氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算

 超高壓氣動(dòng)減壓閥是氣動(dòng)剎車系統(tǒng)的重要元件。因?yàn)闅怏w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，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(dòng)減壓閥突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且對(duì)重要零、組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，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。 

    2、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算工作原理 

    超高壓氣動(dòng)減壓閥的工作原理如圖1所示。當(dāng)壓頭無外力作用時(shí)，氣源來的氣體由輸入口進(jìn)入閥體下部氣室，進(jìn)氣閥門在氣壓和復(fù)位彈簧的作用下與進(jìn)氣閥門座壓緊，閥輸出口無氣體輸出。當(dāng)壓頭受外力F作用時(shí)，壓頭下移，通過平衡彈簧壓縮復(fù)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(jìn)氣閥門，壓縮空氣由進(jìn)氣閥門控制的通道進(jìn)入閥后面的執(zhí)行元件氣缸。

隨著氣缸壓力的增加，進(jìn)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(shí)進(jìn)氣閥門關(guān)閉。當(dāng)外力消除后，進(jìn)氣閥門在氣壓和復(fù)位彈簧2的力作用下，向上移動(dòng)關(guān)閉。與此同時(shí)，壓頭與排氣閥門在復(fù)位彈簧1的力及排氣壓力的作用下復(fù)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(shí)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： 由氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、壓力調(diào)節(jié)儀組成，可以完成現(xiàn)代工業(yè)過程中對(duì)管道壓力的全自動(dòng)控制。具有安裝方便、響應(yīng)快、控制精度高、整定方便、性能可靠等特點(diǎn)。廣泛適用于化工、食品、生物醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、給排水、造紙、電力等行業(yè)。

■ 控制原理

以氣體或液體管道或容器中的壓力作為被控制量的反饋控制系統(tǒng)。在許多生產(chǎn)過程中，保持恒定的壓力或一定的真空度常是正常生產(chǎn)的必要條件。很多化學(xué)反應(yīng)需要在恒壓下進(jìn)行，為保持流量不變也常需要控制主壓力源的壓力恒定。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，壓力控制可采用不同的方式。當(dāng)控制性能要求不高時(shí)，可采用比較簡(jiǎn)單的控制裝置，如壓力調(diào)節(jié)閥等。對(duì)性能要求較高或生產(chǎn)過程比較復(fù)雜，宜采用壓力控制系統(tǒng)。壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是閉環(huán)的，由壓力傳感器、壓力控制器和調(diào)節(jié)閥組成。

    3、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算設(shè)計(jì)和計(jì)算 

    設(shè)計(jì)超高壓氣動(dòng)減壓閥一般是先根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作條件，氣動(dòng)壓力控制閥，由氣動(dòng)薄膜多彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)和精小型單座閥組成，以壓縮空氣為動(dòng)力源，借助于電氣閥門定位設(shè)備、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器，來對(duì)閥芯的開度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)介質(zhì)的壓力進(jìn)行自動(dòng)化控制的壓力調(diào)節(jié)閥。

減壓閥（reducingvalve）是采用控制閥體內(nèi)的啟閉件的開度來調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，將介質(zhì)的壓力降低，同時(shí)借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開度，使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi)，并在閥體內(nèi)或閥后噴入冷卻水，將介質(zhì)的溫度降低，這種閥門稱為減壓減溫閥。該閥的特點(diǎn)，是在進(jìn)口壓力不斷變化的情況下，保持出口聽壓力和溫度值在一定的范圍內(nèi)。減壓閥是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一個(gè)配件，主要作用是將氣源的壓力減壓并穩(wěn)定到一個(gè)定值，以便于調(diào)節(jié)閥能夠獲得穩(wěn)定的氣源動(dòng)力用于調(diào)節(jié)控制。本類閥門在管道中一般應(yīng)當(dāng)水平安裝。

 氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)

三、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)

氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算選擇閥的結(jié)構(gòu)型式，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和計(jì)算。 

    通常給定的參數(shù)有：氣源壓力、閥輸出壓力、通氣能力、操縱力和行程等。設(shè)計(jì)和計(jì)算的內(nèi)容有：選擇的結(jié)構(gòu)型式，據(jù)通氣能力和工作壓力確定閥的結(jié)構(gòu)尺寸，據(jù)行程和操縱力設(shè)計(jì)平衡彈簧等。 閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于進(jìn)氣閥門、排氣閥門和活門座的密封結(jié)構(gòu)，因?yàn)闅怏w粘度小，且工作壓力高，容易泄漏。閥的結(jié)構(gòu)見。 

    (1)通氣能力計(jì)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(shí)間。 

    通氣能力取決于進(jìn)氣通道和排氣通道的面積。閥在充氣和排氣過程中時(shí)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(jìn)氣通道有效面積Aa按下式計(jì)算

    (2)排氣閥座直徑的計(jì)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。排氣閥門座直徑在滿足操縱力值的前提下，排氣閥門座直徑盡可能取大值。 

    (3)進(jìn)、排氣閥門的設(shè)計(jì) 

    進(jìn)、排氣閥門的設(shè)計(jì)主要包括結(jié)構(gòu)型式、材料的選取和幾何尺寸的確定。閥門結(jié)構(gòu)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(diǎn)，使閥門在工作過程中具有良好的補(bǔ)償功能；另外利用了金屬材料的強(qiáng)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(jī)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(jìn)、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(jìn)、排氣閥門座型面的設(shè)計(jì) 

    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(duì)閥的壽命影響很大。它是用來限制膠面過度變形，起保護(hù)膠面的作用。 

    (5)平衡彈簧的設(shè)計(jì) 

    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(zhǎng)。它受到給定行程的限制，應(yīng)根據(jù)給定的參數(shù)設(shè)計(jì)彈簧剛度：有了彈簧剛度、彈力和行程，便可進(jìn)行彈簧的設(shè)計(jì)了。兩個(gè)復(fù)位彈簧的剛度可設(shè)計(jì)成相同，而且，其剛度小于平衡彈簧的剛度。 

    4、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算試驗(yàn) 

    為檢驗(yàn)閥的性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖所示。 閥的輸出壓力與操縱力的關(guān)系是在氣罐容積為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(yàn)和應(yīng)用，閥的各項(xiàng)技術(shù)性能符合要求，有些指標(biāo)*產(chǎn)品。而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。