超高壓氣動減壓閥的工作原理及優(yōu)化設(shè)計

    關(guān)鍵詞：超高壓氣動減壓閥　活門座　設(shè)計 

    1、前言 

   超高壓氣動減壓閥是氣動剎車系統(tǒng)的重要元件。因為氣體粘度小，容易泄漏，而且系統(tǒng)工作壓力高，閥的輸入壓力為11～13MPa，*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。這里介紹的超高壓氣動減壓閥突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)［1］，且對重要零、組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計，使得閥在高壓情況下無泄漏，其它性能也都滿足了使用要求。 

    2、工作原理 

   超高壓氣動減壓閥的工作原理如圖1所示。當(dāng)壓頭無外力作用時，氣源來的氣體由輸入口進(jìn)入閥體下部氣室，進(jìn)氣閥門在氣壓和復(fù)位彈簧的作用下與進(jìn)氣閥門座壓緊，閥輸出口無氣體輸出。當(dāng)壓頭受外力F作用時，壓頭下移，通過平衡彈簧壓縮復(fù)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(xù)下移，頂開進(jìn)氣閥門，壓縮空氣由進(jìn)氣閥門控制的通道進(jìn)入閥后面的執(zhí)行元件氣缸。隨著氣缸壓力的增加，進(jìn)氣閥門的開度逐漸減小，直到輸出口壓力p2與壓頭上的作用力相平衡時進(jìn)氣閥門關(guān)閉。當(dāng)外力消除后，進(jìn)氣閥門在氣壓和復(fù)位彈簧2的力作用下，向上移動關(guān)閉。與此同時，壓頭與排氣閥門在復(fù)位彈簧1的力及排氣壓力的作用下復(fù)位，排氣口開啟，原輸出的氣體由排氣閥門經(jīng)消聲器排入大氣。

圖1  結(jié)構(gòu)工作原理圖

   現(xiàn)在再來研究排氣閥門處于某一平衡位置時的狀態(tài)。忽略壓頭、排氣閥門等的重力和摩擦力，排氣閥門受力平衡方程為： 

    F＝p1A1＋p2（A2－A1）＋Fs＋Ff（1） 

    式中：Fs――兩個復(fù)位彈簧的彈力之和； 

    Ff――密封圈的摩擦力； 

    A1、A2――分別為進(jìn)、排氣閥門的有效受壓面積， 

    A1＝π（d12－d012）/4， 

    A2＝π（d22－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(shè)計和計算 

   設(shè)計超高壓氣動減壓閥一般是先根據(jù)給定的設(shè)計參數(shù)和工作條件，選擇閥的結(jié)構(gòu)型式，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和計算。 

   通常給定的參數(shù)有：氣源壓力、閥*大輸出壓力、通氣能力、*大操縱力和行程等。設(shè)計和計算的內(nèi)容有：選擇的結(jié)構(gòu)型式，據(jù)通氣能力和工作壓力確定閥的結(jié)構(gòu)尺寸，據(jù)行程和操縱力設(shè)計平衡彈簧等。 

   閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計重點在于進(jìn)氣閥門、排氣閥門和活門座的密封結(jié)構(gòu)，因為氣體粘度小，且工作壓力高，容易泄漏。閥的結(jié)構(gòu)見圖1。 

    (1)通氣能力計算 

   閥的通氣能力是指在給定的氣源壓力、閥輸出壓力、執(zhí)行元件氣缸及閥后管道的容積的情況下，閥的充氣、排氣時間。 

   通氣能力取決于進(jìn)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，我們忽略熱交換的影響，即絕熱充氣和絕熱排氣。另外，根據(jù)閥的工作壓力，閥是以音速充氣和音速排氣。因此閥的進(jìn)氣通道有效面積Aa按下式計算［2］：

    式中：V――充氣總?cè)莘e； 

    K――比熱比，絕熱充氣時，K＝1.4； 

    T――空氣的溫度，標(biāo)準(zhǔn)空氣的溫度T＝293.15K； 

    t1――充氣時間； 

    R――氣體常數(shù)，R＝287.1N*m/kg/K； 

    p1――閥輸入口壓力； 

    p2――閥輸出口壓力； 

    p20――氣缸內(nèi)在充氣開始前的壓力。 

    ∵A1=Aa 

    ∴根據(jù)結(jié)構(gòu)(見圖1和圖2)，進(jìn)氣孔直徑

    按等面積原理，進(jìn)氣閥門與閥門座的軸向距離(開度) 

    hc≥（d12－d012）/（4d1）（4） 

    放氣通道有效面積按下式計算

    式中：t2――排氣時間； 

    p20――氣缸內(nèi)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)

