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HydraulicsPneumatics&Seals/No.1.2008现代气动技术理论与实践第六讲院压力调节阀蔡茂林渊北京航空航天大学自动化科学与电气工程学院袁北京100083冤中图分类图院TH137文献标识码院A文章编号院1008-0813渊2008冤01-0053-060前言在气动系统中袁由于压缩空气即使远距离传送压力损失也较小的特点袁供气通常采用集中气源尧统一供给的方式遥工业现场常用压缩机的输出压力通常在0.7耀1.0MPa范围内袁考虑管道输送损失及压力波动袁终端设备中的气缸等执行元器件的使用压力一般被设定在0.5MPa左右袁而气动工具尧喷嘴等工艺用气点的使用压力则千差万别袁有高有低遥为能够稳定连续地向各个用气点供给不同大小的压力袁必须使用压力调节阀遥压力调节阀的作用主要可归结为两点院渊1冤调节压力高低曰渊2冤消除上流压力波动影响袁保证输出压力稳定[1]遥根据压力调节方向的不同袁压力调节阀分为两类院一类为减压阀袁将供气管道中的高压气体减为压力稳定的低压气体供给到终端设备曰另一类为增压阀袁在供气压力达不到使用要求时对输入空气进行固定增压比增压后输送给终端设备遥固定增压比有2倍尧4倍等遥通过减压阀调节入口压力可以连续调节输出压力遥由于减压阀在无论上流压力波动袁还是流量发生变化时都能使输出压力稳定在设定值附近袁所以在工业现场被大量使用袁几乎每台终端设备袁甚至每个气缸前都安装有减压阀以确保供给压力始终恒定遥由于减压阀的特性直接关系到气动系统的特性袁所以本讲以减压阀为对象袁先阐述减压阀的工作原理袁分析其流量特性与压力特性袁介绍直动型和先导型的主要形式袁然后讨论带容腔负载的减压阀的响应特性遥最后袁说明增压阀的工作原理及其特性遥1减压阀的工作原理与特性1.1工作原理现以图1所示的最为典型的直动型减压阀的构造为例简单阐述减压阀的工作原理遥旋转减压阀上方手柄压紧调节弹簧袁调节弹簧通过溢流阀座向下压膜片袁进而向下压主阀芯杆尧主阀芯而打开主阀芯袁一次侧入口压缩空气经过主阀芯流向二次侧出口遥这样袁二次侧出口由于气体不断流入而压力不断上升袁该压力直接作用于膜片下方袁推动膜片不断上移袁直至与调节弹簧的弹簧力平衡遥此时袁膜片不再上升袁主阀芯关闭袁出口压力稳定遥由此可见袁出口压力可由调节弹簧预加弹簧力来设定遥当二次侧出口由于用气导致压力低于设定压力时袁膜片下移袁主阀芯打开袁出口压力上升曰反之袁出口压力高于设定压力时袁膜片上移袁主阀芯杆由于与主阀芯固定连接而不再上移袁溢流阀打开袁出口通过主阀芯杆与溢流阀座间的溢流孔向大气排气袁压力下降遥这样袁减压阀实现减压与稳压的功能遥图1减压阀的构造如图1所示袁在主阀芯关闭并处于力平衡状态时袁分析主阀芯的受力袁可得如下公式院F1+S2p2=S1p2+S2p1=F2渊1冤式中F1要要要主阀芯关闭时的调节弹簧的弹簧力袁单位为N曰F2要要要主阀芯关闭时的主阀芯弹簧的弹簧力袁单位为N曰p1要要要一次侧入口压力袁单位为Pa曰p2要要要二次侧出口压力袁单位为Pa曰S1要要要膜片的有效受压面积袁单位为m2曰S2要要要主阀芯的有效受压面积袁单位为m2遥收稿日期院2007-12-09作者简介院蔡茂林渊1972-冤袁男袁教授/博士生导师袁主要研究方向是气动系统的节能尧测量尧仿真与控制遥53液压气动与密封/2008年第1期由此袁出口压力可推导为院p2=F1-F2-S2p1S1-S2渊2冤即取决于两弹簧的预设弹簧力尧入口压力尧膜片和主阀芯受压面积大小遥1.2流量特性与压力特性作为减压阀的表征特性袁流量特性与压力特性两大静特性被经常使用袁并通常在产品样本中给出遥流量特性是表示流量与出口压力关系的曲线遥在关闭二次侧出口流路使流量为零时设定出口压力后袁逐渐打开二次侧出口流路增加流量袁测量此过程中的出口压力和流量即可得此曲线遥流量流过减压阀时主阀芯必定处于打开状态袁如设定主阀芯开口位移为x袁出口压力比设定压力p2向下偏移驻p