气动精密减压阀开发现状及研究方法探讨.pdf

Hy d r a u l i c s P n e u ma t i c s＆ S e a l s ／ No ． 0 8 ． 2 0 1 3 气动精密减压阀开发现状及研究方法探讨 余方 方 ． 路 波 1 ． 奉化市质量技术监督检测 中心 ， 浙江 奉化3 1 5 5 0 0 ； 2 ． 国家气动产品质量监督检验 中心 ， 浙江 奉化3 1 5 5 0 0 摘要 简要介绍了精 密减 压阀的开发现状及研究方向。阐述 了减压 阀的基本特性和国内外的重 点产 品及关键技术 ， 继而提出精密减压 阀在精度 、 灵敏性 、 稳定性和材料等方 面的改进需求 ， 最后对精密减压 阀的通用研究方 法进行 了探讨 。 关键词 精密减压 阀 ； 气动技术 ； 开发 ； 研究方 向 中 图分类号 T H1 3 8 文献标识码 A 文章编号 1 0 0 8 0 8 1 3 2 0 1 3 0 8 0 0 0 1 0 3 De v e l o p m e n t S t a t u s a n d S t ud y M e t h o d s o f P r e c i s i o n P ne u ma t i c Pr e s s ur e Re d u c i n g Va l v e s Y U F a n g - f a n g a ， L U B e 1 ． F e n g h u a Q u a l i t y S u p e r v i s i o n a n d I n s p e c t i o n C e n t e r ， F e n g h H a 3 1 5 5 0 0 ， C h i n a ； 2 ．N a t i o n a l Q u a l i t y S u p e r v i s io n a n d I n s p e c t i o n C e n t e r o f P n e u m a t i c P r o d u c t s ， F e n g h u a 3 1 5 5 0 0 ， C h i n a Ab s t r a c t De v e l o p me n t s t a t u s a n d r e s e a r c h d i r e c t i o n o f p r e c i s i o n p res s u r e r e d u c i n g v a l v e s a r e b ri e fl y i n t r o d u c e d ． T h e b a s i c c h a r a c t e r i s t i c s ，d o me s t i c a n d f o r e i g n p r o d u c t s a n d k e y t e c h n o l o g i e s o f t h e p r e s s u r e r e d u c i n g v alv e a r e d i s c u s s e d ．An d t h e n i t i s p o i n t e d o u t tha t i t i s v e r y i mp o r t a n t t o ma k e i mp r o v e me n t s i n a c c u r a c y ，s e n s i ti v i t y ， s t a b i l i t y ，ma t e r i a l n e e d s a n d S O o n ．