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                                  超高壓氣動減壓閥的研究

1　前言
　　 超高壓氣動減壓閥是氣動剎車系統的重要元件。由于氣體粘度小，容易走漏，而且系統工作壓力高，閥的輸入壓力為11～13MPa，最高輸出壓力為7MPa，所以，閥的密封性和耐久性成為突出的問題。這里引見的超高壓氣動減壓閥打破了傳統構造［1］，且對重要零、組件停止了優化設計，使得閥在高壓狀況下無走漏，其它性能也都滿足了運用請求。更多常識，請登陸上海萬經泵業，(隔膜泵//wcdcslm.com)
2　工作原理
　　 超高壓氣動減壓閥的工作原理如圖1所示。當壓頭無外力作用時，氣源來的氣體由輸入口進入閥體下部氣室，進氣閥門在氣壓和復位彈簧的作用下與進氣閥門座壓緊，閥輸出口無氣體輸出。當壓頭受外力F作用時，壓頭下移，經過均衡彈簧緊縮復位彈簧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，壓頭繼續下移，頂開進氣閥門，緊縮空氣由進氣閥門控制的通道進入閥后面的執行元件氣缸。隨著氣缸壓力的增加，進氣閥門的開度逐步減小，直到輸出口壓力p2與壓頭上的作用力相均衡時進氣閥門關閉。當外力消弭后，進氣閥門在氣壓和復位彈簧2的力作用下，向上挪動關閉。與此同時，壓頭與排氣閥門在復位彈簧1的力及排氣壓力的作用下復位，排氣口開啟，原輸出的氣體由排氣閥門經消聲器排入大氣。更多常識，請登陸上海萬經泵業，(隔膜泵//wcdcslm.com)
圖1　構造工作原理圖
　　 如今再來研討排氣閥門處于某一均衡位置時的狀態。疏忽壓頭、排氣閥門等的重力和摩擦力，排氣閥門受力均衡方程為：
F＝p1A1＋p2（A2－A1）＋Fs＋Ff（1）
式中：Fs――兩個復位彈簧的彈力之和；
Ff――密封圈的摩擦力；
　　　 A1、A2――分別為進、排氣閥門的有效受壓面積，
A1＝π（d12－d012）／4，
A2＝π（d2－d022）／4；
　　　　　 d――排氣閥門座直徑；
　　 d01――頂桿下段直徑；
　　 d02――頂桿上段直徑。
　　 由式（1）知，閥的輸出壓力p2與壓頭上的作用力F成比例(見圖4)。
3　設計和計算
　　 設計超高壓氣動減壓閥普通是先依據給定的設計參數和工作條件，選擇閥的構造型式，然后停止構造參數的選擇和計算。
　　 通常給定的參數有：氣源壓力、閥最大輸出壓力、通氣才能、最大支配力和行程等。設計和計算的內容有：選擇的構造型式，據通氣才能和工作壓力肯定閥的構造尺寸，據行程和支配力設計均衡彈簧等。
　　 閥的構造設計重點在于進氣閥門、排氣閥門和活門座的密封構造，由于氣體粘度小，且工作壓力高，容易走漏。閥的構造見圖1。
　　 (1)通氣才能計算
　　 閥的通氣才能是指在給定的氣源壓力、閥輸出壓力、執行元件氣缸及閥后管道的容積的狀況下，閥的充氣、排氣時間。
　　 通氣才能取決于進氣通道和排氣通道的面積。閥在充氣和排氣過程中時間很短，我們疏忽熱交流的影響，即絕熱充氣和絕熱排氣。另外，依據閥的工作壓力，閥是以音速充氣和音速排氣。因而閥的進氣通道有效面積Aa按下式計算［2］：
(2)
式中：V――充氣總容積；
K――比熱比，絕熱充氣時，K＝1.4；
T――空氣的溫度，規范空氣的溫度T＝293.15K；
t1――充氣時間；
R――氣體常數，R＝287.1N*m/kg/K；
