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超高压气动减压阀的工作原理及优化设计

超高压气动减压阀是气动刹车系统的重要元件。因为气体粘度小,容易泄漏,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。这里介绍的超高压气动减压阀突破了传统结构[1],且对重要零、组件进行了优化设计,使得阀在高压情况下无泄漏,其它性能也都满足了使用要求。
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,通过平衡弹簧压缩复位弹簧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,压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,进气阀门的开度逐渐减小,直到输出口压力p2与压头上的作用力相平衡时进气阀门关闭。当外力消除后,进气阀门在气压和复位弹簧2的力作用下,向上移动关闭。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。
现在再来研究排气阀门处于某一平衡位置时的状态。忽略压头、排气阀门等的重力和摩擦力,排气阀门受力平衡方程为:
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(d22-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)。
设计和计算
设计超高压气动减压阀一般是先根据给定的设计参数和工作条件,选择阀的结构型式,然后进行结构参数的选择和计算。
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通常给定的参数有:气源压力、阀最大输出压力、通气能力、最大操纵力和行程等。设计和计算的内容有:选择的结构型式,据通气能力和工作压力确定阀的结构尺寸,据行程和操纵力设计平衡弹簧等。
阀的结构设计重点在于进气阀门、排气阀门和活门座的密封结构,因为气体粘度小,且工作压力高,容易泄漏。阀的结构见图1。
(1)通气能力计算
阀的通气能力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情况下,阀的充气、排气时间。
通气能力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,我们忽略热交换的影响,即绝热充气和绝热排气。另外,根据阀的工作压力,阀是以音速充气和音速排气。因此阀的进气通道有效面积Aa按下式计算[2]:
K――比热比,绝热充气时,K=1.4;
T――空气的温度,标准空气的温度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――气缸内在充气开始前的压力。
∵A1=Aa
(2)排气阀座直径的计算
由阀的工作原理知道,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,排气阀门座直径又受到操纵力的限制。排气阀门座直径(见图3(b))可由式(1)得到
(3)进、排气阀门的设计
进、排气阀门的设计主要包括结构型式、材料的选取和几何尺寸的确定。阀门结构采用金属包胶阀门(所谓金属包胶阀门就是将橡胶直接硫化在金属骨架上)。它利用了橡胶材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能;另外利用了金属材料的强度和刚度。阀门加工制造工艺性好,制造成本低廉。
橡胶材料的选择主要根据其机械性能和阀的工作温度。
硫化橡胶的厚度根据阀门座型面高度h选取,橡胶压缩量在(20~25)%为宜。
进、排气阀门的金属骨架宜用黄铜,因其与橡胶的结合性能好。
(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。阀门座型面结构如图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,阀的灵敏度高;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
它是用来限制胶面过度变形,起保护胶面的作用。
(5)平衡弹簧的设计
根据阀的性能分析,平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。它受到给定行程的限制,应根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,便可进行弹簧的设计了。两个复位弹簧的刚度可设计成相同,而且,其刚度小于平衡弹簧的刚度。
试验
为检验阀的性能,设计试验系统原理图如图3所示。
阀的输出压力与操纵力的关系见图4。图5是在气罐容积为2L,输入压力的11MPa,在压头上迅速施加(除去)操纵力的工况下,阀的充(排)气特性。经过试验和应用,阀的各项技术性能符合要求,有些指标超过同类产品。而且具有结构简单、紧凑、体积小、重量轻、寿命长、可维护性好等特点。

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