活塞平衡式壓力釋放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈永松，林建蘭，張仕齡，鄭潔敏

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，浙江 溫州 325000；3.國家電網(wǎng)溫州供電公司，浙江 溫州 325000；4.溫州科達(dá)安全技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 溫州 325000）

活塞平衡式壓力釋放閥的優(yōu)化設(shè)計(jì)

沈永松1，林建蘭2，張仕齡3，鄭潔敏4

（1.溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院 機(jī)械工程系，浙江 溫州 325035；2.溫州市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心，浙江 溫州 325000；3.國家電網(wǎng)溫州供電公司，浙江 溫州 325000；4.溫州科達(dá)安全技術(shù)服務(wù)有限公司，浙江 溫州 325000）

為防止設(shè)備、裝置和管道內(nèi)部介質(zhì)的壓力超過規(guī)定的數(shù)值，改善壓力釋放閥的使用性能，使排放壓力變化超過10%的整定壓力時(shí)，仍保持壓力釋放閥各技術(shù)參數(shù)的穩(wěn)定，找出反沖盤的結(jié)構(gòu)形狀對閥瓣的升力影響規(guī)律，確定反沖盤的最佳形狀，對活塞平衡式壓力釋放閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)。應(yīng)用實(shí)例表明，優(yōu)化設(shè)計(jì)后的活塞平衡式壓力釋放閥，不受介質(zhì)的侵蝕，提高了使用的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。

壓力釋放閥；活塞平衡式；整定壓力

0 引 言

近年來，隨著工農(nóng)業(yè)生產(chǎn)自動(dòng)化設(shè)備的普遍應(yīng)用，壓力釋放閥在各種設(shè)備上的應(yīng)用越來越多，不同的設(shè)備使用場合對壓力釋放閥的技術(shù)性能要求不同。根據(jù)使用要求，壓力釋放閥可分為直接載荷式壓力釋放閥、帶動(dòng)力輔助裝置的壓力釋放閥、帶補(bǔ)充載荷的壓力釋放閥及先導(dǎo)式壓力釋放閥[1]。目前在煉油廠、電站輔助系統(tǒng)、各種化工企業(yè)及紙漿和造紙廠使用的中、低壓的壓力釋放閥，在技術(shù)上仍存在諸多不足。如果排放壓力變化超過1 0%整定壓力，會(huì)引起壓力釋放閥整定壓力的變化，從而使得壓力釋放閥技術(shù)參數(shù)穩(wěn)定性變差，而且一些壓力釋放閥還存在不耐腐蝕容易出現(xiàn)頻跳等缺陷[2]。針對以上技術(shù)問題，本文對活塞平衡式壓力釋放閥進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計(jì)，以改善目前壓力釋放閥的使用性能。

1 壓力釋放閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

1.1 閥座、閥桿、導(dǎo)向套及閥瓣的設(shè)計(jì)

活塞平衡式壓力釋放閥結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活塞平衡式壓力釋放閥結(jié)構(gòu)

閥體采用上、下開孔，中間側(cè)面也開孔的結(jié)構(gòu)形式。這種結(jié)構(gòu)使得機(jī)械加工較方便，精度易得到保證，整體裝配簡便[3]。閥桿設(shè)計(jì)在上開孔端腔體內(nèi)部，閥桿下端與下彈簧座相連接，下彈簧座上安裝彈簧，彈簧的上端由上彈簧座壓緊；旋轉(zhuǎn)調(diào)節(jié)螺套，可調(diào)節(jié)彈簧壓緊力的大??；當(dāng)彈簧壓緊力調(diào)節(jié)完畢，由并帽鎖緊；閥帽用螺旋固定在閥體上，并帽、調(diào)節(jié)螺套及閥桿保護(hù)其閥帽內(nèi)部，同時(shí)用焊錫鎖定，防止人為誤動(dòng)作。閥座安裝在閥體的下開孔處，閥座與閥體采用螺紋連接，閥體內(nèi)安裝導(dǎo)向套，導(dǎo)向套上有聯(lián)通下開孔和側(cè)開孔的卸壓孔；導(dǎo)向套內(nèi)安裝與其配合的反沖盤，第二○形圈確保在反沖盤上下運(yùn)動(dòng)時(shí)保持良好的密封。將壓力釋放閥的介質(zhì)與閥體上腔部分密封隔離，使得介質(zhì)不會(huì)泄漏到上腔，確保彈簧、閥桿等零件不會(huì)受到介質(zhì)的腐蝕，保證設(shè)備的使用穩(wěn)定，延長閥門的使用壽命[4]。閥桿通過導(dǎo)向套中心，推壓在反沖盤上端；圓柱形閥瓣安裝在反沖盤下端的凹腔內(nèi)，閥座頂部設(shè)計(jì)密封面，用以與閥瓣底部配合密封。同時(shí)，凹腔內(nèi)設(shè)計(jì)與密封面配合密封的第一○形圈，如圖2所示。

