氣體減壓閥的主要性能指標(biāo)分析

王航

摘要：針對氣體減壓閥主要性能指標(biāo)中的動態(tài)過程與靜態(tài)過程中出現(xiàn)的壓力特性趨勢和流量特性現(xiàn)象做出詳細(xì)闡述。對減壓閥影響最大的主要性能動靜壓差做出詳細(xì)分析，得出產(chǎn)生影響的因素有：進(jìn)出口的壓力、氣體流量、敏感活塞面積等三方面因素。對影響減壓閥靜態(tài)特性因素進(jìn)行分析。

關(guān)鍵詞：氣體減壓閥;動靜壓差;理論分析;靜態(tài)特性

近年來科學(xué)技術(shù)的快速發(fā)展，加之氣體減壓閥構(gòu)造簡單，性能穩(wěn)定的特性，在各個(gè)領(lǐng)域的應(yīng)用十分廣泛，引發(fā)與之配套的各類減壓閥需求量日益增加。為滿足市場需求，要求生產(chǎn)廠商必須要根據(jù)客戶需求定制不同的減壓閥以便服務(wù)各行業(yè)，為保證其效能就要對所設(shè)計(jì)產(chǎn)品主要性能指標(biāo)進(jìn)行理論分析。

一、氣體減壓閥的作用原理

氣體減壓閥又被稱作減壓器，其工作原理：利用氣瓶或者管路中氣體壓力，經(jīng)過膜片或活塞轉(zhuǎn)化為動力推動閥盤運(yùn)動，使得形成相對穩(wěn)定的輸出壓力。

二、動靜壓差對于減壓閥工作的影響

減壓閥進(jìn)入工作狀態(tài)時(shí)，氣體流動產(chǎn)生動能，出口腔壓力下降，氣動力促使敏感活塞向下方移動，此時(shí)腔內(nèi)壓力降低，氣控容量增大，力平衡狀態(tài)得到改善，出口壓力重新穩(wěn)定，動壓為出口壓力類型。當(dāng)氣體停止流動，動能重新轉(zhuǎn)化為壓力能，出口腔壓力同時(shí)上升敏感活塞與閥芯回復(fù)原位帶動出口腔壓力重新穩(wěn)定，此時(shí)出口壓力再次變換類型為靜壓。動靜壓差就是靜壓與動壓的差值稱。概括講就是當(dāng)氣體減壓閥在一定流量各進(jìn)出口壓力工況下，由動態(tài)轉(zhuǎn)換為靜態(tài)產(chǎn)生的出口壓力變化量就是動靜壓差，動靜壓差是考量減壓閥產(chǎn)品質(zhì)量一項(xiàng)主要性指標(biāo)，氣路系統(tǒng)問題則由此產(chǎn)生。

三、氣體減壓閥動靜壓差過大的具體原因分析

（一）靜偏差

工作情況產(chǎn)生變化后，減壓壓力也偏離預(yù)設(shè)值，偏離的大小即為減壓閥靜態(tài)特性偏差。

（二）減壓閥工作時(shí)動態(tài)過程與靜態(tài)過程

為達(dá)到出口壓力P2恒定的目的，需減壓閥參與其中工作，有動態(tài)運(yùn)動過程后才可進(jìn)入穩(wěn)定狀態(tài)。例如某一減壓閥對應(yīng)于不同流量，G點(diǎn)為減壓壓力圖1所示，圖為減壓閥靜態(tài)特性曲線，圖2為動態(tài)演示過程。

（三）進(jìn)出口壓力值

出口壓力影響動靜壓差變化，整體趨勢：隨著出口壓力升高，但當(dāng)動靜壓呈減緩趨勢時(shí)進(jìn)口壓在增大?？芍趯p壓閥產(chǎn)品設(shè)計(jì)時(shí)，要優(yōu)先對最高出口壓力下動靜壓差值進(jìn)行計(jì)算。

（四）氣體流量

以負(fù)載孔實(shí)驗(yàn)為例，氣流經(jīng)過孔板時(shí)，經(jīng)觀察發(fā)現(xiàn)隨著流量增加動靜壓差也隨之增加，動靜壓差變化此時(shí)最為明顯同時(shí)出口壓力也越高。同理可得，設(shè)計(jì)減壓閥參數(shù)時(shí)，要將最大流量情況下的動靜壓的數(shù)值納入考慮范圍。

（五）敏感活塞面積

敏感活塞的面積會影響動壓和靜壓之間的差值，出口壓力會影響到動靜壓差最小值對應(yīng)的數(shù)值，由于出口壓力升高，動靜壓差也隨之升高，此間還存在敏感活塞區(qū)間范圍問題，要使動靜壓差均在于較小范圍，在減壓閥設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)充分考慮盡最大限度將敏感活塞面積范圍控制在理論范圍內(nèi)。

