氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算 超高壓氣動(dòng)減壓閥是氣動(dòng)剎車(chē)系統(tǒng)的重要元件。因?yàn)闅怏w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，輸出壓力為7MPa，所以，閥的密封性和耐久性成為突出的問(wèn)題。這里介紹的超高壓氣動(dòng)減壓閥突破了傳統(tǒng)結(jié)構(gòu)，且對(duì)重要零、組件進(jìn)行了優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得閥在高壓情況下無(wú)泄漏，其它性能也都滿足了使用要求。 
2、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算工作原理 超高壓氣動(dòng)減壓閥的工作原理如圖1所示。當(dāng)壓頭無(wú)外力作用時(shí)，氣源來(lái)的氣體由輸入口進(jìn)入閥體下部氣室，進(jìn)氣閥門(mén)在氣壓和復(fù)位彈簧的作用下與進(jìn)氣閥門(mén)座壓緊，閥輸出口無(wú)氣體輸出。當(dāng)壓頭受外力F作用時(shí)，壓頭下移，通過(guò)平衡彈簧壓縮復(fù)位彈簧1，將排氣閥門(mén)壓下與排氣閥門(mén)座接觸，使輸出口與大氣隔離，壓頭繼續(xù)下移，頂開(kāi)進(jìn)氣閥門(mén)，壓縮空氣由進(jìn)氣閥門(mén)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(mén)的開(kāi)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(shí)進(jìn)氣閥門(mén)關(guān)閉。當(dāng)外力消除后，進(jìn)氣閥門(mén)在氣壓和復(fù)位彈簧2的力作用下，向上移動(dòng)關(guān)閉。與此同時(shí)，壓頭與排氣閥門(mén)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(kāi)啟，原輸出的氣體由排氣閥門(mén)經(jīng)消聲器排入大氣?，F(xiàn)在再來(lái)研究排氣閥門(mén)處于某一平衡位置時(shí)的狀態(tài)。忽略壓頭、排氣閥門(mén)等的重力和摩擦力，排氣閥門(mén)受力平衡方程為： 由氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥、壓力變送器、壓力調(diào)節(jié)儀組成，可以完成現(xiàn)代工業(yè)過(guò)程中對(duì)管道壓力的全自動(dòng)控制。具有安裝方便、響應(yīng)快、控制精度高、整定方便、性能可靠等特點(diǎn)。廣泛適用于化工、食品、生物醫(yī)藥、環(huán)保、冶金、給排水、造紙、電力等行業(yè)。 
■ 控制原理 以氣體或液體管道或容器中的壓力作為被控制量的反饋控制系統(tǒng)。在許多生產(chǎn)過(guò)程中，保持恒定的壓力或一定的真空度常是正常生產(chǎn)的必要條件。很多化學(xué)反應(yīng)需要在恒壓下進(jìn)行，為保持流量不變也常需要控制主壓力源的壓力恒定。根據(jù)不同應(yīng)用場(chǎng)合，壓力控制可采用不同的方式。當(dāng)控制性能要求不高時(shí)，可采用比較簡(jiǎn)單的控制裝置，如壓力調(diào)節(jié)閥等。對(duì)性能要求較高或生產(chǎn)過(guò)程比較復(fù)雜，宜采用壓力控制系統(tǒng)。壓力控制系統(tǒng)的結(jié)構(gòu)是閉環(huán)的，由壓力傳感器、壓力控制器和調(diào)節(jié)閥組成。 
3、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算設(shè)計(jì)和計(jì)算 設(shè)計(jì)超高壓氣動(dòng)減壓閥一般是先根據(jù)給定的設(shè)計(jì)參數(shù)和工作條件，氣動(dòng)壓力控制閥，由氣動(dòng)薄膜多彈簧執(zhí)行機(jī)構(gòu)和精小型單座閥組成，以壓縮空氣為動(dòng)力源，借助于電氣閥門(mén)定位設(shè)備、轉(zhuǎn)換器、電磁閥、保位閥等附件去驅(qū)動(dòng)氣動(dòng)執(zhí)行器，來(lái)對(duì)閥芯的開(kāi)度進(jìn)行調(diào)節(jié)，對(duì)介質(zhì)的壓力進(jìn)行自動(dòng)化控制的壓力調(diào)節(jié)閥。 
減壓閥（reducingvalve）是采用控制閥體內(nèi)的啟閉件的開(kāi)度來(lái)調(diào)節(jié)介質(zhì)的流量，將介質(zhì)的壓力降低，同時(shí)借助閥后壓力的作用調(diào)節(jié)啟閉件的開(kāi)度，使閥后壓力保持在一定范圍內(nèi)，并在閥體內(nèi)或閥后噴入冷卻水，將介質(zhì)的溫度降低，這種閥門(mén)稱為減壓減溫閥。該閥的特點(diǎn)，是在進(jìn)口壓力不斷變化的情況下，保持出口聽(tīng)壓力和溫度值在一定的范圍內(nèi)。減壓閥是氣動(dòng)調(diào)節(jié)閥的一個(gè)配件，主要作用是將氣源的壓力減壓并穩(wěn)定到一個(gè)定值，以便于調(diào)節(jié)閥能夠獲得穩(wěn)定的氣源動(dòng)力用于調(diào)節(jié)控制。本類(lèi)閥門(mén)在管道中一般應(yīng)當(dāng)水平安裝。 氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算主要技術(shù)參數(shù)| 公稱通徑(DN) | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 |