圖2 活塞平衡式壓力釋放閥密封示意圖

設(shè)計(jì)時(shí)，取第一○形圈的密封內(nèi)徑值與閥瓣直徑相等，這樣使得面積AP=AN，通過計(jì)算可知，反沖盤的上、下面受到背壓的面積相等，因而由背壓產(chǎn)生的額外的力被平衡了?；钊胶馐綁毫︶尫砰y壓力平衡原理如圖3所示。

圖3 活塞平衡式壓力釋放閥壓力平衡原理

對反沖盤（活塞）的作用力進(jìn)行分析，計(jì)算公式為：

其中，PV為介質(zhì)進(jìn)口壓力，AN為噴嘴密封面面積，PB為背壓力，F(xiàn)S為彈簧力，AD為閥瓣面積，AP為活塞面積。

由于AP=AN，可將（1）式簡化為：

很明顯，這安全閥不再受到背壓力的影響，彈簧力FS只是與介質(zhì)進(jìn)口壓力在噴嘴密封面AN上的開啟作用力相平衡[5]。壓力釋放閥開啟動(dòng)作原理如圖4所示。另外，設(shè)計(jì)導(dǎo)向套，導(dǎo)向套與閥體內(nèi)壁密封配合，并采用閥座壓卡在下開孔處。由于導(dǎo)向套成一體，可保證加工精度和裝配精度，確保反沖盤做垂直定向運(yùn)動(dòng)，保持閥門工作的穩(wěn)定。

1.2 反沖盤的設(shè)計(jì)

圖4 壓力釋放閥開啟動(dòng)作原理

2 壓力釋放閥的彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)

2.1 動(dòng)作特性和彈簧剛度的確定

排放壓力、啟閉壓差、開啟高度、整定壓力偏差等性能，構(gòu)成壓力釋放閥的動(dòng)作特性。彈簧式的壓力釋放閥的動(dòng)作特性，取決于閥門在開啟和回座關(guān)閉過程中，介質(zhì)對閥瓣的升力與彈簧彈力共同作用的結(jié)果。介質(zhì)對閥瓣的垂直向上的升力及彈簧彈力，在壓力釋放閥動(dòng)作的過程中不斷變化。

其中，F(xiàn)s為閥瓣升力（N），p為進(jìn)口介質(zhì)靜壓力（MPa），d0為流道直徑（mm）。

s如圖5所示，當(dāng)壓力釋放閥進(jìn)口壓力為整定壓力時(shí)，其閥瓣的升力為：

其中，ps為整定壓力（MPa）。

，作彈簧特性線，使彈簧特性線處在I和II之間（見圖5）。同時(shí)通過測量得到=32°。因此，彈簧剛度為。以不同的整定壓力ps值代入，可得到不同整定壓力的彈簧剛度[6]。

2.2 圓柱螺旋彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)

彈簧是壓力釋放閥中至關(guān)重要的一個(gè)零件，必須保證其技術(shù)指標(biāo)的可靠性。根據(jù)彈簧剛度可進(jìn)一步優(yōu)化設(shè)計(jì)，使彈簧在壓力釋放閥的使用中確保可靠密封、整定壓力準(zhǔn)確、液體介質(zhì)在不大于10%的超壓下，閥門達(dá)到全開啟和額定泄放量，防止閥瓣出現(xiàn)頻跳或喘振。

