天然气汽车供气系统减压装置设计分析解析

1、天然气汽车供气系统减压装置设计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 量好坏与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

2、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；减压阀目录摘要 I.目录 II第 1 章 绪 论 1.1.1 天然气汽车减压装置的用途和功能 1.1.2 天然气汽车减压装置在我国的发展概况 1.1.3 天然气汽车减压装置设计的目的和意义 2.1.4 设

3、计参数规范 2.1.4.1 符合标准 3.1.4.2 设计思路 3.1.4.3 设计方案 3.第 2 章 设计方案的研究与选择 4.2.1 减压调节器的分类 4.2.2 方案选择 4.第 3 章 总体方案设计 5.3.1 一级减压阀的设计 5.3.1.1 一级减压阀的工作原理 5.3.1.2 一级减压阀阀室的设计 5.3.1.3 一级减压阀杠杆、弹簧与阀口的设计 6.3.2 二级减压阀的设计 1.33.2.1 二级减压阀的工作原理 1.33.2.2 二级减压阀阀室及盖板、杠杆、上档板的设计 133.2.3 二级减压阀弹簧的设计 1.43.3 三级减压阀的设计 1.63.3.1 三级减压阀的工作

4、原理及盖板、杠杆等的设计 163.3.2 三级减压阀调节弹簧的设计 1. 73.3.3 三级减压阀膜片的设计与校核 1. 93.4 怠速阀的设计 2.13.4.1 怠速阀的工作原理 2.13.4.2 怠速阀阀室及阀体的设计 2. 13.4.3 怠速阀芯及怠速阀弹簧的设计 2. 23.5 其他重要零部件的设计 2.33.5.1 高压电磁阀阀芯、弹簧的设计 2. 33.5.2 安全阀及其弹簧的设计 2.43.5.3 进气接头的设计 2.5总结 2.7.参考文献 2.8.致 谢 2.9.第1章绪论1.1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

5、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。1.2天然气汽车减压装置在我国的发展概况天然气汽车

6、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

7、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。1.3 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

8、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

9、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

10、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。1.4 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

11、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。1.4.1 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。1.4.2 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。1.4.3 设计方案根据已有国家标准和

12、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40第2章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

13、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。选择该方案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。第3章总体方案设计3.

14、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

15、簧。3.1.2 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64m m。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 O.IMPa,因此，对一级阀室的强度进行如下校核：一级h 一级d 一级1 02一级h 一级(3-1)式中， 一级=5mm， d一级=64mm， h一级=27mm 则5 2 2=32 105

16、N/m =3.2N/mm5 105 27 64 102 5 27 10巩 fcr =63.7 N/mm2所以，阀室的强度满足要求3.1.3 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，一级阀口的内径初选 4.0m m,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土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，贝U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

17、/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土 0.1mm，只有当气体压强小于1MPa时，阀口开度才能达到0.5土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，) ；=1.08 exp(1.439：r)-exp(-1.1io1.858) (3-2

18、)Tc(3-3)烷的参数如下：绝对粘度 =109.95 10Pas)6MW3巳4(3-4)再根据烃类物理化学数据手册896页和86页查得关于甲临界压力 Pc 二 4604KPa = 46.04atm临界温度Tc =190.58K临界体积 Vc =0.099 10m3/mol分子量 MW =16.0139则计算得:；=(190.5816.0139346.0441/ =0.0467岸 -109.950夕)90467=1.08.439卩-e1/858 当天然气压强为20MPa时，0 亠 7099 -00 =0.884V 22.471.439 0.884-1.111 0.8841.858 】则(1-1

19、09.95 10=) 0.0467=1.08e- e=1.08x (3.568-0.413)=3.407亠1 0 9. 957 2.=182.9当天然气压强为2MPa时，0 乂 =0.0992 =0.0884V 22.4,7A cor 1.439X0.0884-1.11K0.0884.858 】则， C -109.95 10 ) 0.0467 = 1.08e-e=1.08 汉(1.136-0.988)=0.1598i -109.95=0.1598/0.0467=3.423i=133.27P当天然气压强为0.5MPa时，V 5J c= 0.099=0.0221V 22.471.439 0.022

