氣動減壓閥的設(shè)計重點 氣動減壓閥的設(shè)計重點和注意事項 氣動壓力減壓閥的設(shè)計重點
之前介紹組合式減壓閥在國華惠州熱電應(yīng)用，現(xiàn)在介紹氣動減壓閥的結(jié)構(gòu)見圖1，主要有減壓閥本體、主調(diào)壓座、主調(diào)壓旋鈕、主調(diào)壓彈簧、膜片組合、反饋導(dǎo)管、調(diào)壓柱、閥芯、復(fù)位彈簧等等。在三聯(lián)件中，減壓閥的設(shè)計是復(fù)雜、難的一部分。
1、氣動減壓閥的本體設(shè)計
氣動減壓閥的本體是整個減壓閥的基體，外觀設(shè)計要求、內(nèi)部的流道設(shè)計原則同空氣過濾器相似，請參考過濾器篇。本體的材料也多選用壓鑄鋁合金或鋅合金。
氣動減壓閥的本體內(nèi)部要比空氣過濾器的本體復(fù)雜許多。它的流道的設(shè)計，要注意三點。一是進氣面積，設(shè)計要求同空氣過濾器。二是流道要短，在滿足強度的前提下，盡量將火山口位置靠近進氣口。三是火山口的直徑要盡量大，面積上是出氣口的2～4倍，這樣調(diào)壓行程就比較短，調(diào)壓特性就比較好，另外也會在通過出氣口時有較高的流速。四是氣動減壓閥的出氣側(cè)要留有壓力表的安裝空間。閥體要有醒目的氣體流動方向標(biāo)志。 
2、氣動減壓閥的主調(diào)壓彈簧部分設(shè)計
主調(diào)壓彈簧的設(shè)計就是確定四個參數(shù)：彈簧中徑和線徑、有效圈數(shù)、彈簧高度。彈簧中徑和彈簧自由高度受主調(diào)壓座的結(jié)構(gòu)限制，可以調(diào)整的范圍比較小。彈簧的小作用力為零，大作用力跟調(diào)壓范圍氣動三聯(lián)件設(shè)計淺析—減壓閥和調(diào)壓膜片組合的有效面積有關(guān)。在確定了大作用力后，就可以根據(jù)彈簧的設(shè)計公式來調(diào)整彈簧的這四個參數(shù)。筆者建議設(shè)計者用Excel制作一個彈簧的設(shè)計表格，設(shè)計時要考慮彈簧的使用壽命、高徑比、作用力范圍（建議不超過大壓縮力的80%）等參數(shù)。由于線徑比較粗，要兩端磨平，保證平穩(wěn)。材料一般用碳素線外鍍白鋅或彩鋅處理，不建議使用不銹鋼線。
設(shè)計時，在完成設(shè)計主體時還要多注意細(xì)節(jié)的設(shè)計。這些細(xì)節(jié)包括安全方面、人體力學(xué)方面等等。比如在安全方面，由于主調(diào)壓彈簧有很大的作用力（多達(dá)幾百公斤力），所以主調(diào)壓座必須要有足夠的強度來承擔(dān)這些作用力，主調(diào)壓座的材料為PA、POM，較大通徑時用壓鑄鋁；主調(diào)壓座的上部多設(shè)計成齒狀，便于調(diào)節(jié)后鎖定調(diào)壓旋鈕；一般要設(shè)計有醒目的調(diào)壓標(biāo)志環(huán)，調(diào)節(jié)時，需拉起調(diào)節(jié)旋鈕，露出調(diào)壓標(biāo)志，鎖定時遮住調(diào)壓標(biāo)志環(huán)；長久不使用時，應(yīng)將調(diào)壓彈簧*旋松。比如在人體力學(xué)方面，調(diào)節(jié)桿與主調(diào)壓座存在巨大的摩擦力，可以增加一個POM墊片來減少摩擦，改善調(diào)節(jié)阻力；調(diào)節(jié)桿與調(diào)壓六角螺母之間容易鎖死，可以選擇其中之一增加小凸點或小凸環(huán)來改善；拉起調(diào)壓旋鈕的力要適中，可以通過細(xì)化調(diào)節(jié)扣位處的設(shè)計來滿足。
氣動減壓閥的設(shè)計重點 在氣動技術(shù)中，空氣過濾器、減壓閥和油霧器合稱為氣動三大件，減壓閥是其中*的一部分。本文主要介紹設(shè)計心得，關(guān)于設(shè)計理論、計算公式等方面由于有眾多書籍詳細(xì)介紹，因此本文并不過多涉及。 
氣動減壓閥也叫調(diào)壓閥，是將較高的進口壓力調(diào)節(jié)并降低到要求的出口壓力，并能保證出口壓力穩(wěn)定，即起到減壓和穩(wěn)壓作用。氣動減壓閥按壓力調(diào)節(jié)方式，有直動式減壓閥和先導(dǎo)式減壓閥，后者適用在較大通徑的場合，兩者的調(diào)壓原理相似，因此這里只介紹直動式減壓閥。
