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气动三联件设计浅析——减压阀

    在气动技术中,空气过滤器、减压阀和油雾器称为气动三大件,减压阀是其中不可缺少的一部分。本文主要介绍设计心得,关于设计理论、计算公式等方面由于有众多书籍详细介绍,因此本文并不过多涉及。
    气动减压阀也叫调压阀,是将较高的进口压力调节并降低到要求的出口压力,并能保证出口压力稳定,即起到减压和稳压作用。气动减压阀按压力调节方式,有直动式减压阀和先导式减压阀,后者适用在较大通径的场合,两者的调压原理相似,因此这里只介绍直动式减压阀。
    1.直动式减压阀的工作原理
    直动式减压阀是用调节钮直接调节调压弹簧来改变阀的出口压力,有活塞式和膜片式两种。这里只介绍最常用的膜片式减压阀。膜片式减压阀适合通径小于20毫米,输出压力为0~0.63MPa的情况下,较大通径或较大输出压力由于需要调压弹簧的刚性太大,调节比较困难,一般采用先导式减压阀。
    图1所示为带溢流功能的膜片式直动减压阀的结构图。

    压力为P1的压缩空气,由左端输入经阀口节流后,压力降为P2输出。P2的大小可由主调压弹簧4进行调节。拉起并顺时针旋转主调压旋钮6,主调压弹簧4被压缩,推动膜片组合3和调压柱8下移,推动阀芯10,增大阀口开度使P2增大。出口压力气体经反馈导管2进入膜片室,在膜片组合3上产生一个向上推力。当此推力与主调压弹簧力平衡时,出口压力便稳定在一定值。若反时针旋转主调压旋钮6,阀口的开度减小,P2随之减小。
    若进口压力有波动,例如P1瞬时升高,则出口压力P2也随之升高,通过反馈导管2使膜片室内压力升高,在膜片组合3上产生的推力相应增大,此推力破坏了原来力的平衡,使膜片组合3向上移动,溢流孔打开,有少部分溢流气体经溢流孔、排气孔排出。在膜片组合3上移的同时,靠复位弹簧1的作用,使调压柱8上移,阀口开度减小,节流作用增大,使出口压力回降,溢流孔关闭,达到新的平衡,输出压力基本又恢复原值。若输入压力瞬时下降,输出压力也下降、膜片组合3和调压柱8随之下移,阀口开度加大,节流作用减小,使输出压力也基本回到原来值。
    若进口压力不变,输出流量变化,使出口压力P2发生波动(增高或降低)时,依靠溢流孔的溢流作用和膜片组合3上力的平衡作用推动调压柱8上下移动,仍能起到稳压作用。
    当输出流量为零时,出口压力经过反馈导管2进入膜片室,推动膜片组合3上移,调压柱8在复位弹簧1的推动下上移,阀口关闭,保证出口压力恒定。当输出流量很大时,高速气流使反馈导管2处产生负压,吸出膜片室内的部分气体使膜片室压力下降,阀口开度加大,仍然可以保持膜片上的力平衡。
    如果逆时针旋转主调压旋钮6,使主调压弹簧4的变形不断减小,气体作用在膜片组合3上的推力大于调压弹簧的作用力,膜片组合3上移,靠复位弹簧1的作用逐渐关闭阀口。膜片室中的压缩空气经溢流孔、排气孔不断排出,直至阀处于无输出状态,出口压力降为零。
    溢流式减压阀是靠阀口的节流作用减压,靠膜片上力的平衡作用和溢流孔的溢流作用稳压;调节主调压弹簧即可使输出压力在一定范围内改变。
    溢流式减压阀经常用于二次侧负载变动的场合,如进行频繁调整的场合、二次侧有容器(如气缸)的场合。在使用过程中,由于经常要从溢流孔排出少量气体,因此不适用于工作介质为有害气体或食品等行业的气路中。
