淺談幾種新型氣體減壓閥結構設計及性能

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節，將進口壓力減到系統需要的出口壓力，并利用閥門本身彈性元件及流體介質本身的能量，使閥門的出口壓力不隨進口壓力及流量化而變化，自動保持某一相對穩定值的閥門。從流體力學的觀點看，減壓閥是依靠手動或電動機構的調節，使閥門局部阻力變化的節流元件，通過改變閥座部位的節流面積，使介質質點的流速及動能發生改變，造成不同的壓降，從而達到并保持出口側不同的壓力。

簡而言之，減壓閥的工作原理是節流，氣體流經活門與活門座之間的縫隙時，產生壓降，達到減壓的目的。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，氣體流經的流速較快。這是根據連續方程式（根據質量守恒定律：通過流管任意截面的氣體質量流量都相等）：

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，遠小于音速（340m/s），且經過壓縮，一般認為是不可壓縮流體。即ρ1 =ρ2。

那么，V1A1=V2A2，當A1＞A2時，ν2＞ν1。

結論：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速遠比平地上大（或穿堂風）

根據伯努利方程：

P /ρg＋z＋ν2/2g=常數

z為流體中任意一點的位置高度；

P為該點上的壓力；

ρ為流體的密度；

ν為該點上的流體的流速；

g為重力加速度。

將上式改為 P ＋ρg z＋ρν2/2=常數

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：

結論：氣體的流速高處壓力低，流速低處壓力高。

那么氣體流經活門與活門座之間的縫隙時，流速增加，相應壓力就減小。

2）當氣體流經突然擴大或縮小的截面、彎頭、阻礙物或閥門等處，由于流速的大小和方向改變產生流體質點撞擊和渦旋而引起能量損失。由于這個區域是不穩定的，除區域質點撞擊磨擦消耗能量外，流動時不斷有新質點進入該區域，也不斷有質點被帶走，這種質量交換過程中也要發生撞擊磨擦等而消耗能量。流動狀態復雜，有湍流，有渦流，很難進行理論計算，一般都依靠實驗測得各類系數。綜上所述，我們可以基本了解減壓閥的減壓原理。

當進口壓力減小時，流經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。彈簧往下壓活塞進而壓活門，使活門開度增大，壓降減小，流經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到一個新的平衡。當入口壓力增大時，那么，流經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。往上頂活塞進而使活門開度減小，流經活門與活門座之間縫隙的氣體減小，壓降增加，出口壓力也就相應減小，活塞回復而達到一個新的力平衡。一般在系統中，同由于系統所需的力是恒定的，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，才能實現閥的出口壓力基本不隨進口壓力的變化而變化。當減壓閥的進口壓力及流量變動時，閥門彈簧力與其出口腔的壓力平衡，才能保持出口側的壓力基本不變，這是一個動平衡形成的過程。因為閥門的各零（部）件（如彈簧、活塞、活門等）都有一定的質量，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構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氣體壓力傳遞的，通過調節控制氣腔內氣體壓力來使活門與閥座形成的節流面積發生變化，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定、流量大、動靜壓差小等特點。如果減壓閥進出口壓差變化大，工作流量要求較大時，選用帶平衡腔結構的氣控活塞式減壓閥是比較好的選擇；

2）新型活塞式 通過彈簧來調定出口壓力，彈簧力的傳遞通過活塞結構來實現的。由于我廠設計的新型活塞式減壓閥增加了復合彈簧，同時設計了平衡腔結構，增設了自泄壓結構。設計復合彌補了單一主彈簧力輸出壓力不穩定的缺陷，提高了出口端靜壓復位的重復性，使閥門在大流量供氣情況下保持出口端的穩定性；平衡腔的設計保證主活門上產生的密封力在進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；自泄壓結構的設計能在由于某些特殊因素影響導致出口氣體升高時，通過自泄壓結構將超壓氣體自動排氣降壓，消除由于超壓帶來的潛在危險；

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

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

4）新型膜片式通過彈簧來調定出口壓力，彈簧力的傳遞通過膜片來實現。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于彈簧活塞式氣體減壓閥，滿足了要求較高的氣路系統的使用。

[1]陸培文.實用閥門設計手冊[M].北京：機械工業出版社，2007.

[2]洪勉成，陸培文，高鳳琴.閥門設計計算手冊[M].中國標準出版社，1994.

[3]路甬祥.液壓氣動技術手冊[M].北京：機械工業出版社，2002.