淺談幾種新型氣體減壓閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)及性能

楊亞青，陳正立

河南航天壓力元件有限公司，河南新鄭 451191

減壓閥是通過手動或電動調(diào)節(jié)，將進(jìn)口壓力減到系統(tǒng)需要的出口壓力，并利用閥門本身彈性元件及流體介質(zhì)本身的能量，使閥門的出口壓力不隨進(jìn)口壓力及流量化而變化，自動保持某一相對穩(wěn)定值的閥門。從流體力學(xué)的觀點(diǎn)看，減壓閥是依靠手動或電動機(jī)構(gòu)的調(diào)節(jié)，使閥門局部阻力變化的節(jié)流元件，通過改變閥座部位的節(jié)流面積，使介質(zhì)質(zhì)點(diǎn)的流速及動能發(fā)生改變，造成不同的壓降，從而達(dá)到并保持出口側(cè)不同的壓力。

簡而言之，減壓閥的工作原理是節(jié)流，氣體流經(jīng)活門與活門座之間的縫隙時，產(chǎn)生壓降，達(dá)到減壓的目的。壓力減小原理可以從以下兩個方面來說：

1）活門與活門座之間的縫隙相對而言面積較小，氣體流經(jīng)的流速較快。這是根據(jù)連續(xù)方程式（根據(jù)質(zhì)量守恒定律：通過流管任意截面的氣體質(zhì)量流量都相等）：

ρ1ν1A1=ρ2ν2A2

ρ為氣體的密度；

ν為氣體的流速；

A為流管的截面。

在氣動裝置中，氣體的流速一般較低，遠(yuǎn)小于音速（340m/s），且經(jīng)過壓縮，一般認(rèn)為是不可壓縮流體。即ρ1 =ρ2。

那么，V1A1=V2A2，當(dāng)A1＞A2時，ν2＞ν1。

結(jié)論：流管的截面小，氣體的流速就高。

在自然界，我們看到在山谷中或城市高樓間風(fēng)速遠(yuǎn)比平地上大（或穿堂風(fēng)）

根據(jù)伯努利方程：

P /ρg＋z＋ν2/2g=常數(shù)

z為流體中任意一點(diǎn)的位置高度；

P為該點(diǎn)上的壓力；

ρ為流體的密度；

ν為該點(diǎn)上的流體的流速；

g為重力加速度。

將上式改為 P ＋ρg z＋ρν2/2=常數(shù)

P為流體的壓力能；

ρg z為流體的位能；

ρν2/2為流體的動能；

這也稱為能量守恒方程式。

對同一流體來而言：

P1 ＋ρg z1＋ρν12/2= P2 ＋ρg z2＋ρν22/2

在減壓閥中，由于行程很短，忽略摩擦阻力和位置高度的影響，則有：

結(jié)論：氣體的流速高處壓力低，流速低處壓力高。

那么氣體流經(jīng)活門與活門座之間的縫隙時，流速增加，相應(yīng)壓力就減小。

2）當(dāng)氣體流經(jīng)突然擴(kuò)大或縮小的截面、彎頭、阻礙物或閥門等處，由于流速的大小和方向改變產(chǎn)生流體質(zhì)點(diǎn)撞擊和渦旋而引起能量損失。由于這個區(qū)域是不穩(wěn)定的，除區(qū)域質(zhì)點(diǎn)撞擊磨擦消耗能量外，流動時不斷有新質(zhì)點(diǎn)進(jìn)入該區(qū)域，也不斷有質(zhì)點(diǎn)被帶走，這種質(zhì)量交換過程中也要發(fā)生撞擊磨擦等而消耗能量。流動狀態(tài)復(fù)雜，有湍流，有渦流，很難進(jìn)行理論計(jì)算，一般都依靠實(shí)驗(yàn)測得各類系數(shù)。綜上所述，我們可以基本了解減壓閥的減壓原理。

