世通閥門:超高壓氣動減壓閥的工作原理及優(yōu)化設計

【資料簡介】

上海世通閥門:超高壓氣動減壓閥的工作原理及優(yōu)化設計
超高壓氣動減壓閥是氣動剎車系統(tǒng)的重要元件。因為氣體粘度小，容易泄漏，而且系統(tǒng)工作壓力高，閥的輸入壓力為11～13MPa，zui高輸出壓力為7MPa，所以，閥的密封性和耐久性成為突出的問題。這里介紹的超高壓氣動減壓閥突破了傳統(tǒng)結(jié)構［1］，且對重要零、組件進行了優(yōu)化設計，使得閥在高壓情況下無泄漏，其它性能也都滿足了使用要求。

工作原理
超高壓氣動減壓閥的工作原理如圖1所示。當壓頭無外力作用時，氣源來的氣體由輸入口進入閥體下部氣室，進氣閥門在氣壓和復位彈簧的作用下與進氣閥門座壓緊，閥輸出口無氣體輸出。當壓頭受外力F作用時，壓頭下移，通過平衡彈簧壓縮復位彈簧1，將排氣閥門壓下與排氣閥門座接觸，使輸出口與大氣隔離，壓頭繼續(xù)下移，頂開進氣閥門，壓縮空氣由進氣閥門控制的通道進入閥后面的執(zhí)行元件氣缸。隨著氣缸壓力的增加，進氣閥門的開度逐漸減小，直到輸出口壓力p2與壓頭上的作用力相平衡時進氣閥門關閉。當外力消除后，進氣閥門在氣壓和復位彈簧2的力作用下，向上移動關閉。與此同時，壓頭與排氣閥門在復位彈簧1的力及排氣壓力的作用下復位，排氣口開啟，原輸出的氣體由排氣閥門經(jīng)消聲器排入大氣。
現(xiàn)在再來研究排氣閥門處于某一平衡位置時的狀態(tài)。忽略壓頭、排氣閥門等的重力和摩擦力，排氣閥門受力平衡方程為：
F＝p1A1＋p2（A2－A1）＋Fs＋Ff（1）
式中：Fs――兩個復位彈簧的彈力之和；
Ff――密封圈的摩擦力；
A1、A2――分別為進、排氣閥門的有效受壓面積，
A1＝π（d12－d012）/4，
A2＝π（d22－d022）/4；
d――排氣閥門座直徑；
d01――頂桿下段直徑；
d02――頂桿上段直徑。
由式（1）知，閥的輸出壓力p2與壓頭上的作用力F成比例（見圖4）。

設計和計算
設計超高壓氣動減壓閥一般是先根據(jù)給定的設計參數(shù)和工作條件，選擇閥的結(jié)構型式，然后進行結(jié)構參數(shù)的選擇和計算。
小編推薦廣大化工廠用泵、醫(yī)藥廠用泵上海市三星水泵廠 上海意海耐腐蝕泵制造有限公司 上海市新三星給排水設備有限公司轉(zhuǎn)自：泵閥貿(mào)易網(wǎng)
通常給定的參數(shù)有：氣源壓力、閥zui大輸出壓力、通氣能力、zui大操縱力和行程等。設計和計算的內(nèi)容有：選擇的結(jié)構型式，據(jù)通氣能力和工作壓力確定閥的結(jié)構尺寸，據(jù)行程和操縱力設計平衡彈簧等。
閥的結(jié)構設計重點在于進氣閥門、排氣閥門和活門座的密封結(jié)構，因為氣體粘度小，且工作壓力高，容易泄漏。閥的結(jié)構見圖1。
（1）通氣能力計算
閥的通氣能力是指在給定的氣源壓力、閥輸出壓力、執(zhí)行元件氣缸及閥后管道的容積的情況下，閥的充氣、排氣時間。
通氣能力取決于進氣通道和排氣通道的面積。閥在充氣和排氣過程中時間很短，我們忽略熱交換的影響，即絕熱充氣和絕熱排氣。另外，根據(jù)閥的工作壓力，閥是以音速充氣和音速排氣。因此閥的進氣通道有效面積Aa按下式計算［2］：
K――比熱比，絕熱充氣時，K＝1.4；
T――空氣的溫度，標準空氣的溫度T＝293.15K；
t1――充氣時間；
R――氣體常數(shù)，R＝287.1N*m/kg/K；
p1――閥輸入口壓力；
p2――閥輸出口壓力；
p20――氣缸內(nèi)在充氣開始前的壓力。
∵A1=Aa
（2）排氣閥座直徑的計算
由閥的工作原理知道，排氣閥門座直徑d的大小直接影響閥的調(diào)壓精度。若其直徑大，則閥的調(diào)壓精度高；反之，則閥的調(diào)壓精度低。但是，排氣閥門座直徑又受到操縱力的限制。排氣閥門座直徑（見圖3（b））可由式（1）得到
（3）進、排氣閥門的設計
進、排氣閥門的設計主要包括結(jié)構型式、材料的選取和幾何尺寸的確定。閥門結(jié)構采用金屬包膠閥門（所謂金屬包膠閥門就是將橡膠直接硫化在金屬骨架上）。它利用了橡膠材料彈性高和密封比壓低的優(yōu)點，使閥門在工作過程中具有良好的補償功能；另外利用了金屬材料的強度和剛度。閥門加工制造工藝性好，制造成本低廉。
橡膠材料的選擇主要根據(jù)其機械性能和閥的工作溫度。
硫化橡膠的厚度根據(jù)閥門座型面高度h選取，橡膠壓縮量在（20～25）%為宜。
進、排氣閥門的金屬骨架宜用黃銅，因其與橡膠的結(jié)合性能好。
（4）進、排氣閥門座型面的設計
閥門座型面與閥門的橡膠面直接接觸，在工作過程中使膠面變形，起密封作用，而且對閥的壽命影響很大。閥門座型面結(jié)構如圖2所示（其中：圖2（a）為進氣閥門座，圖2（b）為排氣閥門座）。圖中高度h范圍內(nèi)為閥門座型面，R為密封面。R值小，閥的靈敏度高；R值大，閥的壽命長。經(jīng)優(yōu)化設計，R在0.3～0.5范圍內(nèi)取值較好。閥門座型面的粗糙度同樣也影響閥的密封性和壽命，粗糙度Ra應不大于0.4μm
它是用來限制膠面過度變形，起保護膠面的作用。
（5）平衡彈簧的設計
根據(jù)閥的性能分析，平衡彈簧與排氣閥門座直徑一樣，直接影響閥的調(diào)壓精度。減壓彈簧的剛度越小，閥的調(diào)壓精度越好。但是剛度太小，彈簧行程過長。它受到給定行程的限制，應根據(jù)給定的參數(shù)設計彈簧剛度：
k=Fmax/（h1+h2）（9）
有了彈簧剛度、彈力和行程，便可進行彈簧的設計了。兩個復位彈簧的剛度可設計成相同，而且，其剛度小于平衡彈簧的剛度。

試驗
為檢驗閥的性能，設計試驗系統(tǒng)原理圖如圖3所示。
閥的輸出壓力與操縱力的關系見圖4。圖5是在氣罐容積為2L，輸入壓力的11MPa，在壓頭上迅速施加（除去）操縱力的工況下，閥的充（排）氣特性。經(jīng)過試驗和應用，閥的各項技術性能符合要求，有些指標*類產(chǎn)品。而且具有結(jié)構簡單、緊湊、體積小、重量輕、壽命長、可維護性好等特點。