气体减压阀的原理及应用

气体减压阀的原理及应用

针对国家标准gb1244-89减压阀的定义，减压阀可以通过打开部件的开口将进口压力降至所需的出口压力，并利用自身的介质能量在输入和输出流量变化时，以保持整体的出口压力。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出口压的动平衡增压法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、活塞、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。2抗压阀的分类和基本结构性能气体减压阀按其结构主要分为弹簧活塞式、弹簧膜片式、气腔控制活塞式和气腔控制膜片式。2.1增设了平衡腔结构通过弹簧来设定出口压力,弹簧力的传递通过活塞来实现,分为普通型和改进型。普通型的优点是结构简单、制造方便、价格便宜;缺点是主活门的密封力始终随着进出口气体压力的压差变化而变化。密封力过大会损坏密封面,久之会产生内漏,密封力过小则达不到密封比压要求,也会产生内漏,从而导致出口压力不稳定;同时单一主弹簧存在弹力的不稳定,导致减压阀工作后出口端静压复位的重复性差,且在额定大流量供气情况下会产生减压阀出口端的压力波动大。改进型增设了平衡腔结构,保证主活门的密封力不会随进出口气体压力的压差变化而变化,由于密封力始终不变,从而使主活门的密封可靠;同时增加了复合弹簧,弥补了单一主弹簧力不稳定的缺陷,提高了减压阀出口端静压复位的重复性,使额定大流量供气情况下减压阀出口端的压力达到稳定。增设了超压自排气功能(如图2),保证由于某些特殊因素影响出口气体升高时自动排气降压(把活塞顶开,从活门杆上方的小孔处排出);也可以保证由于设定压力过高时自动排气降压,而不必在出口端排气降压。2.2弹簧活塞式通过弹簧来设定出口压力,弹簧力的传递通过膜片来实现。分为普通型和改进型,结构与弹簧活塞式差不多。由于膜片墩压力变化的灵敏度高于活塞对压力变化的灵敏度,因此弹簧膜片式气体减压阀性能优于弹簧活塞式气体减压阀,满足了要求较高的气路系统的使用。2.3结构形式比较由于弹簧加工的限制,弹簧活塞式和弹簧膜片式气体减压阀的出口压力均受弹簧力的限制,达到一定压力后就难以再调压力,而且动静压差比较大。气腔控制活塞式通过调整控制气腔内气体压力来调整出口压力,控制气腔内气体压力的传递通过活塞来实现。分为普通型和改进型,有无平衡腔结构的区别。优点是出口压力稳定,流量大,动静压差比较小,可进行远程控制;缺点是操作难度加大,应了解基本原理后再进行实际操作,否则会因为操作失误导致出口压力超过预定压力,使安全阀产生不必要的起跳而受到损坏(如图3)。2.4内气体压力的传递气腔控制膜片式通过调整控制气腔内气体压力来调整出口压力,控制气腔内气体压力的传递通过膜片来实现,分为普通型和改进型。优缺点跟气腔控制活塞式基本相同,如图4,此减压阀增设了安全阀,安全阀的起跳是由出口压力与控制气腔内气体压力的压差来控制的,保证了减压阀的运行安全。3减压阀的设计原理减压阀主要由调整机构、卸载机构、敏感机构、弹簧机构等组成。3.1高压力和压力设计方法d口的确定调整机构即活门和活门座。它的主要功能是调整流通面积(节流面积)的大小。调整机构的设计准则是:流损小,活动灵敏,关闭时有可靠的密封性,尺寸由设计流量来确定。结构见图5。活门座口径按下式计算:d口=GT√入/Aμπhpλd口=GΤ入/Aμπhpλ式中d口——活门座口径G——设计流量T入——进口气体温度A——与气体性质和流动状态有关的系数(对空气取0.396)μ——流量系数。由实验确定h——活门行程p入——进口压力一般来说,选用的活门座口径应比计算值略大,为了留有一定的调整余地。活门行程的选择也要适当,过大则稳压精度低,过小则达不到设计流量。活门座和活门应选用一些强度高、耐磨性好、加工性好的材料并根据密封要求的不同,选用不同的密封材料。为了保证密封的可靠,对活门座和活门的结构、尺寸及密封面的表面质量进行认真的设计和加工。3.2平衡腔结构的设计卸载机构的作用是卸掉一部分负载,减小进出口压力对零件的作用面积,提高稳压精度,保证主密封的可靠性(见图6)。在活门的整体形状设计中,使进出口压力在活门上下作用面上相互抵销,使密封力完全由活门弹簧来提供。也就是改进型减压阀的平衡腔结构。在高、低压腔之间必须密封,如密封性不好,不但起不了卸载作用,反而会造成高压气体经此处漏入低压腔。零件的灵敏度也要好,包括零件表面精度、O形圈的选择、挡圈的尺寸等等,务必使摩擦滞后现象减小到最低程度。3.3材料以及规定的种类敏感机构的设计准则:灵敏度要高,对压力变化的反馈要及时、灵敏;密封性也要好,隔开出口腔和主弹簧腔,防止泄漏。有时要根据介质的不同、温度的不同而选用不同的材料。现在主要采用的是活塞、不锈钢膜片、橡胶膜片。活塞的特点是耐压能力高、行程长、无附加刚度,但质量大、阻尼大、占据空间大。主要由O形圈,V形填料密封。膜片的特点是刚度小、灵敏度好、有效面积大、质量小,但行程小、不锈钢膜片还有附加刚度、耐压能力较低。主要由F4垫,铝垫等密封。在实际使用中,往往会因为误操作而使力的平衡被破坏,造成膜片的变形,在设计中可考虑对膜片的行程进行限制。总而言之,具体情况具体分析,从而选择不同的敏感元件。3.4弹簧刚度的设计弹簧机构主要包括主弹簧、活门弹簧,还有复合弹簧。对于主弹簧而言为了保证减压阀的稳压精度,弹簧刚度越小越好,但不能过小,过小则结构尺寸必然太大,不但动态稳定性不好,还占用空间。一般取Z为p出的1～2倍。Z=Gd4/D3nΖ=Gd4/D3n式中G——材料剪切弹性模数d——材料直径D——弹簧中径n——有效工作圈数同时要考虑出口压力的范围,整体尺寸的大小等多种因素。对于活门弹簧而言,主要考虑的是密封力F。S=F/πdbSMF＜S＜[S]S=F/πdbSΜF＜S＜[S]式中SMF——材料的最小密封比压S——设计比压F——密封力d——活门通径b——密封面宽度对密封材料F3而言,一般[S]数值取<350kg/cm2。对密封材料F