20、1-1.1110.0221 1.858 ,则，C -109.95 10 ) 0.0467 = 1.08e-e=1.08汉(1.0323-0.9991)=0.0359J-109.95=0.769)=110.725当天然气压强为0.3MPa时，亠=0.099=0.01326V 22.4,7“ ccr 1.4390.01326-1.11K0.013261.858 _(二T09.95 10J) 0.0467=1.08e-e=1.08汉(1.0193-0.9996)=0.0218J -109.95 =0.446i=110.4P当天然气压强为0.2MPa时，昱=0.099 -=0.00884V 22.47

21、d nor 1.439x0.00884-1.11K0.008841858(亠109.95 10)o.o467=l.08e-e=1.08x(1.0128-0.9998)=0.014J-109.95=0.3=110.25P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：qm3PF( 3-5)12RTI nA式中，r1、r2为圆环的大、小半径，“=5.5mm, r2=7.5mm, 气体常数 R=0.5183KJ/Kg当 P仁20MPa, P2=0.5MPa时，409717 =3600(2-00.5 )121 07.53 1 4h3max182 9+110 722Ahma =0.039

22、 10 m=0.0039mm P2=0.5MPa 时，3223.14 h (2 -0.5 )12 133.27110.72 10 j518.3 323.15 In 空5.55.51210518.3 323.15 In当 P1=2MPa，40 9717 = 36002hma =0.173 104 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：(3-6)2 丄兀(P| P2)22F一a 二卩22匕-(r2 I )2ln()r1当R=20MPa时，高压天然气作用于阀芯的力为：6F一a =0.5 106 3.14 (7.5 10)3 2 3.14 (200.5

23、) 10_3 2_3 2)(7.5 10 ) -(5.5 10 )2ln(7f)=88.3125+2567.7=2656N当R=2MPa时，高压天然气作用于阀芯的力为:63 2= 0.5 10 3.14 (7.5 10-)63.14 (2-0.5) 102ln(詈）3 23 2(7.5 10一)-(5.5 10一)=88.3125+197.516=285.8N当R=20MPa, B=0.32MPa时，膜片芯子受膜片向上的推力为:F-芯二-：P一芯A有效一 Fnd；A有效（44(3-7)(3-8)其中,d2为阀室内径，d1为上压板的直径。 d2=64mm，d1=40mm3.14x(64 x10)

24、2 3.14x(40 x10)240 3.14 x (40 x 10)2A有效=4 4644=3685 10 m2贝9，F一芯(3.2-1)105 3685 10-Fa h杠杆1杠杆=810.7-700.9 -36=109.8NON当R=20MPa, B=0.55MPa时，膜片芯子受膜片向上的推力为:F-芯二-P一芯A有效- F=(5.5-1) 105 3685 10-Fa 邑杆1杠杆9.5 =1685.25-2656 一36=957.4 957N当R=2MPa, E=0.32MPa时，膜片芯子受膜片向上的推力为：F-芯：P一芯 A有效-F =(3.2-1 ) 105 3685 10*-Fa加

25、杆1杠杆9 5=810.7-285.8 -36=735.3N:735N当 p=2MPa,P,=0.55MPa时，膜片芯子受膜片向上的推力为:HlIHF-芯二-F一芯 A有效-F= (5.5-1) 105 3685 10“Fa 杠杆1杠杆9 5=1289.7 -285.8 -36=1582.8N“583N通过以上计算可知，弹簧在 R=20MPa, F2=0.320.55MPa时的 受力范围为 110N957N;在 R=2MPa, P2 =0.320.55MPa 时的受力 范围为 735 N1583N。因此，要保证R =220MPa时， P2=0.320.55MPa时，弹簧的受力范围必须在110N

26、1583N范围内。在弹簧的设计中，试取初始压缩量 1 =2mm，所受压力 R =160N，2 =4mm， P2 =454N，弹簧自由高度 H=30mm。= 454-1604 -2=147N/mm当R=20MPa时，hmax1=0.0039mm,又因为杠杆的长度I杠杆=36mm, 高度 h 杠杆=9.5mm。所以，R=20MPa时，弹簧在工作时的作用力变化值为：&36F =0.00391479.5=2.18N応3N又因为阀芯的行程I阀芯行程=0.5 一 0.01mm,膜片芯子的实际上移 距离：36/芯子变动:0.51.89mm9.5所以，弹簧在R=220MPa, R最大时的受力为:Fmax =

27、R *心h芯子变动减K1160 = 160 1.89 -2=311N 弹簧在R=220MPa, P最小时的受力为：max=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F0=220MPa时的实际压力范围值。Psmax1.1 105= 6 1.1 1053685 10= 1.94 105 PaP= -Fmi +1 1 x1051smi nA有效3083685 1051.1 105= 1.93 105 Pa通过以上计算，一级减压弹簧可设计如下:自由高度r2 =454N，H10 =30mm， & =2mm， R1 =160N，打2 =4mm，D1 =21.5mm

