一種活塞式彈簧減壓閥的調(diào)定誤差分析

李少輝， 文小平， 樊 蕾， 陳 山， 陳振宇

(北京航天發(fā)射技術(shù)研究所， 北京 100076)

引言

活塞式彈簧減壓閥是指采用機械彈簧作為氣體調(diào)壓加載元件，采用活塞作為氣壓敏感元件的一種減壓閥。本研究的減壓閥調(diào)定誤差是指活塞式彈簧減壓閥在操作人員停止調(diào)壓動作時的出口壓力和達到穩(wěn)定后出口壓力的差值。國內(nèi)學(xué)者和機構(gòu)針對減壓閥動靜壓差(減壓閥出口壓力由動態(tài)切換到靜態(tài)時的變化量)進行過相關(guān)試驗和理論計算[1-5]，不覆蓋本研究涉及的減壓閥調(diào)定誤差。

為了提升減壓閥產(chǎn)品性能，對活塞式彈簧減壓閥調(diào)定誤差產(chǎn)生機理進行了理論分析，并研究了調(diào)定誤差的主要影響因素，并通過試驗驗證了理論分析的正確性，為如何減小活塞式彈簧減壓閥的調(diào)定誤差提供了參考。

1 理論研究

1.1 工作原理

活塞式彈簧減壓閥結(jié)構(gòu)簡圖如圖1所示，其調(diào)壓原理如下：

1.調(diào)壓彈簧 2.敏感活塞 3.閥座 4.手柄 5. O形圈 6.閥芯 7. 閥芯復(fù)位彈簧

不調(diào)壓狀態(tài)下，閥芯在入口壓力、出口壓力、調(diào)節(jié)彈簧力和敏感活塞復(fù)位彈簧力的綜合作用下壓緊閥座實現(xiàn)密封，減壓閥出口壓力保持穩(wěn)定；

通過緩慢旋轉(zhuǎn)調(diào)壓手柄給調(diào)壓彈簧施加壓力，推動敏感活塞向下運動頂開閥芯，減壓閥出口腔壓力升高，同時需密切觀察減壓閥出口壓力變化，直至出口壓力達到要求值時停止旋轉(zhuǎn)手柄。停止調(diào)壓動作后，減壓閥出口壓力需要經(jīng)過一定時間后達到穩(wěn)定。

1.2 調(diào)定誤差理論計算

1) 調(diào)壓結(jié)束后的穩(wěn)定狀態(tài)受力分析

調(diào)壓結(jié)束后閥芯受力分析見圖2。

圖2 靜態(tài)閥芯受力

調(diào)壓結(jié)束后閥芯受力平衡方程為：

(p1-p2s)As+Ktht-Kchc+p2sAm-FN=0

(1)

式中,p1—— 入口腔壓力

p2s—— 調(diào)壓結(jié)束后出口腔壓力

As—— 閥座孔面積

Kt—— 閥芯復(fù)位彈簧剛度

ht—— 閥芯復(fù)位彈簧初始壓縮量

Kc—— 調(diào)節(jié)彈簧剛度

hc—— 調(diào)節(jié)彈簧壓縮量

Am—— 敏感活塞面積

FN—— 閥座對閥芯的反作用力

閥座與閥芯間的理論最小密封比壓可由經(jīng)驗公式計算[6]：

(2)

式中，qmin—— 最小密封比壓

C1,C2—— 經(jīng)驗常數(shù)

b—— 密封寬度

閥座對閥芯的反作用力為閥口密封件變形而產(chǎn)生的支反力，其計算公式為：

FN=Sπdsbqminsinα

(3)

式中，ds—— 閥座直徑

S—— 密封系數(shù)，與閥座狀況有關(guān)

α—— 閥芯圓錐面母線與中心線夾角

2) 調(diào)壓過程受力分析

調(diào)壓時，當出口壓力達到要求值時，停止旋轉(zhuǎn)手柄。此時，閥芯與閥座處于接觸但未密封狀態(tài)，此工況下閥芯受力分析見圖3。

圖3 調(diào)壓閥芯受力

調(diào)壓工況下閥芯受力平衡方程為：

(p1-p2d)As+Ktht-Kchc+p2dAm+Fμ=0

(4)

