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超高壓氣動減壓閥的工作道理及優化設計

更新时间:2019-11-10 15:26人气:2641
摘要:本文先容了超高壓氣動減壓閥的工作道理、首要的結構設計計算和試驗情況,並分析了該閥的結構特點。

關鍵詞:超高壓氣動減壓閥 活門座 設計

1、前言

超高壓氣動減壓閥是氣動刹車係統的首要元件。由於氣體粘度小,輕易泄漏,而且係統工作壓力高 ,閥的輸進壓力為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題目。這裏先容的超高壓氣動減壓閥突破了傳統結構[1] ,且對首要零 、組件進行了優化設計,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、工作道理

超高壓氣動減壓閥的工作道理如圖1所示。當壓頭無外力感化時,氣源來的氣體由輸進口進進閥體下部氣室,進氣閥門在氣壓和複位彈簧的感化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感化時,壓頭下移 ,通過平衡彈簧壓縮複位彈簧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,壓縮空氣由進氣閥門控製的通道進進閥後麵的履行元件氣缸。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與壓頭上的感化力相平衡時進氣閥門封閉。當外力消除後,進氣閥門在氣壓和複位彈簧2的力感化下,向上移動封閉。與此同時,壓頭與排氣閥門在複位彈簧1的力及排氣壓力的感化下複位,排氣口開啟,原輸出的氣體由排氣閥門經消聲器排進大氣。

圖1 結構工作道理圖

現在再來研究排氣閥門處於某一平衡位置時的狀況 。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――兩個複位彈簧的彈力之和;

Ff――密封圈的摩擦力;

A1、A2――分別為進、排氣閥門的有效受壓麵積,

A1=π(d12-d012)/4,

A2=π(d22-d022)/4;

d――排氣閥門座直徑;

d01――頂杆下段直徑;

d02――頂杆上段直徑。

由式(1)知,閥的輸出壓力p2與壓頭上的感化力F成比例(見圖4) 。

3、設計和計算

設計超高壓氣動減壓閥一般是先根據給定的設計參數和工作條件,選擇閥的結構型式,然後進行結構參數的選擇和計算 。

通常給定的參數有:氣源壓力、閥最大輸出壓力、通氣能力、最大操縱力和行程等 。設計和計算的內容有:選擇的結構型式,據通氣能力和工作壓力確定閥的結構尺寸,據行程和操縱力設計平衡彈簧等。

閥的結構設計重點在於進氣閥門、排氣閥門和活門座的密封結構,由於氣體粘度小,且工作壓力高,輕易泄漏。閥的結構見圖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、履行元件氣缸及閥後管道的容積的情況下,閥的充氣、排氣時間。

通氣能力取決於進氣通道和排氣通道的麵積。閥在充氣和排氣過程中時間很短,我們忽略熱交換的影響,即盡熱充氣和盡熱排氣。另外,根據閥的工作壓力,閥是以音速充氣和音速排氣。是以閥的進氣通道有效麵積Aa按下式計算[2]:

式中:V――充氣總容積;

K――比熱比,盡熱充氣時,K=1.4;

T――空氣的溫度,標準空氣的溫度T=293.15K;

t1――充氣時間;

R――氣體常數,R=287.1N*m/kg/K;

p1――閥輸進口壓力;

p2――閥輸出口壓力;

p20――氣缸內在充氣開始前的壓力。

∵A1=Aa

∴根據結構(見圖1和圖2),進氣孔直徑

按等麵積道理,進氣閥門與閥門座的軸向間隔(開度)

hc≥(d12-d012)/(4d1)(4)

放氣通道有效麵積按下式計算

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)

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

由閥的工作道理知道,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,排氣閥門座直徑又受到操縱力的限製。排氣閥門座直徑(見圖3(b))可由式(1)得到

式中:Fmax――給定的最大操縱力。

在滿足操縱力值的條件下,排氣閥門座直徑盡可能取大值。

(3)進、排氣閥門的設計

進、排氣閥門的設計首要包括結構型式、材料的選取和幾何尺寸的確定。閥門結構采用金屬包膠閥門(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點,使閥門在工作過程中具有良好的補償功能;另外利用了金屬材料的強度和剛度。閥門加工製造工藝性好,製造本錢低廉。

橡膠材料的選擇首要根據其機械性能和閥的工作溫度。

硫化橡膠的厚度根據閥門座型麵高度h選取,橡膠壓縮量在(20~25)%為宜。

進、排氣閥門的金屬骨架宜用黃銅,因其與橡膠的結合性能好。

(4)進、排氣閥門座型麵的設計

閥門座型麵與閥門的橡膠麵直接接觸,在工作過程中使膠麵變形,起密封感化,而且對閥的壽命影響很大。閥門座型麵結構如圖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範圍內為閥門座型麵,R為密封麵。R值小 ,閥的靈敏度高;R值大,閥的壽命長。經優化設計 ,R在0.3~0.5範圍內取值較好。閥門座型麵的粗糙度同樣也影響閥的密封性和壽命,粗糙度Ra應不大於0.4μm

圖2中b為支承麵。它是用來限製膠麵過度變形,起保護膠麵的感化。

(5)平衡彈簧的設計

根據閥的性能分析,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。它受到給定行程的限製,應根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,便可進行彈簧的設計了。兩個複位彈簧的剛度可設計成相同,而且,其剛度小於平衡彈簧的剛度。

4、試驗

為檢驗閥的性能,設計試驗係統道理圖如圖3所示。

閥的輸出壓力與操縱力的關係見圖4。圖5是在氣罐容積為2L,輸進壓力的11MPa,在壓頭上迅速施加(除往)操縱力的工況下,閥的充(排)氣特性 。經過試驗和利用,閥的各項技術性能符合要求 ,有些指標超過同類產品。而且具有結構簡單、緊湊、體積小、重量輕 、壽命長、可維護性好等特點 。

圖2 閥門座型麵結構

圖3 試驗係統道理圖

圖4 p2與F的1頁

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