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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