浅谈减压阀的设计原理.docx

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浅谈减压阀的设计原理

浅谈减压阀的分类及结构设计

TypeAndStructureDesignforNew-TypePressureReducingValve

ChenZheng-li，YangYa-qing

摘要：

本文简要介绍了几种新型减压阀的结构设计。

减压阀是通过手动或电动调节，将进口压力降至需要的出口压力，并能在进口压力及流量变动时，利用介质本身的能量，使出口压力自动保持某一相对稳定值的阀门。

从流体力学的观点看，减压阀是依靠手动或电动机构的调节，使阀门局部阻力变化的节流元件，通过改变阀座部位的节流面积，使介质质点的流速及动能发生改变，造成不同的压降，从而达到并保持出口侧不同的压力。

气体管路系统中广泛使用气体减压阀把高压气体减压至所需低压，来满足系统的需要。

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，进口压力及流量变动时，出口压力也随之变化。

这就是两者之间的最大区别。

一、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。

那么，压力为什么会减小呢？

可以从两个方面来说：

1．活门与活门座之间的缝隙相对而言面积较小，气体流经的流速较快。

这是根据连续方程式（根据质量守恒定律：

通过流管任意截面的气体质量流量都相等）：

ρ1ν1A1=ρ2ν2A2

ρ—气体的密度

ν—气体的流速

A—流管的截面

在气动装置中，气体的流速一般较低，远小于音速（340m/s），且经过压缩，一般认为是不可压缩流体。

即ρ1=ρ2。

那么V1A1=V2A2当A1＞A2时，ν2＞ν1。

结论：

流管的截面小，气体的流速就高。

在自然界，我们看到在山谷中或城市高楼间风速远比平地上大（或穿堂风）

根据伯努利方程：

P/ρg＋z＋ν2/2g=常数

z—流体中任意一点的位置高度

P—该点上的压力

ρ—流体的密度

ν—该点上的流体的流速

g—重力加速度

将上式改为P＋ρgz＋ρν2/2=常数

P—流体的压力能

ρgz—流体的位能

ρν2/2—流体的动能

这也称为能量守恒方程式。

对同一流体来而言：

P1＋ρgz1＋ρν12/2=P2＋ρgz2＋ρν22/2

在减压阀中，由于行程很短，忽略摩擦阻力和位置高度的影响，则有：

P1＋ρν12/2=P2＋ρν22/2

结论：

气体的流速高处压力低，流速低处压力高。

那么气体流经活门与活门座之间的缝隙时，流速增加，相应压力就减小。

2．当气体流经突然扩大或缩小的截面、弯头、阻碍物或阀门等处，由于流速的大小和方向改变产生流体质点撞击和涡旋而引起能量损失。

由于这个区域是不稳定的，除区域质点撞击磨擦消耗能量外，流动时不断有新质点进入该区域，也不断有质点被带走，这种质量交换过程中也要发生撞击磨擦等而消耗能量。

流动状态复杂，有湍流，有旋涡，很难进行理论计算，一般都依靠实验测得各类系数。

综上所述，我们可以基本了解减压阀的减压原理。

当进口压力减小时，那么，流经活门与活门座之间缝隙的气体压力也减小，出口腔的压力也减小，作用在活塞上的力也减小，破坏了原有力的平衡。

弹簧往下压活塞进而压活门，使活门开度增大，流经活门与活门座之间缝隙的气体增多，压力也就上升，作用在活塞上抵消弹簧力而达到一个新的平衡。

当入口压力增大时，那么，流经活门与活门座之间缝隙的气体压力也增大，出口腔的压力也增大，作用在活塞上的力也增大，破坏了原有力的平衡。

往上顶活塞进而使活门开度减小，流经活门与活门座之间缝隙的气体减小，压力也就减小，活塞回复而达到一个新的平衡。

因为弹簧的行程是调定的，要达到平衡，出口腔的压力必需跟弹簧力平衡，

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、活门等都有一定的质量，在移动中与阀体等一些其它零件都有磨擦。

二、减压阀的分类以及基本结构性能

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。

1．新型活塞式

通过弹簧来调定出口压力，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簧力的不稳定，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，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；也可以保证由于调压过高反向调低压力时自动排气降压，而不必在出口端排气降压。

2．新型膜片式

通过弹簧来调定出口压力，弹簧力的传递通过膜片来实现。

由于膜片对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。

3．气控活塞式减压阀

气腔控制活塞式通过调节控制气腔内气体压力来调节出口压力，控制气腔内气体压力的传递通过活塞来实现。

该减压阀具有出口压力稳定、流量大、动静压差小等特点。

如果减压阀进出口压差变化大，工作流量要求较大时，选用带平衡腔结构的气控活塞式减压阀是比较好的选择。

气控活塞式减压阀

缺点是操作难度加大，应了解基本原理后在进行实际操作，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。

4．气控膜片式减压阀

气腔控制膜片式通过调节控制气腔内气体压力来调节出口压力，控制气腔内气体压力的传递通过膜片来实现。

气控膜片式减压阀，出口压力控制精度高、压力稳定、流量大、动静压差小等特点。

气控膜片式减压阀

三、减压阀的设计

减压阀主要由调节元件、卸荷元件、敏感元件、弹簧机构等组成。

1．调节元件的设计原理

调节元件也称节流元件，即活门和活门座。

它的主要功能是调节流通面积（节流面积）的大小。

调节元件的设计准则：

a）流线光滑，流损小。

b）活动灵敏。

c）关闭时应有可靠的密封性。

d）尺寸由设计流量来确定。

如下图

活门座口径计算：

d口=G√T入/AμπhP入

d口—活门座口径

G—设计流量

T入—入口气体温度

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—入口压力

一般来说,选用的活门座口径应比计算值略大，为了留有一定的调节余地。

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。

一般选h/d口=0.05～0.2。

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。

根据密封要求的不同，选用不同的密封材料。

如尼龙、PCTFE、PEEK等。

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。

2．卸荷元件的设计

卸荷元件的作用是卸掉一部分载荷，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。

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消，使密封力由活门弹簧来提供。

在高压低压腔之间必须密封。

如密封性不好，不但起不了卸荷作用，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型圈的选择、挡圈的尺寸等等，务必使磨擦滞后现象降低到最小。

3．敏感元件的设计

敏感元件的设计准则：

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、行程大、无附加刚度，但质量大、阻尼大、占据空间大。

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。

具体情况具体分析，从而选择不同的敏感元件。

4．弹簧机构的设计

弹簧机构主要包括主弹簧、活门弹簧，还有复合弹簧。

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＝Gd4/8D3n

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/πdbS＜［S］

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PCTFE而言，［S］数值可取＜350kg/cm2。

对密封材料PTFE而言，［S］数值可取＜200kg/cm2。

对于一些有特殊要求的减压阀来说，还需要过滤机构和安全机构等。

根据一些原始数据如：

流量、进出口压力和一些使用条件的要求，进行结构设计。

四：

结语

我厂设计的新型减压阀通过大量的理论研究及试验，其主要性能指标在国内处于领先地位。

在市场上得到了客户的一致好评。

参考文献

陆培文《阀门设计手册》.机械工业出版社

洪勉成，陆培文，高凤琴《阀门设计计算手册》中国标准出版社

路甬祥《液压气动技手册》.机械工业出版社