    放氣閥門與閥門座的軸向距離(開度) 

    h2≥（d22－d022）／（4d）（7） 

    (2)排氣閥座直徑的計算 

   由閥的工作原理知道，排氣閥門座直徑d的大小直接影響閥的調(diào)壓精度。若其直徑大，則閥的調(diào)壓精度高；反之，則閥的調(diào)壓精度低。但是，排氣閥門座直徑又受到操縱力的限制。排氣閥門座直徑(見圖3(b))可由式(1)得到

    式中：Fmax――給定的*大操縱力。 

    在滿足操縱力值的前提下，排氣閥門座直徑盡可能取大值。 

    (3)進(jìn)、排氣閥門的設(shè)計 

   進(jìn)、排氣閥門的設(shè)計主要包括結(jié)構(gòu)型式、材料的選取和幾何尺寸的確定。閥門結(jié)構(gòu)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)。它利用了橡膠材料彈性高和密封比壓低的優(yōu)點，使閥門在工作過程中具有良好的補(bǔ)償功能；另外利用了金屬材料的強(qiáng)度和剛度。閥門加工制造工藝性好，制造成本低廉。 

    橡膠材料的選擇主要根據(jù)其機(jī)械性能和閥的工作溫度。 

    硫化橡膠的厚度根據(jù)閥門座型面高度h選取，橡膠壓縮量在(20～25)%為宜。 

    進(jìn)、排氣閥門的金屬骨架宜用黃銅，因其與橡膠的結(jié)合性能好。 

    (4)進(jìn)、排氣閥門座型面的設(shè)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。閥門座型面結(jié)構(gòu)如圖2所示(其中：圖2(a)為進(jìn)氣閥門座，圖2(b)為排氣閥門座)。圖中高度h范圍內(nèi)為閥門座型面，R為密封面。R值小，閥的靈敏度高；R值大，閥的壽命長。經(jīng)優(yōu)化設(shè)計，R在0.3～0.5范圍內(nèi)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(yīng)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，起保護(hù)膠面的作用。 

    (5)平衡彈簧的設(shè)計 

   根據(jù)閥的性能分析，平衡彈簧與排氣閥門座直徑一樣，直接影響閥的調(diào)壓精度。減壓彈簧的剛度越小，閥的調(diào)壓精度越好。但是剛度太小，彈簧行程過長。它受到給定行程的限制，應(yīng)根據(jù)給定的參數(shù)設(shè)計彈簧剛度： 

    k=Fmax/(h1+h2)(9) 

   有了彈簧剛度、彈力和行程，便可進(jìn)行彈簧的設(shè)計了。兩個復(fù)位彈簧的剛度可設(shè)計成相同，而且，其剛度小于平衡彈簧的剛度。 

    4、試驗 

    為檢驗閥的性能，設(shè)計試驗系統(tǒng)原理圖如圖3所示。 

   閥的輸出壓力與操縱力的關(guān)系見圖4。圖5是在氣罐容積為2L，輸入壓力的11MPa，在壓頭上迅速施加(除去)操縱力的工況下，閥的充(排)氣特性。經(jīng)過試驗和應(yīng)用，閥的各項技術(shù)性能符合要求，有些指標(biāo)超過同類產(chǎn)品。而且具有結(jié)構(gòu)簡單、緊湊、體積小、重量輕、壽命長、可維護(hù)性好等特點。

圖2  閥門座型面結(jié)構(gòu)

圖3  試驗系統(tǒng)原理圖

圖4  p2與F的關(guān)系

圖5  充、排氣特性

    參考文獻(xiàn)：

   1　［蘇］N.N智維列夫，C.C科柯寧著，鄧啟明等譯校.航空機(jī)輪和剎車系統(tǒng)設(shè)計.北京：國防工業(yè)出版社，1980 

    2　徐文燦.按國際標(biāo)準(zhǔn)草案計算充排氣特性.液壓與氣動，1985(4) 

   3　**機(jī)械工業(yè)部機(jī)床研究所，上海工業(yè)大學(xué).機(jī)械工程手冊第36篇?dú)鈮簜鲃?北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1979