超高压气动减压阀的研究

1　前言
　　 超高压气动减压阀是气动刹车系统的重要元件。由于气体粘度小，容易走漏，而且系统工作压力高，阀的输入压力为11～13MPa，最高输出压力为7MPa，所以，阀的密封性和耐久性成为突出的问题。这里引见的超高压气动减压阀打破了传统构造［1］，且对重要零、组件停止了优化设计，使得阀在高压状况下无走漏，其它性能也都满足了运用请求。更多常识，请登陆上海万经泵业，(隔膜泵http://wwww.baidubeng.com)
2　工作原理
　　 超高压气动减压阀的工作原理如图1所示。当压头无外力作用时，气源来的气体由输入口进入阀体下部气室，进气阀门在气压和复位弹簧的作用下与进气阀门座压紧，阀输出口无气体输出。当压头受外力F作用时，压头下移，经过均衡弹簧紧缩复位弹簧1，将排气阀门压下与排气阀门座接触，使输出口与大气隔离，压头继续下移，顶开进气阀门，紧缩空气由进气阀门控制的通道进入阀后面的执行元件气缸。随着气缸压力的增加，进气阀门的开度逐步减小，直到输出口压力p2与压头上的作用力相均衡时进气阀门关闭。当外力消弭后，进气阀门在气压和复位弹簧2的力作用下，向上挪动关闭。与此同时，压头与排气阀门在复位弹簧1的力及排气压力的作用下复位，排气口开启，原输出的气体由排气阀门经消声器排入大气。更多常识，请登陆上海万经泵业，(隔膜泵http://wwww.baidubeng.com)
图1　构造工作原理图
　　 如今再来研讨排气阀门处于某一均衡位置时的状态。疏忽压头、排气阀门等的重力和摩擦力，排气阀门受力均衡方程为：
F＝p1A1＋p2（A2－A1）＋Fs＋Ff（1）
式中：Fs――两个复位弹簧的弹力之和；
Ff――密封圈的摩擦力；
　　　 A1、A2――分别为进、排气阀门的有效受压面积，
A1＝π（d12－d012）／4，
A2＝π（d2－d022）／4；
　　　　　 d――排气阀门座直径；
　　 d01――顶杆下段直径；
　　 d02――顶杆上段直径。
　　 由式（1）知，阀的输出压力p2与压头上的作用力F成比例(见图4)。
3　设计和计算
　　 设计超高压气动减压阀普通是先依据给定的设计参数和工作条件，选择阀的构造型式，然后停止构造参数的选择和计算。
　　 通常给定的参数有：气源压力、阀最大输出压力、通气才能、最大支配力和行程等。设计和计算的内容有：选择的构造型式，据通气才能和工作压力肯定阀的构造尺寸，据行程和支配力设计均衡弹簧等。
　　 阀的构造设计重点在于进气阀门、排气阀门和活门座的密封构造，由于气体粘度小，且工作压力高，容易走漏。阀的构造见图1。
　　 (1)通气才能计算
　　 阀的通气才能是指在给定的气源压力、阀输出压力、执行元件气缸及阀后管道的容积的状况下，阀的充气、排气时间。
　　 通气才能取决于进气通道和排气通道的面积。阀在充气和排气过程中时间很短，我们疏忽热交流的影响，即绝热充气和绝热排气。另外，依据阀的工作压力，阀是以音速充气和音速排气。因而阀的进气通道有效面积Aa按下式计算［2］：
(2)
式中：V――充气总容积；
K――比热比，绝热充气时，K＝1.4；
T――空气的温度，规范空气的温度T＝293.15K；
t1――充气时间；
R――气体常数，R＝287.1N*m/kg/K；
p1――阀输入口压力；
p2――阀输出口压力；
p20――气缸内在充气开端前的压力。
∵A1=Aa
∴依据构造(见图1和图2)，进气孔直径
（3）
　　 按等面积原理，进气阀门与阀门座的轴向间隔(开度)
hc≥(d12-d012）／（4d1）（4）
　　 放气通道有效面积按下式计算（5）
式中：t2――排气时间；
p20――气缸内排气初始压力；
pa――外界压力。
其它符号意义同式(3)。
　　 放气孔直径(见图1和图2)（6）
　　 放气阀门与阀门座的轴向间隔(开度)
h2≥(d22-d022）／（4d）（7）
　　 (2)排气阀座直径的计算
　　 由阀的工作原理晓得，排气阀门座直径d的大小直接影响阀的调压精度。若其直径大，则阀的调压精度高；反之，则阀的调压精度低。但是，排气阀门座直径又遭到支配力的限制。排气阀门座直径(见图2(b))可由式(1)得到（8）
式中：Fmax――给定的最大支配力。
　　 在满足支配力值的前提下，排气阀门座直径尽可能取大值。
　　 (3)进、排气阀门的设计
　　 进、排气阀门的设计主要包括构造型式、资料的选取和几何尺寸确实定。阀门构造采用金属包胶阀门(所谓金属包胶阀门就是将橡胶直接硫化在金属骨架上)。它应用了橡胶资料弹性高和密封比压低的优点，使阀门在工作过程中具有良好的补偿功用；另外应用了金属资料的强度和刚度。阀门加工制造工艺性好，制形成本低廉。
　　 橡胶资料的选择主要依据其机械性能和阀的工作温度。
　　 硫化橡胶的厚度依据阀门座型面高度h选取，橡胶紧缩量在(20～25)%为宜。
　　 进、排气阀门的金属骨架宜用黄铜，因其与橡胶的分离性能好。
(a)　　　　　(b)
图2　阀门座型面构造
　　 (4)进、排气阀门座型面的设计
　　 阀门座型面与阀门的橡胶面直接接触，在工作过程中使胶面变形，起密封作用，而且对阀的寿命影响很大。阀门座型面构造如图2所示(其中：图2(a)为进气阀门座，图2(b)为排气阀门座)。图中高度h范围内为阀门座型面，R为密封面。R值小，阀的灵活度高；R值大，阀的寿命长。经优化设计，R在0.3～0.5范围内取值较好。阀门座型面的粗糙度同样也影响阀的密封性和寿命，粗糙度Ra应不大于0.4μm
　　 图2中b为支承面。它是用来限制胶面过度变形，起维护胶面的作用。
　　 (5)均衡弹簧的设计
　　 依据阀的性能剖析，均衡弹簧与排气阀门座直径一样，直接影响阀的调压精度。减压弹簧的刚度越小，阀的调压精度越好。但是刚度太小，弹簧行程过长。它遭到给定行程的限制，应依据给定的参数设计弹簧刚度：
k=Fmax/(h1+h2)(9)
　　 有了弹簧刚度、弹力和行程，便可停止弹簧的设计了。
　　 两个复位弹簧的刚度可设计成相同，而且，其刚度小于均衡弹簧的刚度。
4　实验
　 为检验阀的性能，设计实验系统原理图如图3所示。
图3　实验系统原理图
　　 阀的输出压力与支配力的关系见图4。图5是在气罐容积为2L，输入压力的11MPa，在压头上疾速施加(除去)支配力的工况下，阀的充(排)气特性。经过实验和应用，阀的各项技术性能契合请求，有些指标超越同类产品。而且具有构造简单、紧凑、体积小、重量轻、寿命长、可维护性好等特性。更多常识，请登陆上海万经泵业，(隔膜泵http://wwww.baidubeng.com)



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