當(dāng)進(jìn)口壓力減小時，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體壓力也減小，出口腔的壓力也減小，作用在活塞上的力也減小，破壞了原有力的平衡。彈簧往下壓活塞進(jìn)而壓活門，使活門開度增大，壓降減小，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體增多，壓力也就上升，作用在活塞上抵消彈簧力而達(dá)到一個新的平衡。當(dāng)入口壓力增大時，那么，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體壓力也增大，出口腔的壓力也增大，作用在活塞上的力也增大，破壞了原有力的平衡。往上頂活塞進(jìn)而使活門開度減小，流經(jīng)活門與活門座之間縫隙的氣體減小，壓降增加，出口壓力也就相應(yīng)減小，活塞回復(fù)而達(dá)到一個新的力平衡。一般在系統(tǒng)中，同由于系統(tǒng)所需的力是恒定的，因此減壓閥的彈性元件（彈簧）的行程是調(diào)定的。閥門出口腔的壓力必需與彈性元件力形成不斷的動平衡，才能實(shí)現(xiàn)閥的出口壓力基本不隨進(jìn)口壓力的變化而變化。當(dāng)減壓閥的進(jìn)口壓力及流量變動時，閥門彈簧力與其出口腔的壓力平衡，才能保持出口側(cè)的壓力基本不變，這是一個動平衡形成的過程。因?yàn)殚y門的各零（部）件（如彈簧、活塞、活門等）都有一定的質(zhì)量，在移動中與閥體或一些其它零件存在者磨擦，因此形成新的動平衡是一個復(fù)雜的過程，不是瞬間完成的。

河南航天壓力元件有限公司的減壓閥按其基本結(jié)構(gòu)大致可分為氣控活塞式、新型活塞式、氣控膜片式、新型膜片式。

1）氣控活塞式減壓閥是通過過活塞控制氣腔內(nèi)氣體壓力傳遞的，通過調(diào)節(jié)控制氣腔內(nèi)氣體壓力來使活門與閥座形成的節(jié)流面積發(fā)生變化，使流量和壓降隨之變化，從而使出口壓力基本恒定。該減壓閥具有出口壓力穩(wěn)定、流量大、動靜壓差小等特點(diǎn)。如果減壓閥進(jìn)出口壓差變化大，工作流量要求較大時，選用帶平衡腔結(jié)構(gòu)的氣控活塞式減壓閥是比較好的選擇；

2）新型活塞式 通過彈簧來調(diào)定出口壓力，彈簧力的傳遞通過活塞結(jié)構(gòu)來實(shí)現(xiàn)的。由于我廠設(shè)計(jì)的新型活塞式減壓閥增加了復(fù)合彈簧，同時設(shè)計(jì)了平衡腔結(jié)構(gòu)，增設(shè)了自泄壓結(jié)構(gòu)。設(shè)計(jì)復(fù)合彌補(bǔ)了單一主彈簧力輸出壓力不穩(wěn)定的缺陷，提高了出口端靜壓復(fù)位的重復(fù)性，使閥門在大流量供氣情況下保持出口端的穩(wěn)定性；平衡腔的設(shè)計(jì)保證主活門上產(chǎn)生的密封力在進(jìn)出口氣體壓力的壓差變化時保持恒定，由于密封力一定，從而使主活門的密封更可靠；自泄壓結(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)能在由于某些特殊因素影響導(dǎo)致出口氣體升高時，通過自泄壓結(jié)構(gòu)將超壓氣體自動排氣降壓，消除由于超壓帶來的潛在危險(xiǎn)；

3）氣控膜片式減壓閥控制氣腔內(nèi)氣體壓力的傳遞是通過膜片來實(shí)現(xiàn)。膜片的特點(diǎn)是剛度小、靈敏度好、有效面積大、質(zhì)量小，因此該類閥門出口壓力控制精度高、壓力穩(wěn)定、流量大、動靜壓差小等特點(diǎn)。

該類氣控膜片式減壓閥，出口壓力控制精度高、壓力穩(wěn)定、流量大、動靜壓差小等特點(diǎn)；

4）新型膜片式通過彈簧來調(diào)定出口壓力，彈簧力的傳遞通過膜片來實(shí)現(xiàn)。由于膜片對壓力變化的靈敏度高于活塞對壓力變化的靈敏度，因此彈簧膜片式氣體減壓閥性能優(yōu)于彈簧活塞式氣體減壓閥，滿足了要求較高的氣路系統(tǒng)的使用。

[1]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2007.

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