某一型號的彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)步驟如下：

（1）設(shè)計(jì)變量。取彈簧總?cè)?shù)為n1、彈簧中經(jīng)為D2、彈簧鋼絲直徑為d。

（2）設(shè)計(jì)目標(biāo)函數(shù)。以彈簧質(zhì)量最輕為設(shè)計(jì)目標(biāo)，其數(shù)學(xué)表達(dá)式為：

（3）約束條件。需要考慮的約束條件有：延長彈簧剛度直線與升力Fs=0的線相交（見圖5），得到彈簧預(yù)壓縮量，再加上彈簧全開的壓縮量，從而得到彈簧總壓縮量。該例的彈簧總壓縮量為20+15=35（mm），即F=；壓并高度不大于180mm，即H=(n1-)d≤ 180；彈簧內(nèi)徑不小于80mm，即D1=D2-d≥80；靜壓強(qiáng)度條件

圖5 壓力釋放閥閥瓣升力Fs曲線

令x1=D2,x2=d,x3=n1，彈簧工作負(fù)荷P=21N（見圖5），如果彈簧材料型號選用50CrVA，可得到1= 7.8×104（g/mm3），G=8.1×104（MPa），=444（MPa）。根據(jù)相關(guān)設(shè)計(jì)手冊[7]，取n2=1.75，=0.5，得到數(shù)學(xué)模型的標(biāo)準(zhǔn)形式[8]為：

3 應(yīng)用實(shí)例

活塞平衡式壓力釋放閥采用新型閥瓣密封面和反沖盤導(dǎo)向套及彈簧優(yōu)化設(shè)計(jì)，大大拓展了壓力釋放閥的使用范圍，使得產(chǎn)品在煉油、石油化工廠、電站輔助系統(tǒng)及紙漿和造紙廠的中、低壓流體應(yīng)用中提供超壓保護(hù)，有效地降低了用戶安裝及維護(hù)成本。彈簧直接載荷式壓力釋放閥的彈簧力和流體力的大小均與閥瓣的高低位置有關(guān)，其中，彈簧力、流體阻力及閥瓣開啟運(yùn)動(dòng)的慣性力，分別是閥瓣位移及時(shí)間的一階導(dǎo)數(shù)和二階導(dǎo)數(shù)的函數(shù)[9]。在特殊情況下，閥瓣會(huì)產(chǎn)生不正常的往復(fù)運(yùn)動(dòng)，形成喘振。通過各種該型號的壓力釋放閥應(yīng)用表明，沒有發(fā)現(xiàn)喘振等現(xiàn)象[10]?；钊胶馐綁毫︶尫砰y在閥座頂部設(shè)置與閥瓣底部配合密封的密封面，圓柱形凹腔上設(shè)置與密封面配合密封的第一○型圈，而且密封面直徑、第一○型圈內(nèi)徑與閥瓣的直徑相等，使得閥瓣上下面受到背壓面積相等，補(bǔ)償了附件變化背壓和排放背壓超過1 0%的整定壓力時(shí)對整定壓力的影響，同時(shí)形成雙重密封保護(hù)，確保介質(zhì)無滲漏。在反沖盤導(dǎo)向處設(shè)置與導(dǎo)向套配合密封的第二○型圈，把介質(zhì)和閥體上腔隔離起來，保護(hù)該閥門零件不受介質(zhì)的侵蝕，從而保證了使用的穩(wěn)定性，延長了使用壽命。

該型號的活塞平衡式壓力釋放閥設(shè)計(jì)，為筆者引進(jìn)的橫向課題成果，由企業(yè)申請了國家發(fā)明專利及實(shí)用新型專利，現(xiàn)已獲得1項(xiàng)實(shí)用新型專利[11]，產(chǎn)品已通過省級新產(chǎn)品鑒定。該閥門經(jīng)山東無棣鑫岳化工有限公司、山東大澤化工有限公司等單位使用，普遍反映產(chǎn)品具有質(zhì)量可靠、耐腐蝕、零泄漏、運(yùn)行穩(wěn)定、使用壽命長等優(yōu)點(diǎn)，得到用戶一致好評。