28、， d1 =3.5mm，中径 D12=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：P2=454Nan匸匚a己D|合图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2.0-6.0m m,而本设计的弹簧丝直径d=3.5mm,满足要求；推荐温度

29、范围为 40150C，而本设 计的减压阀要求在-5-85T，符合推荐温度范围。根据表 7.1-6弹簧钢 丝的抗拉强度be （摘自GB/T1239.6-1992）直径为3.5mm的由该材 料制成的弹簧的be =1422MPa,由7-10页的计算公式可得：旋绕比：C=D=5.14，满足 4C10的要求； d 3.5曲度系数：K=4C -1 . 0.615(3-9)4C -4C=4 5.14 -10.6154 5.14 45.14=1.18+0.12=1.3由公式7.1-38KDF8KCF:d式中，F=P2 -R=454-160=294N8KCFnd 28 1.3 5.14 2943.14 (3.5

30、 10 )2 408.6MPa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簧（指受变载荷作用次数在以 上的弹簧）的许用切应力.p为（0.35 0.40）二b，为了安全，取最小值 p=0.35；b。则,p =0.356=0.35 X 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

31、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，二级阀口内径d =5m m，阀口外径D=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D2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2a1 =26.5mm，2b| =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

32、 qv =0时，F2 =0.21MPa,R=0.38MPa，当 二级阀口流量 qv=40m3/h 时，F2 =0.19MPa， P=0.36MPa。根据公式3-5,可算出二级阀口在 P）=2-20 MPa时的最大缝隙hmax。12qmRTI n(2)hma=式中:400.717 =0.00797Kg/s， 3600二 182.9110.7210 -7=146.8110J Pqm2R=518.3 J/Kg KD二级阀口T=50+273.15=323.15Kr =一2 2d二级阀口1 = 8=4mm25 一 = =2.5mm 2 2P=0.36MPa, =0.19MPaO.O。797 12 146

33、81 仗 5183 32315 ln245hmax = 则,3.14 (0.36)2 -(0.19)2 1012 =0.722 10 m=0.0722mm则，膜片芯子的最大移动量为：26 5I 芯子二 0.0722=0.116mm16.5膜片芯子受膜片向下的作用力：F二芯=心巳芯江4有效（3-10）其中，厶巳芯为膜片在流量最大时上下面之间的压力差，A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A2有效/ 3.14 x49 3.14汉D2上挡、D2上挡3.14汉D?下挡444943.14 x4923.14 x3l313 14 汉312=( -44494=(1884.785- 7

34、54.385)0.633 754.385=1470mm2当F2=0.21MPa时，膜片芯子受膜片向下的作用力为：F二芯(0.21-0.11) 106 1470 106=147N当P,=0.19MPa时，膜片芯子受膜片向下的作用力为：6 6F二芯(0.19-0.11) 101470 10=117.6N118N在上述计算式中，0.11 106 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 巳=0.190.21MPa的情况下的受 力范围为118N147N,则其弹性系数为:I(3-11)(F二芯- F二芯)匚1芯子147118=250N/mm0.116由以上计算可看得出

35、来，K2值太大，根据经验，可选 K2 =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 F2=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：5P图3.2二级减压阀弹簧3.3三级减压阀的设计3.3.1三级减压阀的工作原理及盖板、杠杆等的设计 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

36、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。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 85m m,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。下面三级阀口的内径初选为 8mm，外径初选为11m m,三级阀的真 空度一般为0.31KPa。三级阀的上挡板的直径初选 D3为45mm，厚度初选1.5mm,中 间开 5.5的孔。332三级减压

37、阀调节弹簧的设计(3-12)三级阀膜片芯子受膜片向上的作用力为：d2 二 dF三芯二人有效P真A = Hd2 闵2)d1 严； 八3有效=(-)44 d242 2 2二(192-12 2)二 D3 上挡 1 Dm : D3 上挡 4419212 汉 243 14 ( 192-12 x2)2=43.14 452453.14 4524192 -12 24=(22155.84-1589-6252=7101.4mm)0.268+1589.625F三芯=7101.4 10 0.3 103 =2.2NF三芯=7101.4 10 1 103=7.1N当流量为40m3/h时，三级阀口的最大缝隙 店ax为:hm