2袁式(1)的主阀芯受力平衡公式可重写为院F1-k1x+S2渊p2-驻p2冤=S1渊p2-驻p2冤+S2p1+F2+k2x渊3冤联立式(1)与式(3)袁可得驻p2与x的关系院驻p2=k1+k2S1-S2x渊4冤根据第1讲的流量公式[2]袁流量与主阀芯的开口面积成正比袁即Q邑仔d2x渊5冤这里袁是主阀芯开口的有效直径遥流量Q越大时袁主阀芯开口位移x越大袁因而出口压力偏移值驻p2也越大遥该特性如图2所示袁减压阀的出口压力随着流量的增大而不断下降遥图2减压阀的流量特性[3]显然袁流量特性曲线越水平越好袁即减压阀输出压力受流量影响越小越好遥由式(4)尧式(5)可见袁降低两个弹簧的弹性系数k1与k2袁增大主阀芯开口的有效直径d2可以改善流量特性遥除了流经主阀芯的正向流量袁流经溢流阀的负向流量也是流量特性的一部分遥但由于减压阀主要工作在正向流动中袁所以产品样本上通常只提供正向流量的流量特性遥负向流量的流量特性一般只在电气调压阀尧电气伺服阀的流量特性中被要求遥压力特性是表示入口压力变动时出口压力变化的曲线遥假设入口压力p1增加驻p1时袁出口压力在设定压力p2基础上增加驻p2袁此时重写主阀芯受力平衡公式袁可得院F1+S2渊p2+驻p2冤=S1渊p2+驻p2冤+S2渊p1+驻p1冤+F2渊6冤联立式(1)与式(6)袁可得驻p2与驻p1的关系院驻p2=-1S1/S2-1驻p1渊7冤由式(7)可见袁入口压力上升袁出口压力不升反降遥此特性如图3所示袁减压阀的出口压力与入口压力的变化趋势正好相反遥为了减轻入口压力变动的影响袁增加值可以起到一定的效果袁但通常是采用下节介绍的先导型减压阀来获得更为稳定和精密的调压效果遥图3减压阀的压力特性[3]除了以上的流量特性和压力特性袁减压阀还具有重复精度尧压力设定精度分辨率等其它特性袁但最重要尧最基础的还是流量特性和压力特性遥2直动型与先导型减压阀减压阀根据内部结构和功能袁可分直动型和先导型两大类遥2.1直动型减压阀通过调节弹簧直接设定出口压力的减压阀通称为直动型减压阀遥图4给出了直动减压阀的典型结构遥通图4直动型减压阀54HydraulicsPneumatics&Seals/No.1.2008常袁直动型减压阀带有小流量的溢流功能袁用于出口压力高于设定压力时的排气遥但是袁当排气流量要求很大时袁一般不使用单独的减压阀袁而是用非溢流型减压阀与专用的大型溢流阀组合使用遥图5表示的是溢流型和非溢流型的溢流处结构的不同遥此外袁非溢流型减压阀还可用于禁止向大气排放的有毒气体等的减压场合遥图5溢流型与非溢流型渊a冤溢流型渊b冤非溢流型如前所述袁直动型减压阀的输出压力直接受主阀芯开口位移影响袁不是十分理想遥为了改善直动型减压阀的流量特性袁还有一种利用流速反馈孔的改善方法遥该方法如图6所示袁将二次侧出口与膜片下部容腔隔离开袁并在隔离壁上开一个垂直于气体流动方向的小孔袁该孔称为流速反馈孔遥当主阀芯打开有气体流动时袁由于流速反馈孔只能将孔前静压传递到膜片下方容腔内袁流速反馈孔前存在一定的动压袁所以膜片下方容腔压力p鸳2比出口压力p2袁即上述的动压与静压之和要低遥这样袁出口压力p2就可得到正向补偿袁流量越大袁补偿效果越大袁从而可以有效地改善流量特性袁使流量特性曲线更水平遥图6流速反馈机构如图1和式(7)所示袁入口压力p1直接作用于主阀芯袁其变动会影响出口压力p2遥为了消除入口压力变动给主阀芯受力平衡带来的影响袁通常采用图7的构造遥此构造是在主阀芯和主阀芯杆中心开孔袁将二次侧压力导入到主阀芯下方袁从而使主阀芯受力平衡式(1)中的p1项消失遥如图7(a)所示袁在主阀芯受力中完全去除p1影响的减压阀称为完全平衡式减压阀遥在这种减压阀中袁主阀芯受力与入口压力尧主阀芯的受压面积完全无关袁式(1)改写为院F1=S1p2+F2渊8冤出口压力变成仅由两弹簧的预设弹簧力和膜片面积来决定遥p2=F1-F2S1渊9冤此时袁主阀芯打开有流量流过时袁主阀芯受力平衡公式的式(3)变为院F1-k1x=S1渊p2-驻p2冤+F2+k2x渊10冤联立式(8