    2.减压阀的主要性能指标
    2.1 调压范围 指减压阀输出压力P2的可调范围,在此压力范围内要求达到规定的稳压精度。使用压力最好处于调压范围上限值的30%~80%。调压范围主要与调压弹簧的刚度有关。
    2.2 流量特性 指在一定的进口压力下,输出压力与输出流量的关系。当输出流量发生变化时,输出压力的变化越小越好。一般输出压力越低,它随输出流量的变化波动就越小。
    2.3 压力特性 指在输出流量基本不变的条件下,出口压力和进口压力之间的关系。进口压力变化时,出口压力变化越小,减压阀的特性就越好。输出压力必须低于输入压力—定值才基本上不随输入压力变化而变化。
    2.4 溢流特性 指在设定压力下,出口压力偏离(高于)设定值时,从溢流孔排出的流量大小。
    3.气动减压阀的设计重点和注意事项
    气动减压阀的结构见图1,主要有减压阀本体、主调压座、主调压旋钮、主调压弹簧、膜片组合、反馈导管、调压柱、阀芯、复位弹簧等等。在三联件中,减压阀的设计是最复杂、最难的一部分。
    3.1 气动减压阀的本体设计
    气动减压阀的本体是整个减压阀的基体,外观设计要求、内部的流道设计原则同空气过滤器相似,请参考过滤器篇。本体的材料也多选用压铸铝合金或锌合金。
    气动减压阀的本体内部要比空气过滤器的本体复杂许多。它的流道的设计,要注意三点。一是进气面积,设计要求同空气过滤器。二是流道要短,在满足强度的前提下,尽量将火山口位置靠近进气口。三是火山口的直径要尽量大,面积上是出气口的2~4倍,这样调压行程就比较短,调压特性就比较好,另外也会在通过出气口时有较高的流速。四是气动减压阀的出气侧要留有压力表的安装空间。阀体要有醒目的气体流动方向标志。
    3.2 气动减压阀的主调压弹簧部分设计
    主调压弹簧的设计就是确定四个参数:弹簧中径和线径、有效圈数、弹簧高度。弹簧中径和弹簧自由高度受主调压座的结构限制,可以调整的范围比较小。弹簧的最小作用力为零,最大作用力跟调压范围气动三联件设计浅析减压阀和调压膜片组合的有效面积有关。在确定了最大作用力后,就可以根据弹簧的设计公式来调整弹簧的这四个参数。笔者建议设计者最好用Excel制作一个弹簧的设计表格,设计时要考虑弹簧的使用寿命、高径比、作用力范围(建议不超过最大压缩力的80%)等参数。由于线径比较粗,要两端磨平,保证平稳。材料一般用碳素线外镀白锌或彩锌处理,不建议使用不锈钢线。
    设计时,在完成设计主体时还要多注意细节的设计。这些细节包括安全方面、人体力学方面等等。比如在安全方面,由于主调压弹簧有很大的作用力(多达几百公斤力),所以主调压座必须要有足够的强度来承担这些作用力,主调压座的材料为PA、POM,较大通径时用压铸铝;主调压座的上部多设计成齿状,便于调节后锁定调压旋钮;一般要设计有醒目的调压标志环,调节时,需拉起调节旋钮,露出调压标志,锁定时遮住调压标志环;长久不使用时,应将调压弹簧完全旋松。比如在人体力学方面,调节杆与主调压座存在巨大的摩擦力,可以增加一个POM垫片来减少摩擦,改善调节阻力;调节杆与调压六角螺母之间容易锁死,可以选择其中之一增加小凸点或小凸环来改善;拉起调压旋钮的力要适中,可以通过细化调节扣位处的设计来满足。
    3.3 气动减压阀的膜片组合设计
    气动减压阀的膜片组合是这个阀中的关键部件。它要承受多达几百公斤的压力。

