双级氧气减压阀的改进

来源:真空技术网(www.chvacuum.com)上海气体阀门总厂 作者:严仁兴

  介绍了双级氧气减压阀的性能及受力情况。分析了弹簧刚度和膜片形状及膜片有效面积对阀门流量的影响。论述了阀门结构改进的方法及效果。

1、概述

  双级氧气减压阀(型号YQJ11) 的额定压力为15MPa, Ⅰ级出口压力3MPa, Ⅱ级出口压力0~1.6MPa可调。由于双级减压, 安全可靠, 该阀多年来受到广大客户的欢迎。但是其在公称压力116MPa时的100m3 /h额定流量不能满足日益发展的生产需要, 为此通过改进阀门结构提高了减压阀的流量。

2、性能

2.1、工作原理

  双级氧气减压阀(图1) 是一种简单的双级压力调节器。由于阀门下部受进气压力作用, 阀门上部受出气压力作用, 阀门上受到不平衡的作用力,故称背压式减压阀。该阀在原始状态时, 进气阀在复位弹簧的作用下处于关闭状态, 输入和输出不通, 输出口无气压输出。若顺时针旋转调节螺钉,调压弹簧压缩, 推动阀杆下移, 进气阀门被打开,在输出口有气压输出。若逆时针旋转调节螺钉, 调压弹簧放松, 作用在膜片上的气压力大于弹簧力,进气阀在下部进气压力和复位弹簧的作用下随膜片向上移动, 气体流通面积减少, 减压作用加强, 输出压力下降。该阀右侧是高压级, 左侧是低压级。额定15MPa的气源压力p1 从进气口经过铜粉末冶金滤网进入高压级减压阀, 经减压后的出口压力p2 调节到3MPa, 高压级出口的气体又进入低压级减压阀, 经过第二次减压后压力降为p3 从出口输出, 出口压力的调节范围为0~1.6MPa。

YQJ11双极氧气减压阀

1.调节螺钉 2.调节弹簧 3.碟形膜片 4.阀杆 5.进气阀门 6.复位弹簧

图1 YQJ11双极氧气减压阀

2.2、受力分析

  减压阀的受力分析如图2所示。阀处于平衡状态时, 力的平衡方程为

F1 +A0 p2 =A1 p2 +A0 p1 + F2 (1)

  式中p1、p2 ———输入、输出压力, MPa
    A1 ———膜片有效面积, mm 2
    A2 ———阀瓣有效面积, mm 2
    F1 ———调压弹簧力, N
    F2 ———复位弹簧力, N

减压阀受力分析

图2 减压阀受力分析

  如果阀的输入压力不变, 输出流量变动△qv所对应的进气阀门开度波动为△s, 引起输出压力变动△p2 , 当达到新的平衡状态时, 力的平衡方程为

  式中k1 ———调压弹簧刚度, N /mm
    k2 ———复弹弹簧刚度, N /mm
    △s———阀门开度变化量, mm
    C———阀门开度与流量的比例关系

  式(2) 表示了减压阀的流量特性, 它指出了改善流量特性有两种方法。一是减小弹簧刚度之和, 二是增大膜片的有效面积。

3、改进措施

3.1、减小低压级减压器调压弹簧刚度

  从式(2) 看出减小弹簧刚度之和, 可以提高减压阀的流量。YQJ11双级减压阀的高压级额定输入压力16MPa, 输出压力3MPa, 调压弹簧直径8mm、刚度750N/mm, 弹簧负荷5 620N。低压级的输入压力3MPa, 输出压力1.6MPa, 弹簧负荷2 800N,仅为高压级弹簧负荷的1/2, 可是选用的弹簧硬度却与高压级弹簧相同, 复位弹簧的刚度也是相同为13.5N /mm。根据分析可以看到, 低压级调压弹簧的刚度过硬, 严重影响了双级减压阀的输出流量。为此, 根据实际工况条件设计了不同直径和刚度的弹簧用于低压级减压阀, 并将低压级的出口压力分为0 ~0.6MPa、0.6 ~1.0MPa 和1.0 ~1.6MPa三个等级, 根据不同的压力级设计不同的调压弹簧, 压力高的弹簧硬, 压力低的弹簧软。经过测试, 出口压力低时输出流量明显提高(表1) 。随着弹簧尺寸的改变, 阀门型号改为YQJ11A、YQJ11B和YQJ11C。

表1 双级减压阀空气流量测试

表1 双级减压阀空气流量测试 

3.2、调整膜片形状

  从式(2) 看出, 膜片的有效面积A1 越大, 减压阀的流量也就越大。经过反复的测试和研究确定,碟形膜片的有效面积比平膜片小(表2、表3) 。但原有的高压减压阀采用有效面积小的碟形膜片, 是为了满足出口压力高和结构紧凑的要求, 这样才能在出口压力高的情况下减小调节弹簧的负荷, 也就减小了调节弹簧的结构尺寸和减压阀的结构尺寸。

 表2 YQJ11B型δ014膜片有效面积表3 YQJ11C型δ0125膜片有效面积

 

  减压阀的出口通径Dn 与活门通径Dz 的合理比值对于空气介质为0.6, 即减压阀的出口通流面积An 与活门通流面积Az 的合理比值为2.78。YQJ11低压级减压器Dz = 7, Dn = 8, (An /Az ) =1.6 (活门通道中顶杆直径3mm ) , An /Az 小于2.78。YQJ11B 输出压力降到了1.0M Pa, 在确认出气口强度允许的情况下, 将出气口的通径由8mm 增大到10mm, An /Az 由1.6增大到2.5, 这项改进, 进一步提高了阀门输出流量。

4、结语

  输出流量是减压阀的一个重要参数, 在满足输出压力的前提下, 应该尽可能的提高输出流量, 以最大程度的满足用户需要。通过对YQJ11 型减压阀设计合理的弹簧, 减小调压弹簧的刚度、使用合适的膜片, 加大膜片有效面积, 加大出口通径等措施, 提高了减压阀的输出流量, 改善了减压阀的流量特性, 扩大了减压阀的使用范围。

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