)和式(10)袁可得此时驻p2与x的关系院驻p2=k1+k2S1x渊11冤将式(11)与式(4)比较袁可见比例项减小袁主阀芯开口位移的影响变小袁流量特性得到改善遥但是袁完全平衡式减压阀存在入口压力即使降为大气压时出口压力也不能跟踪进行排气的缺点袁不利于系统的安全遥为实现跟踪排气的功能袁通常采用图7(b)的半平衡构造遥半平衡构造中的主阀芯下方受压面积比上方要小袁使入口压力也作用在局部面积上袁这样在抑制入口压力变动影响的同时袁使阀在入口压力下降时主阀芯也能打开袁从而使出口压力也能跟随下降遥这对于减压阀的安全性十分重要遥图7主阀芯的平衡形式渊a冤完全平衡式渊b冤半平衡式图8各种平衡形式下的压力特性渊a冤渊b冤55液压气动与密封/2008年第1期2.2先导型减压阀先导型减压阀是用先导压力来取代直动型中的调节弹簧袁具有二次侧出口压力调节和先导二次侧压力调节的双重压力调节机构的减压阀遥先导型减压阀的工作原理尧主阀芯构造与直动型基本相同袁只是膜片上方压力不是直接来自弹簧袁而是来自先导控制的压力袁其典型结构如图9所示遥先导一次侧压力来自主阀一次侧入口袁经过一个直动型减压阀减压到设定压力来调节主阀遥该调节先导压力的直动型减压阀通常要求重复精度高袁其流量可以很小遥由于阀达到稳定状态后先导减压阀的流量为零袁先导二次侧压力与设定压力不存在前述流量特性中的偏差袁而且不受主阀芯开口位移的影响袁所以可以获得很好的流量特性遥图9先导型减压阀图10尧图11是先导型减压阀的流量特性和压力特性的示例遥图10先导型减压阀的流量特性[3]图11先导型减压阀的压力特性[3]相对直动型减压阀袁先导型减压阀具有如下优点院渊1冤流量特性好袁压力流量曲线接近水平曰渊2冤适用于大口径尧大流量的压力调节曰渊3冤适用于远程控制遥3带容腔负载减压阀的响应下面袁以图12所示的带容腔负载的減压阀为对象袁分析其压力响应特性遥图12带容腔负载的減压阀先设定减压阀出口压力p2袁对压力容腔进行充气并使其最终达到压力稳定状态遥然后袁快速调节减压阀手柄袁此时减压阀设定压力假设为pref遥如图13所示袁对图13流量特性的线性化出口压力p2至pref的流量特性进行线性化袁可得此时的体积流量为[4]院Q=a渊pref-p2冤渊12冤此处的a为流量特性曲线进行线性化后得到的直线斜率遥设标准状态ANR下的空气密度为籽ANR袁此时的质量流量为院G=籽ANRQ渊13冤简单起见袁假设容腔充气过程中容腔内空气的状态变化为等温过程遥根据第2讲内容袁容腔内空气状态变化可用如下公式表示[5]院dp2dt=R兹aVG=R兹aV籽ANRa渊pref-p2冤渊14冤由此可见袁容腔内的压力响应为一阶滞后系统袁其时间常数为T=Va籽ANRR兹渊15冤该系统的响应曲线如图14所示遥56HydraulicsPneumatics&Seals/No.1.2008图14减压阀的压力响应4增压阀的工作原理与特性4.1工作原理如图15所示袁增压阀由减压阀尧活塞尧驱动腔尧增压腔尧换向阀尧单向阀等构成遥从一次侧入口进入的压缩空气一部分不经过减压直接流入到增压腔A和B袁另一部分经过减压阀调压袁通过换向阀流入驱动腔B袁驱动腔B和增压腔A中的压缩空气驱动活塞左移袁压缩增压腔B中的空气袁增压腔B中的空气压力上升袁通过单向阀从二次侧出口流出遥活塞运动到行程终点时袁撞击换向阀的机械换向杆袁换向阀换向袁流经减压阀的输入气体切换流入驱动腔A袁此时驱动腔A和增压腔B中的压缩空气驱动活塞右移袁压缩增压腔A中的空气袁增压腔A中的空气压力上升袁通过单向阀从二次侧出口流出遥从而周而复始袁连续地输出高压空气遥通过设定驱动腔和增压腔中活塞的面积比袁可以设计不同增压比的增压阀遥通过调节一次侧入口后的减压阀袁可以间接地调节二次侧出口的压力遥图15增压阀的构造增压阀由于结构简单尧无需电源尧易于使用等特点袁在车间供气压力不能达到使用要求时袁一般都采用增压阀来增压遥尤其是对工厂进行节能改造袁需降低工厂气源压力时袁增压阀的作用就更为突出[6]遥但增压阀也存在不足袁一是换向阀