（六）其他因素

經(jīng)試驗(yàn)與分析，當(dāng)閥座孔面積出現(xiàn)問題和O形圈的摩擦力大小均會影響差值，由于其產(chǎn)生的影響較小，在此不做詳細(xì)說明。

四、氣體減壓閥的靜態(tài)特性

減壓閥氣體狀態(tài)得到穩(wěn)定且內(nèi)部零件的位置也趨于相對固定，這種現(xiàn)象被稱作靜態(tài)平衡。靜態(tài)平衡狀態(tài)下的氣體減壓閥，減壓閥的靜態(tài)特性發(fā)生時(shí)必然伴隨著出氣腔的氣壓變化，引起這一現(xiàn)象是受到氣源氣壓、出氣口流量的影響，靜態(tài)特性是直接影響減壓閥性能與可靠性的直接因素。設(shè)計(jì)者要將減壓閥的靜態(tài)特性納入產(chǎn)品設(shè)計(jì)思路的范圍。

五、氣體減壓閥靜態(tài)特性的具體分析

（一）流量特性

若要保證出氣腔的流量在適當(dāng)范圍，需要采取增大氣源閥門口開度的措施，另外影響出氣腔變化又一因素是，閥門開口度影響彈簧力發(fā)生變化直接引起源閥桿的力平衡隨之變化。

（二）結(jié)構(gòu)參數(shù)影響

干擾靜態(tài)特性因素里，減壓閥工作圧力和溫度是較為明顯的兩項(xiàng)，除此之外，設(shè)計(jì)時(shí)結(jié)構(gòu)數(shù)據(jù)問題和零件選擇存在錯誤也是影響因素，結(jié)構(gòu)參數(shù)影響是主要誘因。

（三）壓力特性的影響

出口壓力與偏差成正比，出口壓力小偏差減少，進(jìn)口壓力低減壓閥的靜態(tài)特性優(yōu)越，需注意合理范圍內(nèi)。

（四）敏感面積

想既穩(wěn)定出口壓力又縮小偏差，僅限于采取控制敏感面積的方法，靜態(tài)特性對敏感面積的變化表現(xiàn)明顯，敏感面積的增大或減小都會使靜態(tài)特性產(chǎn)生相對應(yīng)改變，減少敏感面積加大出口壓力偏差，減壓閥的精度就會降低，若增加敏感面積，出口壓力就會變小。

（五）彈簧剛度

彈簧剛度范圍內(nèi)主彈簧剛度最大，逐漸加大彈簧剛度，靜態(tài)特性隨之收緊，相反，放松彈簧時(shí)，靜態(tài)特性隨之放松，整體性變化不明顯。

（六）刀鋒直徑

刀鋒直徑改變必定引起刀鋒尺寸變化，這一改變會引起閥座孔流通面積、刀鋒面積、有效預(yù)緊力以及有效敏感面積等參數(shù)的改變，影響靜態(tài)特性，靜態(tài)特性對刀鋒直徑的變化極為敏感。靜態(tài)特性逐漸平穩(wěn)時(shí)刀鋒直徑呈減小態(tài)勢，并減弱出口壓力偏差以及入口壓力的下降范圍。

（七）壓力特性的影響

膜片的面積與減壓閥的關(guān)系：膜片面積可驅(qū)使壓力調(diào)節(jié)度精度，卻在壓力偏差結(jié)果上沒有較大影響，膜片面積選擇既不可超出標(biāo)準(zhǔn)也不許低于正常數(shù)值，要控制在計(jì)算數(shù)據(jù)內(nèi)。原理是當(dāng)是當(dāng)范圍內(nèi)的膜片能增高壓力敏感度，出口壓力精度同時(shí)加強(qiáng)。從總體說，膜片面積同出口壓力精度干擾因素較小不會引起主結(jié)果偏差。

六、靜態(tài)特性總結(jié)

歸納以上影響減壓閥靜態(tài)特性因素，大致可分為以下三種類型：①技術(shù)參數(shù)（包含減壓閥進(jìn)口初始壓力，氣體流量等多方面因素）②環(huán)境因素③設(shè)計(jì)因素（如主彈簧剛度等）除此之外刀鋒直徑、敏感活塞尺寸、膜面有效面積等也在一定程度上影響減壓閥的靜態(tài)特性。

結(jié)語

理論與數(shù)據(jù)結(jié)合，充分論述氣體減壓閥的主要特性并得出具體結(jié)論。通過分析方法得到影響動靜壓差的主要因素有：進(jìn)出口壓力、氣體流量、敏感活塞面積這三個(gè)主要因素，及氣體減壓閥的靜態(tài)特性，明確將影響氣體減壓閥靜態(tài)特性的幾種因素進(jìn)行分門別類。使后續(xù)研制和制造不同類型的氣體減壓閥產(chǎn)品提供了借鑒思路，此理論也可為其他類型氣體減壓閥產(chǎn)品的研究提供參考價(jià)值。

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