38、ax12qmRTI n2ri2 2二（氏-R2）12O.OO79V46.8107 518.3323.133.14（0.1290.121 10=0.998 10* m=0.0998mm膜片芯子的移动量为:5757二 I 三芯=hmax =0.0998=0.517mm1111三级压力弹簧在三级阀真空度为 0.31KPa时的最小压缩为:57c c 57F三弹max=F三芯X= 2.2二 11.4N111115757F三弹max=F三芯X= 7.1 -= 36.8N1111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29.8m m，则三级压力调节弹簧可

39、设计为 H0 =35mm,人=31.6mm , R =3N，人2 =29.8mm， P2 =4.8N ,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10，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：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0.086.0mm，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 130C,而本设计的减压阀要求在-5 85C ,符合推荐温

40、度范围。根据表7.1-5弹簧钢丝的抗拉强度二b （摘自GB/T1239.6- 1992）直径为0.7mm的由该材料制成的弹簧的 二b=1710MPa由7-10 页的计算公式可得：旋绕比：C=D =型=8.29，满足4C10的要求；d 0.7曲度系数：K=各I，06!54C 44x8.2910.615=4 8.29 - 48.29=1.1+0.07=1.17由公式7.1-38KDF 8KCF:d3:d2式中，F=P2 -R=4.8-3=1.8N8KCF则,8 1.17 8.29 1.8323.14 (0.7 10 )90.7MPa再由7-8页表7.1-8弹簧的许用应力(摘自 GB/T1239.6

41、-1992) 可知，由碳素钢丝制成的压缩弹簧的许用切应力 p为(0.30 0.38) 6，为了安全，取最小值p=0.30；b贝U，冷=0.306=0.30 X 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&兀汉8厘F = P1042= 1.0 105 3.14 8 104=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。3.3.3三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

42、径基本相同，初选196m m，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式:6.111134页表5-235橡胶膜片厚度计算公 0 - PcAmz几 Dm(3-13)式中，减压阀的出口压力 巳=0.3-1KPa2 2二 180 二 6=4 x4膜片的自由面积:4 =25434-113 =25321 mm2膜片的直径Dm=196mm,膜片的厚度m =1mm0. PcAmzI =二 Dm m则,0.7 0.3 10 253213.14 196 1=0

43、.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：一70一62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

44、体只贮存在M14螺孔腔内。 22圆端面用密圭寸垫圈密圭寸。怠速阀体是用 QAL10-4-4材料制作而成，它的形状如下图所示: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，并压紧密圭寸垫圈。 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

45、图可得：v=S h（ 3-15）3.14 1（f “ 3.14 73.14 3.83.14 4.5厂厂v=1931.96.54444=1491.5+115.4+21.5-103.32=1525.1 mm=1.525 汉 10m3查DT4的密度 亍=7.85则，g / cm3 =7.85103 Kg / m3G = ：?vg=7.85 103 1.525 10-6 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制成的。 把弹簧压缩后的最大长度设计初选为18m m，弹簧的自由长度初选为 24mm，贝U 弹簧的 人=6mm， R =3.2N，中径 D2 =15mm， d=1.1mm

46、，右旋，总圈数为6，有效圈数4。3.5其他重要零部件的设计3.5.1高压电磁阀阀芯、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3.7所示：图3.8高压电磁阀先导阀高压电磁阀弹簧的初始压力为R，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= 8.5 103Kg/m3根据以上两个简图可计算出体积3.14 82v =44.313 匕& 9-3：44443.14 8243.14 4246-3)3.14 1.524= 301.44 -78.5 163.28 452.16 -113.04(200.96 -25.12)

47、 -10.693= 890.58 10 m3贝U,G 二?vg39= 8.5 10890.58 10 一 9.8=0.08N故，弹簧的初始压缩力 R初选1.8N ,扎初选7mm, P初选 2.5N ,2初选5mm，自由高度H。初选12mm,弹簧中径D?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。352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

48、.3倍，即0.65MPa。安全阀的设计简图如 图3.9所示：图3.9安全阀阀体当一级阀室的压力达到0.65MPa时，阀芯的受力F计算如下：F Rmax 汉 A小孑L(3-16)6 3.14 汉 4.52(= 0.65 10104=10.33N则，设计弹簧的初始压力R=21N ,打=10mm ,自由高度 H0 =15.5mm，中径D2=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，由碳素弹簧钢丝U a材料制成。353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。