圈数为 4310 ，弹簧需要热处理，回火，表面氧化，两端面并紧磨平。 下面对该弹簧进行强度校核： 24 根据机械设计手册 13 7-5 页，表 7.1-4 弹簧常用材料（摘自GB/T1239.6-1992）弹簧材料选择碳素弹簧钢丝（ D 级），这类材料的性能是强度高，性能好， D 级用于高应力弹簧，直径 0.08 6.0mm，而本设计的弹簧丝直径d=0.7mm，满足要 求；推荐温度范围为 -40 130， 而本设计的减压阀要求在 -5 85 ，符合推荐温度范围。根据表 7.1-5 弹簧钢丝的抗拉强度b（摘自GB/T1239.6-1992） 直径为 0.7mm 的由该材料制成的弹簧的b=1710MPa，由 7-10页的计算公式可得： 旋绕比 C=dD=7.08.5=8.29，满足 4C10 的要求； 曲度系数 K=CCC 615.044 14 =29.8 61 5.0429.84 129.84 =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 则， M P adKCF7.90)107.0(14.38.129.817.188232 再由 7-8 页表 7.1-8 弹簧的许用应力（摘自 GB/T1239.6-1992）可知，由碳素钢丝制成的压缩弹 类（指受变载荷作用次数在 106 以上的弹簧）的许用切应力p为（ 0.30 0.38）b，为了安全，取最小值p=0.30b 则 p=0.30b =0.30 1710 =512MPa 因此，p =90.7MPa，满足强度要求，此设计合理。 阀芯两面的压力差对阀芯的作用力为： 2 68 104FP 天然气汽车供气系统减压装置设计 25 = 2563 . 1 4 81 . 0 1 0 1 04 =5.024N 通过调节三级压力调节旋钮可调节三级阀的初始开度。 3.3.4 三级 减压阀膜片的设计与校核 三级减压阀减压的原理主要是根据真空度的原理进行减压，三级阀与大气相通，利用膜片内外的压差进行气体的控制。现对三级阀的膜片进行设计。 三级阀的膜片直径与外壳的外径基本相同，初选 196mm，内径初选 180mm，周围开 8 个 6 螺纹孔，使连接三级阀盖与阀体的螺纹从中穿过。厚度初选 3mm。现将膜片示意图表示如图 3.4： 图 3.4 三级减压阀膜片 对三级阀膜片进行校核： 根据实用阀门设计手册 111134 页 表 5-235 橡胶膜片厚度计算公式： 0 .7 c m zm mPAD (3-13) 式中，减压阀的出口压力cP=0.3-1KPa 26 膜片的自由面积mzA221 8 0 6444 =25434-113 =25321 2mm 膜片的直径mD=196mm 膜片的厚度 m 1mm 则， 0.7c mzmmPAD =11 9614.3 2 53 2 1103.07.03 =0.01MPa 查 1134 页表 5-236 橡胶的许用剪切应力 =2.4MPa 所以， ，强度满足要求。 3.4 怠速阀的设计 3.4.1 怠 速阀的工作原理 怠速阀是在发动机起动时从二级阀向发动机直接输气的阀。在发动机刚起动时，由于发动机没真空度，供给发动机起动的气体只能从二级阀室直接输出。在怠速阀中有一个与阀体旋紧且密封的室，它与二级阀室相连通。当电磁铁通电时，阀芯向上移动，气体由二级阀经斜孔流入密封室，再经垂直小孔流入阀体内腔，并最终流入发动机。 3.4.2 怠速阀阀室及阀体的设计 怠速阀阀室的结构简图如下图所示： 天然气汽车供气系统减压装置设计 27 图 3.5 怠速阀阀室 阀室的 62 的 内腔可放置电磁铁， M14 螺纹可与阀体旋合，气体只贮存在M14 螺孔腔内。 22 圆端面用密封垫圈密封。 怠速阀体是用 QAL10-4-4 材料制作而成，它的形状如下图所示： 图 3.6 怠速阀阀体 阀体左边的 M12 的螺纹可与螺母旋合，从而固定住电磁铁， 10 内腔可放置阀芯和调节螺栓，右边的 M14 的螺纹与阀室 M14 的螺纹旋合，并压紧密封垫圈。 28 6 圆柱从阀室底孔 6.5 穿过。 3.4.3 怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计 怠速阀芯是用电工钢 DT4 材料制成的。