F i n a l l y ，g e n e r al r e s e a r c h me t h o d s a r e d i s c u s s e d ． Ke y wo r d s p r e c i s i o n p r e s s u r e r e d u c i n g v a l v e s ； p n e u ma t i c t e c h n o l o g y； d e v e l o p me n t ； r e s e a r c h d i r e c ti o n 0 概述 全可靠。 通常气动系统构成如图1 所示。 近 3 0年 间 ． 气动技术迅猛 发展 。 在传统液压技术 占主导的产业 中气动元件应用 比例在迅速扩大 ．特别 是在发达国家 ．气动和液压技术的应用 比例 已有平分 天下之势 。减压阀作为气动元件三大件之一 ， 在现今社 会 自动化生产领域已得到广泛使用 ． 其中在汽车 、 航天 航空 、 电子 、 医药 、 机械加工 、 纺织等应用尤为突出。在 国际上 ， 美 、 欧 、 日企业 的产品 占主导地位 ， 日本 S MC 、 德国 F e s t o 、 英 国 N o r g R e n 、 美国 P a r k e r 等企业生产 和设 计的精密减压阀拥有众多专利 。 其产品寿命长 、 特性精 良。 而我国企业现 阶段停 留在模仿改造先进产品层 面 ． 多数企业研发能力低下 、 创新能力薄弱、 加工工艺落后 【 l 】 。为此本文对精密减压阀的研究现状进行概述并对研 究方法进行初步探讨 1 精密减压阀的概述 气动技术 是以压缩空气为介质来传动和控制机械 结构 的一门技术 ， 它的优点是节能、 无污染、 成本低 、 安 收稿 日期 2 0 1 3 一 o 4 1 6 作者简介 余方 方 1 9 8 0 - ， 男 ， 浙江余姚人 ， 工程师 ， 本科 ， 主要研究 方向为 仪器仪表控制及产品检测相关。 气源 空气l I气动三大件I l 控制元件 l l 执行元件 压缩装 置、 H 过 滤器、减 压H 气体流 量和 H 传动和 净化 装置 l l 阀、 油雾器l l 方向 控制 l l 机械控制 图 1气 动 系 统 构成 简 图 减压 阀的作用是将从气源输送的高压气体调节为 气动系统所需要的稳定压力的气源 一个气动系统性 能是否稳定 ． 减压阀的性能起着关键作用 。随着工业 自 动化的高速发展 ．加上对高精度控制或测量系统的需 求 ． 气路 中使用的减压 阀的精度也在不断提高 。 精密减 压阀的研究和应用势必适应现代化生产的要求。 减压 阀将气路 的压力减 压并稳定到一个定值 ． 输 出压力不受气体流量变动和气源压力波动影响。气路 中一般常见的减压 阀是控制 阀体 内的启 闭件的开度来 调节介质 的流量 ， 降低介质的压力 ． 阀后压力 的作用调 节启闭件的开度。 使阀后压力保持在控制范围内。 输入 压力不断变化的情况下．保持出口压力在设定范围内 不变 精密减压 阀在普通减压阀的基础上提升压力控 制精度和范围并减小波动度 。减压 阀按构造可分为膜 片型和活塞型 。 按压力调节方式分 ， 有直动式和先导式 两大类 ， 根据调节精度分普通型和精密型 。 液 压 气 动 与 密 封／ 2 0 1 3年 第 0 8期 2 国内外研究现状 和发展 趋势 国外在减压阀研究方面 ．日本 S MC公司的直动式 精 密 减 压 阔 A R P 2 0 0 0系 列 阀 的 低 压 设 定 达 到 0 ． 0 0 5 MP a ．其构造为常泄孔型 I R1 0 0 0 ～ 3 0 0 0系列精密 减压阀的设定灵敏度为满量程 0 ． 2 ％．重复精度为满量 程 0 ． 5 ％ V E X系列 阀是一 种大流 量排气 型精 密减 压 阀． 灵敏度为满量程 0 ． 2 ％ 最初这种阀是为了克服一般 减压 阀排气阻尼大 ．定压所需时间长的缺点而开发设 计 的。