式中，p2d—— 出口壓力

Fμ—— 敏感活塞O形圈摩擦力

敏感活塞O形圈摩擦力是活塞密封圈在潤滑不良的情況下產(chǎn)生的靜態(tài)摩擦力，其計算公式[7]為：

(5)

式中，D—— O形圈外徑

d—— O形圈截面直徑

f—— 摩擦系數(shù)

e—— O形圈壓縮率

E—— O形圈材料彈性模量

μ—— O形圈材料泊松比

3) 調(diào)定誤差計算

對比調(diào)壓結(jié)束后的穩(wěn)定狀態(tài)和調(diào)壓過程受力分析可知，當從調(diào)壓過程轉(zhuǎn)變?yōu)檎{(diào)壓結(jié)束后的穩(wěn)定狀態(tài)時，敏感活塞O形圈不再受摩擦力，閥芯需要承受閥座對閥芯的密封反作用力FN，由于減壓閥本身為一個閉環(huán)系統(tǒng)，這兩個作用力需要反饋元件敏感活塞來平衡，造成調(diào)壓結(jié)束后的出口腔壓力p2s高于剛剛停止調(diào)壓時的出口腔壓力p2d，兩者之間的差值即為調(diào)定誤差Δp2g：

(6)

將式(2)、式(3)、式(5)代入式(6)可以得到調(diào)定誤差Δp2g理論計算公式為：

(7)

2 影響調(diào)定誤差的因素

影響調(diào)定誤差的因素主要有進口壓力、出口壓力、閥芯圓錐面母線與中心線夾角、O形圈壓縮率、敏感活塞面積等因素。以某活塞式彈簧減壓閥為例，進行調(diào)定誤差影響因素的計算分析。該活塞式彈簧減壓閥設(shè)計入口壓力3～25 MPa，設(shè)計出口壓力0.2～2 MPa，敏感活塞上的O形圈材質(zhì)選用丁腈橡膠，相關(guān)參數(shù)見表1，丁腈橡膠相關(guān)參數(shù)見文獻[8]。

表1 減壓閥部分參數(shù)

2.1 進出口壓力

在相同的彈簧減壓閥結(jié)構(gòu)參數(shù)下，不同進出口壓力對調(diào)定誤差的影響見圖4。

根據(jù)圖4可知，調(diào)定誤差隨著出口壓力的升高而增大，且隨著進口壓力的升高而增大。在減壓閥設(shè)計和使用時，在保證出口壓力滿足要求的情況下，為減小調(diào)定誤差，一般應(yīng)盡量減小減壓閥進口壓力。

圖4 進出口壓力與調(diào)定誤差的關(guān)系

2.2 閥芯圓錐面母線與中心線夾角的影響

以進口壓力15 MPa為例，閥芯圓錐面母線與中心線夾角10°～60°對調(diào)定誤差的影響見圖5。

根據(jù)圖5可知，在不同出口壓力下，調(diào)定誤差均隨著閥芯圓錐面母線與中心線夾角的增大而增大，且增大的趨勢逐漸減緩。在減壓閥設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，合理減小閥芯圓錐面母線與中心線夾角是一種有效的技術(shù)措施。

圖5 閥芯圓錐面夾角與調(diào)定誤差的關(guān)系

2.3 敏感活塞O形圈壓縮率

敏感活塞O形圈壓縮率直接影響到敏感活塞摩擦力的大小。在實際設(shè)計制造中，彈簧減壓閥敏感活塞O形圈壓縮率一般在6%～20%。以進口壓力為15 MPa 時為例，敏感活塞O形圈壓縮率對調(diào)定誤差的影響見圖6。

圖6 敏感活塞O形圈壓縮率與調(diào)定誤差的關(guān)系

根據(jù)圖6可知，在不同出口壓力下，調(diào)定誤差均隨著敏感活塞O形圈壓縮率的增大而增大。在減壓閥設(shè)計時，在保證密封可靠的情況下，應(yīng)盡量減小敏感活塞O形圈壓縮率。