阀芯的剖视简图如下图所示： 图 3.7 怠速阀阀芯 因为弹簧设计与阀芯的质量有关，即减压阀倒置时，阀芯不能移动，这就意味着弹簧的最小压缩力应大于阀芯的重力。下面对阀芯的重力进行粗略计算。 G mg vg (3-14) 根据上面的视图可得： 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 则 G vg = 367 . 8 5 1 0 1 . 5 2 5 1 0 9 . 8 =0.12N 对于弹簧的设计，先选择弹簧的材料为碳素弹簧钢丝 a1.1-d制成的。把弹簧压缩后的最大长度设计初选为 18mm，弹簧的自由长度初选为 24mm，则弹簧的1=6mm，1P=3.2N，中径2D=15mm， d=1.1mm，右旋，总圈数为 6，有效圈数 4。 天然气汽车供气系统减压装置设计 29 3.5 其他重要零部件的设计 3.5.1 高压电磁阀阀芯、先导阀、弹簧的设计 高压电磁阀先导阀是用 59-1 铅黄铜制作而成的，它放置在 8 的阀体内腔里，其形状如下图 3.8 所示： 图 3.8 高压电磁阀先导阀 先导阀的重量轻，体积小，容易被磁铁吸起，它的 5 孔可装入弹簧的一端， 4 的柱体用于堵住阀芯的 1.5 孔。阀芯的体积大，受压力大，不易被电磁铁吸起，当先导阀被吸起后， 2 20MPa 的气体从阀芯 1.5 的小孔流出后，阀芯下部的压强在不断增大，两边的压差逐渐消失，阀芯被电磁铁很容易的提起，阀芯的简图如图 3.9 所示。 图 3.9 高压电磁阀阀芯 高压电磁阀弹簧的初始压力为1P与阀芯和先导阀的重力有关，先导阀与阀芯的重量粗略计算如下： 查得 59-1 铅黄铜的密度 = 338 .5 1 0 /K g m 根据以上两个简图可计算出体积 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 则 G vg = 398 . 5 1 0 8 9 0 . 5 8 1 0 9 . 8 =0.08N 故，弹簧的初始压缩力1P初选 1.8N，1初选 7mm，2P初选 2.5N，2初选 5mm，自由高度0H初选 12mm，弹簧中径2D初选 4mm，弹簧丝直径 d 初选 0.4mm，总圈数为 8 圈，有效圈数为 7 圈，该弹簧是由 QBe-2 材料制成，要求两端面并紧磨平。 3.5.2 安全阀及其弹簧的设计 安全阀可保证减压阀的安全，它采用弹簧式自动排气 泄压的方式设计而成。安全阀包括阀体、调节螺塞、弹簧、阀芯、垫圈等部分。它被组装后安装在一级减压阀的侧压口，从而保证一级阀室的气压不超过额定压力的 1.3 倍，即 0.65MPa。 安全阀的设计简图如图 3.10 所示： 图 3.10 安全阀阀体 天然气汽车供气系统减压装置设计 31 当一级阀室的压力达到 0.65MPa 时，阀芯的受力 F 计算如下： 1 m a xF P A小 孔 (3-16) F = 2663 . 1 4 4 . 50 . 6 5 1 0 1 04 =10.33N 则，设计弹簧的初始压力1 21PN，1 10mm ，自由高度0 1 5 .5H mm，中径2D =6mm，弹簧丝直径 d=0.8mm，旋向右，总圈数为 6.5 圈，有效圈数为 4.5 圈，回火处理， HRC42-47，由碳素弹簧钢丝 a 材料制成。 3.5.3 进气接头的设计 进气接头采用 45 号钢制作而成，进气接头左端装气压表，右端接天然气管，天然气进气管可用右边的螺母旋合。进气接头的强度试验应力为 27.5Mpa。进气接头如图 3.11 所示： 图 3.11 进气接头 进气接头最危险的截面为 A-A 截面，这一危险截面必须要进行强度校核。 由简明材料力学 10知识可知： bF PSSS (3-17) 式中， 0.8 0.1MPa S d L （ d 为 14.5 孔的内径， L 为其宽度） 32 ()S D d L （ D 为 14.5 的外径） 则 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 查简明材料力学 10可知， 45 号钢的许用应力 =186MPa，由此可知： 1 8 6 M P a 所以，该进气接头设计合理。 3.5.4 一级阀盖连结螺柱和三级阀盖连结螺栓的选择 由于各级减压阀的试验压力为 0.8 0.1MPa ，一级阀盖连结螺柱和三级阀盖的连结螺栓必须承受得住 0.9MPa 的天然气所施加的拉力。