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| 閥座直徑(dn) | 20 | 25 | 32 | 40 | 50 | 65 | 80 | 100 | 125 | 150 | 200 | 250 | 300 | | 額定流量系數(shù)(KV) | 單座 | 6.9 | 11 | 17.6 | 27.5 | 44 | 69 | 110 | 176 | 275 | 440 | 630 | 875 | 1250 | | 套筒 | 6.3 | 10 | 16 | 25 | 40 | 63 | 100 | 160 | 250 | 360 | 570 | 850 | 1180 | | 允許壓差(MPa) | 單座 | 3.8 | 3.2 | 3.0 | 2.0 | 1.8 | 1.5 | 1.4 | 1.0 | 0,7 | 0.6 | 0.5 | 0.3 | 0.1 | | 套筒 | 6.4 | 6.4 | 5.2 | 5.2 | 4.6 | 4.6 | 3.7 | 3.7 | 3.5 | 3.1 | 3.1 | 2.6 | 2.2 | | 公稱壓力(MPa) | 1.6、2.5、4.0、6.4、10.0、16.0、25.0 | | 額定行程(mm) | 16 | 25 | 40 | 60 | 100 | | 執(zhí)行器型號(hào) | ZHA/B-22 | ZHA/B-23 | ZHA/B-34 | ZHA/B-45 | ZHA/B-56 | | 閥蓋形式 | 標(biāo)準(zhǔn)型(-17～+250℃)、高溫型(+250～+450℃)、低溫型(-40～-196℃)、波紋管密封型(-40～+350℃) | | 壓蓋形式 | 螺栓壓緊式 | | 密封填料 | V型聚四氟乙烯填料、V型柔性石墨填料 | | 閥芯形式 | 單座式、套筒式 | | 流量特性 | 等百分比 |
三、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算執(zhí)行器技術(shù)參數(shù)| 配置執(zhí)行器類(lèi)別 | ZHA/B多彈簧簿膜執(zhí)行機(jī)構(gòu) |
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| 執(zhí)行器型號(hào) | ZHA/B-22 | ZHA/B-23 | ZHA/B-34 | ZHA/B-45 | ZHA/B-56 | | 有效面積(cm2) | 350 | 350 | 560 | 900 | 1400 | | 行程(mm) | 10、16 | 24 | 40 | 40、60 | 100 | | 彈簧范圍(KPa) | 20～100（標(biāo)準(zhǔn)）、20-60、60-100、40-200、80-240 | | 膜片材料 | 丁腈橡膠夾尼龍布、乙丙橡膠夾尼龍布 | | 供氣壓力 | 140～400KPa | | 氣源接口 | RC1/4" | | 環(huán)境溫度 | -30～+70℃ | | 可配附件 | 定位器、空氣過(guò)濾減壓器、保位閥、行程開(kāi)關(guān)、閥位傳送器、手輪機(jī)構(gòu)等 | | 作用形式 | 氣關(guān)式(B)—失氣時(shí)閥位開(kāi)(FO)；氣開(kāi)式(K)—失氣時(shí)閥位關(guān)(FC) |
氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算選擇閥的結(jié)構(gòu)型式，然后進(jìn)行結(jié)構(gòu)參數(shù)的選擇和計(jì)算。 通常給定的參數(shù)有：氣源壓力、閥輸出壓力、通氣能力、操縱力和行程等。設(shè)計(jì)和計(jì)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(jì)平衡彈簧等。 閥的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)重點(diǎn)在于進(jìn)氣閥門(mén)、排氣閥門(mén)和活門(mén)座的密封結(jié)構(gòu)，因?yàn)闅怏w粘度小，且工作壓力高，容易泄漏。閥的結(jié)構(gòu)見(jiàn)。 
(1)通氣能力計(jì)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(shí)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(guò)程中時(shí)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(jì)算 (2)排氣閥座直徑的計(jì)算 由閥的工作原理知道，排氣閥門(mén)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(mén)座直徑又受到操縱力的限制。排氣閥門(mén)座直徑在滿足操縱力值的前提下，排氣閥門(mén)座直徑盡可能取大值。 (3)進(jìn)、排氣閥門(mén)的設(shè)計(jì) 進(jìn)、排氣閥門(mén)的設(shè)計(jì)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(mén)結(jié)構(gòu)采用金屬包膠閥門(mén)(所謂金屬包膠閥門(mén)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(diǎn)，使閥門(mén)在工作過(guò)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(mén)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(mén)座型面高度h選取，橡膠壓縮量在(20～25)%為宜。 進(jìn)、排氣閥門(mén)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(mén)座型面的設(shè)計(jì) 閥門(mén)座型面與閥門(mén)的橡膠面直接接觸，在工作過(guò)程中使膠面變形，起密封作用，而且對(duì)閥的壽命影響很大。它是用來(lái)限制膠面過(guò)度變形，起保護(hù)膠面的作用。 (5)平衡彈簧的設(shè)計(jì) 根據(jù)閥的性能分析，平衡彈簧與排氣閥門(mén)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(guò)長(zhǎng)。它受到給定行程的限制，應(yīng)根據(jù)給定的參數(shù)設(shè)計(jì)彈簧剛度：有了彈簧剛度、彈力和行程，便可進(jìn)行彈簧的設(shè)計(jì)了。兩個(gè)復(fù)位彈簧的剛度可設(shè)計(jì)成相同，而且，其剛度小于平衡彈簧的剛度。 
4、氣動(dòng)超高壓減壓閥設(shè)計(jì)及計(jì)算試驗(yàn) 為檢驗(yàn)閥的性能，設(shè)計(jì)試驗(yàn)系統(tǒng)原理圖所示。 閥的輸出壓力與操縱力的關(guān)系是在氣罐容積為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(guò)試驗(yàn)和應(yīng)用，閥的各項(xiàng)技術(shù)性能符合要求，有些指標(biāo)*產(chǎn)品。而且具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、壽命長(zhǎng)、可維護(hù)性好等特點(diǎn)。 |
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