2.4 閥座孔面積

以進口壓力15 MPa為例，閥座孔面積對調(diào)定誤差的影響見圖7。

根據(jù)圖7可知，在不同出口壓力下，調(diào)定誤差均隨著閥座孔面積的增大而增大，且增大的趨勢逐漸減緩。在減壓閥設(shè)計時，閥座孔面積影響減壓閥最大流量。在保證流量的前提下，為減小調(diào)定誤差，應(yīng)盡量減小閥座孔面積。

圖7 閥座孔面積與調(diào)定誤差的關(guān)系

2.5 敏感活塞面積

保持閥座孔面積、O形圈直徑、O形圈壓縮率等參數(shù)不變，以進口壓力15 MPa為例，敏感活塞面積對調(diào)定誤差的影響見圖8。

圖8 敏感活塞面積與調(diào)定誤差的關(guān)系

根據(jù)圖8可知，在不同出口壓力下，調(diào)定誤差均隨著敏感活塞面積的增大而增大，且增大的趨勢逐漸減緩。在減壓閥設(shè)計時，在結(jié)構(gòu)允許的情況下，應(yīng)盡量增大減壓閥敏感活塞面積。

3 調(diào)定誤差試驗研究

3.1 試驗結(jié)果

進行試驗的減壓閥共計4種，分別取名為減壓閥A、減壓閥B、減壓閥C和減壓閥D。減壓閥A參數(shù)如表1所示，以減壓閥A參數(shù)為基礎(chǔ)，減壓閥B設(shè)計參數(shù)主要變化為將敏感活塞面積減小為減壓閥A的1/4；減壓閥C設(shè)計參數(shù)主要變化為敏感活塞面積相比減壓閥A增大90%；減壓閥D設(shè)計參數(shù)主要變化為敏感活塞面積相比減壓閥A增大90%，同時閥芯圓錐面母線與中心線夾角由20°增大為45°。試驗中減壓閥進口壓力為額定15 MPa，出口壓力為額定1 MPa，每種減壓閥在額定工況下進行3次試驗，調(diào)定誤差取3次試驗的平均值，試驗結(jié)果以及計算結(jié)果見表2。

表2 調(diào)定誤差試驗計算結(jié)果

從表2可以看出，4種不同結(jié)構(gòu)減壓閥在額定工況下的調(diào)定誤差實測值均與計算值基本一致。

3.2 偏差分析

根據(jù)表2可知，4種減壓閥在額定工況下的調(diào)定誤差計算值與試驗值誤差均小于10%，計算精度較高，可用于指導(dǎo)減壓閥設(shè)計和工程實踐。

調(diào)定誤差計算值和試驗值之間的偏差來源有以下幾個方面：

(1) 對敏感活塞O形圈摩擦力計算進行了一定程度地簡化。實際狀態(tài)O形圈摩擦力不僅與壓縮率和工作壓力有關(guān)，還與O形圈往復(fù)運動速度、潤滑效果、遲滯特性等因素有關(guān)[9-12]；

(2) 計算公式中經(jīng)驗常數(shù)、密封系數(shù)的選擇與實際情況存在一定誤差；

(3) 試驗過程中壓力波動、儀器儀表誤差等外在因素會對試驗結(jié)果造成一定偏差。

4 結(jié)論

通過理論推導(dǎo)研究了活塞式彈簧減壓閥調(diào)定誤差的計算方法，分析了影響調(diào)定誤差的因素，并通過試驗驗證了計算公式的準確性。

調(diào)定誤差理論計算及影響因素分析結(jié)果表明，為減小活塞式彈簧減壓閥的調(diào)定誤差，應(yīng)減小敏感活塞摩擦力，同時應(yīng)合理設(shè)置閥芯密封角度、敏感活塞面積及閥座孔面積。

本研究得到的彈簧減壓閥調(diào)定誤差計算分析方法可為減壓閥設(shè)計和工程應(yīng)用提供技術(shù)參考。