这种 阀通过控制腔调压活塞上 、下腔的设定压 外控 与被控压 反馈 的相互作用 ， 控制下部进 、 排气 平板阀的开闭。 以实现大容量进 、 排气 。这种 阀具有足 够大的进、 排气有效面积 。 因此定压速度快 、 重复性好 。 目前 比较常用 的精密减压 阀还有德 国 F e s t o公 司 的 L R P ／ L R P S系列 ．该系列产品通过膜片式先导控制 ， 改善精密减压阀的压力特性和流量特性 ．内部采用平 衡式进气 阀芯结构形式 ．由主阀芯来调节输入 的工作 压力 ， 即进气阀芯上部与下部沟通 ． 都受输 出压力 的作 用 ． 输人压力的波动将不影响输出压力 ． 同时减小 弹簧 刚度 ． 加大膜片的有效面积改善流量特性 ． 流量压力特 性曲线中的压力迟滞不大于 0 ． 0 0 2 M P a 英 国诺冠公司的 R 2 7系列高精度手动调节 阀 ． 利 用控制腔代替传统弹簧来调节输出压力 ． 从而消除弹簧 带 来 的 滞 后 性 ，灵 敏 度 可 达 0 ． 0 0 0 0 3 MP a 。 美 国 N u ma t i c s R 8系列精密减压 阀是 目前市场上所达到精 密度最高的一款产品． 调压精度可达满量程 的 O ． 1 ％． 其 内部采用大功率机械伺服放大器 ．在设定的压力控制 下 ． 流量 O ～ 2 0 ． 1 6 m3 ／ h保持恒定。日本 C K D公司 R P 2 0 0 0 系列 ， 高性能、 寿命长 、 流量大特点 ， 以喷嘴挡板 的先导 压力控制 ． 低压设定 0 ．0 0 3 MP a ， 可动部分的橡胶材料采 用抗老化耐臭氧材料 ． 美国康气通公司型号 1 0 0多级压 力精密减压阀同时可以分三支气路进行调压。 英国利物浦大学的 A． A mi n i 和 I ． O w e n通过改进 阀 芯和阀座的设计 ．将 阀芯设计成不 同角度 的锥形或 阶 梯形 ．使得 阀开 口与阀位移基本成线性关系可以较好 地控制 阀开 口．而且阀芯物理结构 的改变提高减压 阀 的密封性也减小阀的噪声和机械振动圆 国内 2 0世纪 8 0年代末 ．无锡气动技术研究所 和 上海气动元件厂联合研制 了精密减压阀 ．该减压阀采 用喷嘴挡板原理及 内部先导等结构 ． 最大输出压 O ． 0 5 0． 6 3 M P a 【 5 J 。 近些年 ． 随着 国内气动技术生产技术 的迅速发展 ， 国内生产 的精密减压阀大幅度提高精密度 ．如 台州创 导科学仪器公 司研发的 肿 一 1精密减压阀 。采用不锈 钢膜片 ， 输 出压力变化 0 ． 1 k P a ， 在一定输 入压力下 ． 调 2 节螺杆压缩主弹簧 ．产生 的压力作用在膜片上从而打 开喷 口． 流通 的气体在膜片下室形成平衡膜 片的压力 ， 即为输 出控制的压力参数 ． 此类阀结构较为简单 ， 但对 材料选择和使用要求较高。浙江三方生产的 Z Z J P型精 密减压 阀， 压力特性及 流量特性精度 为 1 ％． 为保证达 到指定精度要求调压使用范围为上限值 的 3 0 ％～ 8 0 ％。 哈尔滨工业 大学机 电工程学院通过对某公司生产 的某 系列 的精密减压 阀进行动态仿真 和实验后发现 减压 阀的稳定性表现是减压阀各个参数综合作用 的结 果 ．尤其 以阀腔容积为代表 的容性参数和 以阀腔间节 流为代表 的阻性参数对减压 阀的稳定性和响应时间影 响为大 。考虑到气动元件小型化 的发展趋势 。 用阻性参 数来调整 阀的动态特性更合适 。在工艺上也更容易实 现 通过用调节阀进 口腔到中间腔节流面积 的方法来 调节阀的动态特性 华中科技大学研究减压阀时将气体在压力控制阀中 流动过程用热力学模型分析， 利用能量、 流体和动力学平 衡方程 ． 