4 結(jié) 論

活塞平衡式壓力釋放閥系列產(chǎn)品，經(jīng)溫州市特種設(shè)備檢測中心檢測，各項(xiàng)技術(shù)性能指標(biāo)均符合GB/ T 12241—2005《安全閥一般要求》、GB/T 12242—2005《壓力釋放裝置性能試驗(yàn)規(guī)范》、GB/T 12243—2005《彈簧直接載荷式安全閥》等標(biāo)準(zhǔn)要求。該閥門的某些性能優(yōu)于同類進(jìn)口產(chǎn)品。本設(shè)計(jì)得出以下結(jié)論：

（1）壓力釋放閥的反沖盤與進(jìn)口介質(zhì)的靜壓力、流道直徑相適應(yīng)，提高了使用性能，在使用中確保閥瓣不會(huì)發(fā)生喘振現(xiàn)象。

（2）通過實(shí)驗(yàn)得到壓力釋放閥的升力系數(shù)，并采用圖解法確定彈簧剛度，符合其使用的實(shí)際場合，能得到理想的使用性能。

（3）通過壓力釋放閥彈簧的優(yōu)化設(shè)計(jì)，使得彈簧的結(jié)構(gòu)性能更加符合閥門的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，使閥門制造的經(jīng)濟(jì)效益最大化。

[1]陸培文.實(shí)用閥門設(shè)計(jì)手冊[M].3版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2015:12-85.

[2]陸培文.閥門設(shè)計(jì)入門與精通[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2009:58-63.

[3]秦大同，謝里陽.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2011:274-285.

[4]雷世明.焊接方法與設(shè)備[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2010:10-35.

[5]宋學(xué)義.袖珍液壓氣動(dòng)手冊[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1998:1609-1615.

[6]聞邦椿.機(jī)械設(shè)計(jì)手冊[M].5版.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，2013:5-34.

[7]劉惟信.機(jī)械最優(yōu)化設(shè)計(jì)[M].2版.北京:清華大學(xué)出版社，2002:6-72.

[8]蔡學(xué)熙.現(xiàn)代機(jī)械設(shè)計(jì)方法實(shí)用手冊[M].2版.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，2004:63-69.

[9]古列維奇.閥門設(shè)計(jì)與計(jì)算[M].通用機(jī)械研究所，譯.北京:化學(xué)工業(yè)出版社，1974:71-73.

[10]陸培文.國內(nèi)外閥門新結(jié)構(gòu)[M].北京:中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1997:15-18.

[11]包鑫發(fā).活塞平衡式壓力釋放閥:ZL 201420438239.2[P].2014-12-03.

[責(zé)任編輯：南秀蓉]

Optimized Design for Pressure Relief Valves of Piston-Balance

SHEN Yongsong1, LIN Jianlan2, ZHANG Shiling3, ZHENG Jiemin4
(1.Mechanical Engineering Department, Wenzhou Vocational & Technical College, Wenzhou, 325035, China; 2.Wenzhou Safe Production Technology Service Center, Wenzhou, 325000, China; 3.Wenzhou Power Supply Company, State Grid, Wenzhou, 325000, China; 4.Wenzhou Keda Safe Technology Service Co., Ltd., Wenzhou, 325000, China)

Study has been done on optimizing the design for pressure relief valves of piston-balance in order to prevent the inner medium pressure of facilities, devices and pipes from exceeding the required digits, to improve the quality of pressure relief valves in working, to cause pressure relief valves to retain the steady technical parameters when the change in discharge pressure goes beyond 10% of set pressure, and to track down the rules about the influences of the structural form of disc holders on the lift force of valve clacks to determine the optimum form of disc holders. Practical applications indicate that pressure relief valves of piston-balance with optimized design will not be eroded by medium, which brings better stability and extended working life.

Pressure relief valves; Piston-balance; Set pressure

TM402

A

1671-4326(2016)04-0049-04

10.13669/j.cnki.33-1276/z.2016.082

2016-09-12

永嘉縣科技計(jì)劃項(xiàng)目（G2014128）

沈永松（1957—），男，浙江溫州人，溫州職業(yè)技術(shù)學(xué)院機(jī)械工程系副教授；

林建蘭（1968—），女，浙江溫州人，溫州市安全生產(chǎn)技術(shù)服務(wù)中心工程師；

張仕齡（1976—），男，浙江溫州人，國家電網(wǎng)溫州供電公司工程師；

鄭潔敏（1982—），男，浙江溫州人，溫州科達(dá)安全技術(shù)服務(wù)有限公司工程師.