    膜片组合结构见图2,由膜片硬芯、膜片、溢流口组成。膜片材料为丁氰橡胶(NBR)+纤维布。膜片硬芯为碳钢片,一方面用来提高膜片的强度,另一方面用来支撑和定位主调压弹簧。溢流口上包有丁氰橡胶,用于和调压柱密封,保持膜片室的压力。调压柱离开时用来溢流,保持出口压力恒定。丁氰橡胶的硬度多为85度,硬度太高影响密封效果,太低则降低溢流的灵敏度。膜片有效直径的计算见式1。
    d2=4*(d12+d1*d2+d22/9             (式1)
    影响膜片组合设计的主要是膜片硬芯直径和膜片厚度,不仅要考虑它们对膜片中心扰度的影响,还要考虑其对膜片应力的影响,以确保最大应力值不超过许用应力。膜片硬芯的直径d2建议为膜片受力直径d1的2/3以上,膜片最好有弧形位,这样可以在上下移动时有伸缩余量。硬芯在设计时在接触膜片一侧要有环形突起,组合时要保证结合位密封,不能漏气。主调压座要压紧膜片,不允许气体泄露。膜片与本体、主调压座的接触位,后两者要有圆弧过渡(R>3毫米),可以保护膜片不易断裂。但圆弧又不能过大,否则膜片受力面积增加太多,增加了对膜片强度的要求。
    3.4 气动减压阀的反馈导管设计
    反馈导管装在气动减压阀的出口端,伸出端切成45度,方向朝出口侧,不能装反,所以设计时要注意有方向要求。它的设计原理见图3。

    由于出气口面积小于阀口面积,气体被迫加速流动,高速流动的气体在遇到导管的阻挡后形成紊流,导管的背面会有一定的负压,膜片室内的气体容易被吸出。它的作用是提高稳压精度,同时可以改善减压阀的动态性能,负载突变(突然变化或不稳定)时起阻尼作用,避免振荡发生。另外,产生的高速气流对油雾器起雾有利。
    3.5 气动减压阀的阀芯部分设计
    阀心部分包括调节杆、阀芯、复位弹簧等部分组成。阀芯部分通过阀芯密封圈和通孔保持压力与出口端压力相同。

    A1-膜片组合的有效面积A2-阀口面积A3-筏芯受力面积
    阀芯开启时的受力见图4,根据力的平衡得到式2:
    F1+P1*(A3-A2)+P2*A2=F2+P2*A3+P2*A1         (式2)
    如果A2=A3,则式2可以简化为:
    F1=F2+P2*A1                  (式3)
    从式3中可以看出:如果阀芯密封圈处的直径与火山口的直径相同,就可以消除进气压力P1变化对出气压力P2造成的影响。出气压力P2仅与主调压弹簧、复位弹簧和阀口大小有关。采用此种设计的减压阀就是平衡式减压阀,调压和稳压效果比较好。
    阀芯的最大开启高度H由下式决定:
    S=3.14*D*H                  (式4)
    式4中,D为阀口直径,S为排气口面积。在排气口面积(公称口径)确定时,如果阀口直径增大,则阀芯开启的行程可以减小。阀芯行程减小可以明显改善流量特性,同时也减小了膜片的变形量。调压柱必须与阀芯连接为一体,否则阀芯下降时调压柱在调压柱密封圈的阻力下不会一起下降,无法打开溢流口。调压柱头部应光滑,无划痕,否则会影响与溢流口的密封效果。
    复位弹簧提供的弹簧力用来克服阀芯密封圈和调节杆密封圈的阻力、提供密封火山口的压力,弹簧力必须足够,否则影响调压的灵敏度,复位弹簧的两端也要磨平。火山口不可以太尖,易损伤阀芯的包胶层。
    以上是气动减压阀的一些设计心得,如有不足之处,欢迎大家指出。
    参考文献
   (1)现代气动技术。主编:SMC(中国)有限公司。机械工业出版社。
   (2)袖珍液压气动手册(第二版)。主编:刘新德。机械工业出版社。
   (3)液压气动技术手册。主编:路甬祥。机械工业出版社。