研究出高压装置内置减压阀， 该阀采用膜片式结 构 ， 采用大挠度橡胶膜片面积较大 ， 压力控制精度高 ， 壳 体与阀芯开模精度高 ， 阀芯运动阻尼小反应灵敏网 。 国内精密减压阀采用薄膜式结构多 ．中国矿业大 学研究人员提出了智能化薄膜减压阀 ．在 阀内安装测 压传感器 ， 数据处理模块及机械辅助系统 。 具有实时监 控作用同 。 通过 阀芯的形状 的改变来提高减压 阀的性能和精 度 。 某汽车车载氢能源减压阀 。 其 阀芯采用 了锥形 ， 这 种结构的阀通过研究人员发现可以很好解决 阀开 口量 的控制 。 阀后输 出压力通过弹簧刚度 、 预压缩量 、 阀通 直径等参数精准计算获取 。 通过调查发现 ． 国内对精密减压阀研究的众多 。 但 是国内较为成熟 的精密减压 阀产品不论从量上还是质 上 ， 与国外产 品存在较大差距 。 某些 产品虽然达到一定 精度等级 ． 但 限制了使用范 围． 必须在某一范 围才能达 到指定的精度 国内的研究技术停 留在试制阶段多 ， 应 用在企业量产的少。 3 精密减压阀特性及研究方法 精密减压阀和普通减压阀一样 ．其研究涉及的性 能参数通常有以下几个 ， 即 调压范围 、 压力特性 、 流量 特性、 溢流特性、 灵敏度和重复精度等。在这几个性能 参数当中 ， 调压范围限制了压力调节的量程 ， 可根据 阀 的设计范围选取 压力特性和流量特性是减压 阀最基 本 的两个性能评价指标 ， 压力特性表示流量为定值时 。 由于输入压力 的波动而引起输 出压力 的波动的特性 。 输 出压力波动越小 ， 减压阀的压力特性越好。从理论上 下转第 7 8页 液 压 气 动 与 密 封 ／ 2 01 3年 第 0 8期 装放入酸洗槽 1 0的中部 。之后将耐酸泵 2出 13处的管 路与快速接头 3连接好 。 这时启动 电动机 1 ， 使酸洗液 经过被酸洗管 6的内外表面而流动 达到预先设置的时 间后 ． 电控系统 自动进行声音提示 ， 使电机 1 停转 ， 将耐 酸泵 2出口处的管路从快速接头 3处断开 ． 之后将支架 总成连同被酸洗管 吊出。 3 结论 本文设计的酸洗装置 ． 由于采用酸液输送泵实现清 洗液 的循环流动 ， 可有效提高酸液浓度的均匀性 ． 从而 有效提高了清洗效率和清洗质量 由于在酸洗槽里加设 了能基本覆盖整个液面的一定数量 的耐酸塑料球 ． 极大 减小酸液挥发对环境的污染 由于在酸洗槽 内装设 的加 热器通过封闭循环的蒸汽实施加热 ． 避免了直接将蒸汽 通人酸洗液中所引起的酸雾污染 ； 另外 ， 由于加装 了可 根据被处理液压管件控制清洗时间 ． 可避免出现酸洗过 度或 不 足 的问题 参考 文 献 [ 1 】 范天锦 ， 陈国安 ， 孙 兆松． 一种高效节 能环保液压管件 酸洗装 置『 P ] ． 中国专利 2 0 1 1 1 0 1 9 1 6 0 7 ． 9 ． 上接第 2页 讲 ， 输入压力变化时 ， 输 出压力应保持不变 。流量特性 是指输入压力为定值 时．输出压力随输 出流量变化 的 特性 。流量特性主要看当输出流量有变化时 ． 所调定 的 输出压力是否在允许的范围 内变化 。灵敏度是精密减 压 阀区别于普通减压 阀的最直观和本质 的性能参数 ． 是评价精密减压 阀好坏的最重要指标之一 国 内企业研发人员在开发精密减压 阀产 品时 ． 通 常参照某一种或几种同类型 的精密减压阀产 品．这就 要求技术人员首 先应掌握阀的基本原理 ．剖析透彻现 有精密减压 阀之所 以采用各种结构 、 工艺 、 材料等的深 层次原 因．在此基础上开发适合 自身企业的减压 阀产 品 ， 从 而探索更进一步的创新和改造 。因此 。 建议精密 减压阀改进设计时重点考虑以下问题 1 首要提高精度和灵敏度 。其输出压力调节精度 要求高 ， 所 以为保持压力恒定 ， 需考虑结构 、 材料等各 种因素 的影响 ．