超高压气动减压阀的研究.pdf

超高压气动减压阀的研究 广州市理工学校510380 刘祖前 摘要本文介绍了超高压气动减压阀的工作原理、主要的结构设计计算和试验情况,并分析了该阀的结构特点。 关键词超高压气动减压阀 活门座 设计 1 前言 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。 2 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。 图1 结构工作原理图 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 A 2- 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, A1π d 12- d012 / 4, A2π d 2 -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 。 3 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。 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] Aa1.4603V/ KRTt1 p 2/ p1-p20/ p1 2 式中V 充气总容积; K 比热比,绝热充气时,K 114; T 空气的温度,标准 空 气 的 温 度T 293115K; t1 充气时间; R 气体常数,R 28711Nm/ 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。 ∵A1Aa ∴ 根据结构见图1和图2 ,进气孔直径 d1≥4Aa/π d0123 按等面积原理,进气阀门与阀门座的轴向距离 开度 26机床与液压 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved. h1≥ d 12- d012 / 4d14 放气通道有效面积按下式计算 Ab713016 V RTt2 p20 pa ∀ 2〔pa p2 ∀ 2 - pa p20 ∀ 2 〕5 式中t2 排气时间; p20 气缸内排气初始压力; pa 外界压力。 其它符号意义同式3。 放气孔直径见图1和图 2 d2≥4Ab/π d0226 放气阀门与阀门座的轴向距离开度 h2≥ d 2 2 -d022 / 4 d 7 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 d 4〔Fmax-Fsmax-Ffmax- A1 p 1- p2max〕 / πp2max d022 8 式中Fmax 给定的最大操纵力。 在满足操纵力值的前提下,排气阀门座直径尽可 能取大值。 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 013～015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014μm 图2中b为支承面。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 h29 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。 4 试验 为检验阀的性能,设计试验系统原理图如图3所示。 a b 图2 阀门座型面结构图3 试验系统原理图 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。 图4 p2与F的关系图5 充、排气特性 参考文献 1 [苏] N1N智维列夫, C1C科柯宁著,邓启明等译校 1 航 空机轮和刹车系统设计 1 北京国防工业出版社, 1980 2 徐文灿 1 按国际标准草案计算充排气特性 1 液压与气动, 1985 4 3 第一机械工业部机床研究所,上海工业大学 1 机械工程手 册第36篇气压传动 1 北京机械工业出版社, 1979 来稿时间 1998年8月26日 361999年第3期 1994-2007 China Academic Journal Electronic Publishing House. All rights reserved.