p1――閥輸入口壓力；
p2――閥輸出口壓力；
p20――氣缸內在充氣開端前的壓力。
∵A1=Aa
∴依據構造(見圖1和圖2)，進氣孔直徑
（3）
　　 按等面積原理，進氣閥門與閥門座的軸向間隔(開度)
hc≥(d12-d012）／（4d1）（4）
　　 放氣通道有效面積按下式計算（5）
式中：t2――排氣時間；
p20――氣缸內排氣初始壓力；
pa――外界壓力。
其它符號意義同式(3)。
　　 放氣孔直徑(見圖1和圖2)（6）
　　 放氣閥門與閥門座的軸向間隔(開度)
h2≥(d22-d022）／（4d）（7）
　　 (2)排氣閥座直徑的計算
　　 由閥的工作原理曉得，排氣閥門座直徑d的大小直接影響閥的調壓精度。若其直徑大，則閥的調壓精度高；反之，則閥的調壓精度低。但是，排氣閥門座直徑又遭到支配力的限制。排氣閥門座直徑(見圖2(b))可由式(1)得到（8）
式中：Fmax――給定的最大支配力。
　　 在滿足支配力值的前提下，排氣閥門座直徑盡可能取大值。
　　 (3)進、排氣閥門的設計
　　 進、排氣閥門的設計主要包括構造型式、資料的選取和幾何尺寸確實定。閥門構造采用金屬包膠閥門(所謂金屬包膠閥門就是將橡膠直接硫化在金屬骨架上)。它應用了橡膠資料彈性高和密封比壓低的優點，使閥門在工作過程中具有良好的補償功用；另外應用了金屬資料的強度和剛度。閥門加工制造工藝性好，制形成本低廉。
　　 橡膠資料的選擇主要依據其機械性能和閥的工作溫度。
　　 硫化橡膠的厚度依據閥門座型面高度h選取，橡膠緊縮量在(20～25)%為宜。
　　 進、排氣閥門的金屬骨架宜用黃銅，因其與橡膠的分離性能好。
(a)　　　　　(b)
圖2　閥門座型面構造
　　 (4)進、排氣閥門座型面的設計
　　 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，而且對閥的壽命影響很大。閥門座型面構造如圖2所示(其中：圖2(a)為進氣閥門座，圖2(b)為排氣閥門座)。圖中高度h范圍內為閥門座型面，R為密封面。R值小，閥的靈活度高；R值大，閥的壽命長。經優化設計，R在0.3～0.5范圍內取值較好。閥門座型面的粗糙度同樣也影響閥的密封性和壽命，粗糙度Ra應不大于0.4μm
　　 圖2中b為支承面。它是用來限制膠面過度變形，起維護膠面的作用。
　　 (5)均衡彈簧的設計
　　 依據閥的性能剖析，均衡彈簧與排氣閥門座直徑一樣，直接影響閥的調壓精度。減壓彈簧的剛度越小，閥的調壓精度越好。但是剛度太小，彈簧行程過長。它遭到給定行程的限制，應依據給定的參數設計彈簧剛度：
k=Fmax/(h1+h2)(9)
　　 有了彈簧剛度、彈力和行程，便可停止彈簧的設計了。
　　 兩個復位彈簧的剛度可設計成相同，而且，其剛度小于均衡彈簧的剛度。
4　實驗
　 為檢驗閥的性能，設計實驗系統原理圖如圖3所示。
圖3　實驗系統原理圖
　　 閥的輸出壓力與支配力的關系見圖4。圖5是在氣罐容積為2L，輸入壓力的11MPa，在壓頭上疾速施加(除去)支配力的工況下，閥的充(排)氣特性。經過實驗和應用，閥的各項技術性能契合請求，有些指標超越同類產品。而且具有構造簡單、緊湊、體積小、重量輕、壽命長、可維護性好等特性。更多常識，請登陸上海萬經泵業，(隔膜泵//wcdcslm.com)



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