一、直動式減壓閥的工作原理
直動式減壓閥是用調(diào)節(jié)鈕直接調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧來改變閥的出口壓力，有活塞式和膜片式兩種。這里只介紹常用的膜片式減壓閥。膜片式減壓閥適合通徑小于20毫米，輸出壓力為0～0.63MPa的情況下，較大通徑或較大輸出壓力由于需要調(diào)壓彈簧的剛性太大，調(diào)節(jié)比較困難，一般采用先導(dǎo)式減壓閥。
壓力為P1的壓縮空氣，由左端輸入經(jīng)閥口節(jié)流后，壓力降為P2輸出。P2的大小可由主調(diào)壓彈簧4進行調(diào)節(jié)。拉起并順時針旋轉(zhuǎn)主調(diào)壓旋鈕6，主調(diào)壓彈簧4被壓縮，推動膜片組合3和調(diào)壓柱8下移，推動閥芯10，增大閥口開度使P2增大。出口壓力氣體經(jīng)反饋導(dǎo)管2進入膜片室，在膜片組合3上產(chǎn)生一個向上推力。當(dāng)此推力與主調(diào)壓彈簧力平衡時，出口壓力便穩(wěn)定在一定值。若反時針旋轉(zhuǎn)主調(diào)壓旋鈕6，閥口的開度減小，P2隨之減小。
若進口壓力有波動，例如P1瞬時升高，則出口壓力P2也隨之升高，通過反饋導(dǎo)管2使膜片室內(nèi)壓力升高，在膜片組合3上產(chǎn)生的推力相應(yīng)增大，此推力破壞了原來力的平衡，使膜片組合3向上移動，溢流孔打開，有少部分溢流氣體經(jīng)溢流孔、排氣孔排出。在膜片組合3上移的同時，靠復(fù)位彈簧1的作用，使調(diào)壓柱8上移，閥口開度減小，節(jié)流作用增大，使出口壓力回降，溢流孔關(guān)閉，達(dá)到新的平衡，輸出壓力基本又恢復(fù)原值。若輸入壓力瞬時下降，輸出壓力也下降、膜片組合3和調(diào)壓柱8隨之下移，閥口開度加大，節(jié)流作用減小，使輸出壓力也基本回到原來值。
若進口壓力不變，輸出流量變化，使出口壓力P2發(fā)生波動（增高或降低）時，依靠溢流孔的溢流作用和膜片組合3上力的平衡作用推動調(diào)壓柱8上下移動，仍能起到穩(wěn)壓作用。
當(dāng)輸出流量為零時，出口壓力經(jīng)過反饋導(dǎo)管2進入膜片室，推動膜片組合3上移，調(diào)壓柱8在復(fù)位彈簧1的推動下上移，閥口關(guān)閉，保證出口壓力恒定。當(dāng)輸出流量很大時，高速氣流使反饋導(dǎo)管2處產(chǎn)生負(fù)壓，吸出膜片室內(nèi)的部分氣體使膜片室壓力下降，閥口開度加大，仍然可以保持膜片上的力平衡。
如果逆時針旋轉(zhuǎn)主調(diào)壓旋鈕6，使主調(diào)壓彈簧4的變形不斷減小，氣體作用在膜片組合3上的推力大于調(diào)壓彈簧的作用力，膜片組合3上移，靠復(fù)位彈簧1的作用逐漸關(guān)閉閥口。膜片室中的壓縮空氣經(jīng)溢流孔、排氣孔不斷排出，直至閥處于無輸出狀態(tài)，出口壓力降為零。
溢流式減壓閥是靠閥口的節(jié)流作用減壓，靠膜片上力的平衡作用和溢流孔的溢流作用穩(wěn)壓；調(diào)節(jié)主調(diào)壓彈簧即可使輸出壓力在一定范圍內(nèi)改變。
溢流式減壓閥經(jīng)常用于二次側(cè)負(fù)載變動的場合，如進行頻繁調(diào)整的場合、二次側(cè)有容器（如氣缸）的場合。在使用過程中，由于經(jīng)常要從溢流孔排出少量氣體，因此不適用于工作介質(zhì)為有害氣體或食品等行業(yè)的氣路中。
二、氣動減壓閥的設(shè)計重點減壓閥的主要性能指標(biāo)
1、調(diào)壓范圍 指減壓閥輸出壓力P2的可調(diào)范圍，在此壓力范圍內(nèi)要求達(dá)到規(guī)定的穩(wěn)壓精度。使用壓力處于調(diào)壓范圍上限值的30%～80%。調(diào)壓范圍主要與調(diào)壓彈簧的剛度有關(guān)。
2、流量特性 指在一定的進口壓力下，輸出壓力與輸出流量的關(guān)系。當(dāng)輸出流量發(fā)生變化時，輸出壓力的變化越小越好。一般輸出壓力越低，它隨輸出流量的變化波動就越小。
3、壓力特性 指在輸出流量基本不變的條件下，出口壓力和進口壓力之間的關(guān)系。進口壓力變化時，出口壓力變化越小，減壓閥的特性就越好。輸出壓力必須低于輸入壓力—定值才基本上不隨輸入壓力變化而變化。