下面在此基础上对螺柱和螺栓进行选择和强度校核。 由于之前在计算的过程中，阀盖外径初选 192mm 底边宽度初选 11mm，根据该宽度，可安装 M6 1 的螺栓和螺母，材料选择 50 钢，下面对其进行强度校核。 214bPSFdS n 一 级 内 腔 22244dPd n一 级 内 腔 222Pddn一 级 内 腔 (3-18) 式中， d一 级 内 腔为一级减压阀阀室内径， P 为试验压力， n 为起主要作用的螺栓数，2d为螺栓中径，查机械工程及自动化简明设计手册 12419 页表 C-1 得， 2d =d 0.6495P (3-19) 2d= 6 0.6495 1 =5.3505mm 则， b 222Pddn一 级 内 腔 = 6 3 2320 . 8 1 0 ( 6 4 1 0 )( 5 . 3 5 0 5 1 0 ) 4 天然气汽车供气系统减压装置设计 33 = 628.6 10 Pa =28.6 MPa 根据机械设计 784 页表 5-10 螺纹联接的安全系数 S，可知， M6 的螺栓在不控制预紧力承受变载荷时合金钢的安全系数为 10-6.8,为了安全起见，取安全系数 S=10。 再根据机械设计 784 页查得螺栓的许用拉应力计算公式为： sS (3-20) 上式中，s为螺纹连接件材料的屈服极限， S 为安全系数。 查资料知 50 钢径调质处理的屈服极限s=392 6210 /Nm 6 63 9 2 1 0 3 9 . 2 1 010sS 则， b=28.6MPa，满足要求。 因此，一级阀盖连结螺栓选 50 钢，材料，调质处理，螺纹外径初选 6mm，螺纹的外形尺寸如图 3.12 所示： 61.53 5 8.530 图 3.12 一级阀盖连结螺栓 螺柱在压铸外壳时采用预埋处理的方法与壳体连为一体。 三级阀盖连结螺栓与一级阀盖连结螺栓一样，应对其强度进行校核。 如果三级螺柱选用 75 钢，螺纹取 M6，则其所受拉力计算如下 ： 22b 2 22 244dPPdFdS d nn 三 级 内 径三 级 内 径 （ 3-21） 上式中， d三 级 内 径为三级减压阀阀室的内径，取其值为 170mm， P 为试验压力， 34 2d为螺栓中径， n 为螺栓数。 则 b222Pddn三 级 内 径 = 6 3 2320 . 8 1 0 (1 7 0 1 0 )( 5 . 3 5 0 5 1 0 ) 8 =101MPa 三级螺栓为松螺栓连接。可从机械设计 7的 84 页表 5-10 查得松螺栓连接的安全系数 S=1.2 1.7，为了安全起见，取 S=1.7。 将 S=1.7 代入公式 sS 可得： 3 1 2 . 8 2 0 7 . 51 . 7s M P aS 则， 1 0 1b M P a 上式计算中， 352.8MPa 为 45 钢材料经正火处理后的屈服极限，其值从机械设计手册 14464 页查得。 根据以上计算，三级螺栓应选择经正火处理的 45 钢 M6 1 螺栓。 天然气汽车供气系统减压装置设计 35 4 天然气汽车减压装置的使用说明 4.1 天然气汽车减压装置的使用注意事 项 1. 天然气汽车减压装置在安装时，应该检查和调整一、二级压力，使其在规定的范围内工作（一级减压阀压强为 3.2-4.5MPa，二级减压阀的压强为0.19-0.21MPa），并使阀芯吃合均匀，密封严密。 2. 如果发现发动机运转不正常，应该及时检查并调整天然气汽车的减压装置。如二、三级弹簧精度下降，可通过调整继续使用，如一级弹簧精度下降，则需要拆换弹簧。 3. 如果发现贮气瓶天然气烧不完或不能用至 1KPa 以下，应检查一级阀芯间隙是否过小，一、二级减压阀的压力是否在规定的范围内，高压电磁阀阀芯是否有卡滞现象， 如果出现以上问题，应该对其进行调整或拆换零件。 4.2 天然气汽车减压装置的拆装、检查与调整 4.2.1 拆卸 1. 卸下高压电磁阀线圈固定螺母，取下线圈。 2. 卸下高压电磁阀阀筒，取出阀芯，回位弹簧。 3. 卸下传感器滑移电阻，卸下压力表。 4. 拆下三级阀盖螺栓，取下阀盖。 5. 将三级阀膜片向离开高压气体进口方向滑移约 15mm，然后取下。 6. 卸下三级杠杆固定螺钉，取下三级杠杆。 7. 卸下二级阀弹簧和二级阀