通过平衡受力分析可知有效受压面积 越大 ， 阀 口面积越小 ， 调压特性越好 ， 一般可 以增大膜 片有效面积保证精度 ． 同时改善弹簧刚度和回弹性 ． 均 能获得较好的调压效果 2 防止减压阀发生振动现象。在精密减压阀使用 或开发过程中 ． 通常很容易产生振动现象并伴 随噪声。 振动通 常有阀体整体振动和阀芯振动 ． 因此 ． 在提升精 度和稳定性时 ．应考虑膜片直径大小与气体阻尼或负 载阻尼的适应性 。采用大直径膜 片、 运动件容易超调 。 阀体内出现热动能交替转换，若无足够 的负载阻尼 ． 阀 体也会产生振动和噪声 。 3 材料 和工艺改进 ， 需 选取减 压 阀零 件 的材 料 如铝合金 、 锌合金 、 钢结构 、 塑料等 和合适的加工工 艺 压铸 、 冷冲等 ， 在符合环保要求的 同时 ， 确保零 件 的加工要求和装配质量 。 对精密减压阀开发。 国内外通常采用以下研究方法 以机械学、 气体热力学、 流体传动、 流体力学、 建模仿 真技术等多学科交叉为基础 ， 将理论分析、 数值仿真和实 7 8 验验证相结合来开展精密减压阀的特性研究。 首先． 建立 精密减压阀完整的数学模型。 建立阀13流量方程、 气体状 态方程、 连续性方程、 主阀芯力平衡方程和导阀可变节流 可动部件力平衡方程等， 分析阀腔容积 、 阀腔间节流、 阀 芯质量、 压力敏感元件的结构和材料、 阀口的型式等对减 压阀稳定性的影响； 分析膜片的受压面积、 弹簧的刚度等 对减压阀精度的影响，探求各参数对压力精度和稳定性 的影响规律。然后根据理论模型的仿真分析结果修正设 计， 开发稳定的、 压力恒定的精密减压阀。最后对精密减 压阀开展各种动态特性测试试验 ， 诸如压力特性测试 、 流 量特性测试 、 溢流特性测试和可调节压力范围。 对新开发 的精密减压阀的性能进行评估 ．并将结果反馈到阀的研 制工作中。对理论模型、 阀结构和控制参数进行改善， 总 结出一套精密减压阀的设计与测试方法 4 结束语 本文简要介绍了精密减压 阀的结构特点 ．详 细阐 述了国内外公 司和科研 院所开发精密减压 阀的研究现 状 和重点产 品。 介绍 了其几个关键特性参数 ． 继而提出 精密减压阀在设计 时应考虑精度 、 灵敏性 、 稳定性和材 料等方面的改进要求 ．并探讨 了减压阀研究时通常采 用 的研究 方法 。 参 考 文 献 【 1 ]1 S MC 国 有限公司． 现代实用气动技术[ M 】 ． 北京 机械工业 出版社． 2 0 0 8 ． [ 2 】 A MI N I A， O WE N I ． A P r a c t i c a l S o l u t i o n t o t h e P r o b l e m o f N N o i s e a n d V i b r a t i o n i n a P r e s s u r e - R e d u c i n g V a l v e [ J ] ． E x p e ri me n t al T h e r m al a n d F l u i d ， 1 9 9 5 ， 1 1 3 6 - 1 4 1 ． [ 3 ] 李玉华． 精密减压阀的研制[ J ] ． 液压与气动， 1 9 9 0 ， 2 2 1 2 3 ． [ 4 ] 王祖温， 包钢， 王建宇． 精密减压阀振动现象的仿真分析[ J ] ． 机 床与液压， 2 0 0 1 ， 2 3 4 3 5 ． 『 5 1 李宝仁， 杨钢， 杜经 民． 高压 随动 压力控制 阀动态性 能 的仿 真 研究【 J 】 ． 华中理工大学学报， 1 9 9 8 ， 7 2 4 2 6 ． [ 6 ] 梁春成． 智能化薄膜减压阀的研究[ J ] ． 阀门， 2 0 0 1 ， 4 2 5 2 6 ．