4、溢流特性 指在設(shè)定壓力下，出口壓力偏離（高于）設(shè)定值時，從溢流孔排出的流量大小。
3、氣動減壓閥的膜片組合設(shè)計
上海申弘閥門有限公司主營閥門有：蒸汽減壓閥,減壓閥(氣體減壓閥,可調(diào)式減壓閥,水減壓閥氣動減壓閥的膜片組合是這個閥中的關(guān)鍵部件。它要承受多達(dá)幾百公斤的壓力。
膜片組合結(jié)構(gòu)見圖2，由膜片硬芯、膜片、溢流口組成。膜片材料為丁氰橡膠（NBR）+纖維布。膜片硬芯為碳鋼片，一方面用來提高膜片的強度，另一方面用來支撐和定位主調(diào)壓彈簧。溢流口上包有丁氰橡膠，用于和調(diào)壓柱密封，保持膜片室的壓力。調(diào)壓柱離開時用來溢流，保持出口壓力恒定。丁氰橡膠的硬度多為85度，硬度太高影響密封效果，太低則降低溢流的靈敏度。膜片有效直徑的計算見式1。
d2=4*（d12+d1*d2+d22）/9 （式1）
影響膜片組合設(shè)計的主要是膜片硬芯直徑和膜片厚度，不僅要考慮它們對膜片中心擾度的影響，還要考慮其對膜片應(yīng)力的影響，以確保大應(yīng)力值不超過許用應(yīng)力。膜片硬芯的直徑d2建議為膜片受力直徑d1的2/3以上，膜片有弧形位，這樣可以在上下移動時有伸縮余量。硬芯在設(shè)計時在接觸膜片一側(cè)要有環(huán)形突起，組合時要保證結(jié)合位密封，不能漏氣。主調(diào)壓座要壓緊膜片，不允許氣體泄露。膜片與本體、主調(diào)壓座的接觸位，后兩者要有圓弧過渡（R>3毫米），可以保護膜片不易斷裂。但圓弧又不能過大，否則膜片受力面積增加太多，增加了對膜片強度的要求。
4、氣動減壓閥的反饋導(dǎo)管設(shè)計
反饋導(dǎo)管裝在氣動減壓閥的出口端，伸出端切成45度，方向朝出口側(cè)，不能裝反，所以設(shè)計時要注意有方向要求。它的設(shè)計原理見圖3。
由于出氣口面積小于閥口面積，氣體被迫加速流動，高速流動的氣體在遇到導(dǎo)管的阻擋后形成紊流，導(dǎo)管的背面會有一定的負(fù)壓，膜片室內(nèi)的氣體容易被吸出。它的作用是提高穩(wěn)壓精度，同時可以改善減壓閥的動態(tài)性能，負(fù)載突變（突然變化或不穩(wěn)定）時起阻尼作用，避免振蕩發(fā)生。另外，產(chǎn)生的高速氣流對油霧器起霧有利。
5、氣動減壓閥的設(shè)計重點氣動減壓閥的閥芯部分設(shè)計
閥心部分包括調(diào)節(jié)桿、閥芯、復(fù)位彈簧等部分組成。閥芯部分通過閥芯密封圈和通孔保持壓力與出口端壓力相同。
A1-膜片組合的有效面積A2-閥口面積A3-筏芯受力面積
閥芯開啟時的受力見圖4，根據(jù)力的平衡得到式2：
F1+P1*（A3-A2）+P2*A2=F2+P2*A3+P2*A1 （式2）
如果A2=A3，則式2可以簡化為：
F1=F2+P2*A1 （式3）
從式3中可以看出：如果閥芯密封圈處的直徑與火山口的直徑相同，就可以消除進氣壓力P1變化對出氣壓力P2造成的影響。出氣壓力P2僅與主調(diào)壓彈簧、復(fù)位彈簧和閥口大小有關(guān)。采用此種設(shè)計的減壓閥就是平衡式減壓閥，調(diào)壓和穩(wěn)壓效果比較好。
閥芯的大開啟高度H由下式?jīng)Q定：
S=3.14*D*H （式4）
式4中，D為閥口直徑，S為排氣口面積。在排氣口面積（公稱口徑）確定時，如果閥口直徑增大，則閥芯開啟的行程可以減小。閥芯行程減小可以明顯改善流量特性，同時也減小了膜片的變形量。調(diào)壓柱必須與閥芯連接為一體，否則閥芯下降時調(diào)壓柱在調(diào)壓柱密封圈的阻力下不會一起下降，無法打開溢流口。調(diào)壓柱頭部應(yīng)光滑，無劃痕，否則會影響與溢流口的密封效果。
氣動減壓閥的設(shè)計重點復(fù)位彈簧提供的彈簧力用來克服閥芯密封圈和調(diào)節(jié)桿密封圈的阻力、提供密封火山口的壓力，彈簧力必須足夠，否則影響調(diào)壓的靈敏度，復(fù)位彈簧的兩端也要磨平?；鹕娇诓豢梢蕴?，易損傷閥芯的包膠層。與本產(chǎn)品相關(guān)論文：禁油脫脂氧氣減壓閥操作維護
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