浅谈几种新型气体减压阀结构设计及性能

杨亚青，陈正立

河南航天压力元件有限公司，河南新郑 451191

减压阀是通过手动或电动调节，将进口压力减到系统需要的出口压力，并利用阀门本身弹性元件及流体介质本身的能量，使阀门的出口压力不随进口压力及流量化而变化，自动保持某一相对稳定值的阀门。从流体力学的观点看，减压阀是依靠手动或电动机构的调节，使阀门局部阻力变化的节流元件，通过改变阀座部位的节流面积，使介质质点的流速及动能发生改变，造成不同的压降，从而达到并保持出口侧不同的压力。

简而言之，减压阀的工作原理是节流，气体流经活门与活门座之间的缝隙时，产生压降，达到减压的目的。压力减小原理可以从以下两个方面来说：

1）活门与活门座之间的缝隙相对而言面积较小，气体流经的流速较快。这是根据连续方程式（根据质量守恒定律：通过流管任意截面的气体质量流量都相等）：

ρ1ν1A1=ρ2ν2A2

ρ为气体的密度；

ν为气体的流速；

A为流管的截面。

在气动装置中，气体的流速一般较低，远小于音速（340m/s），且经过压缩，一般认为是不可压缩流体。即ρ1 =ρ2。

那么，V1A1=V2A2，当A1＞A2时，ν2＞ν1。

结论：流管的截面小，气体的流速就高。

在自然界，我们看到在山谷中或城市高楼间风速远比平地上大（或穿堂风）

根据伯努利方程：

P /ρg＋z＋ν2/2g=常数

z为流体中任意一点的位置高度；

P为该点上的压力；

ρ为流体的密度；

ν为该点上的流体的流速；

g为重力加速度。

将上式改为 P ＋ρg z＋ρν2/2=常数

P为流体的压力能；

ρg z为流体的位能；

ρν2/2为流体的动能；

这也称为能量守恒方程式。

对同一流体来而言：

P1 ＋ρg z1＋ρν12/2= P2 ＋ρg z2＋ρν22/2

在减压阀中，由于行程很短，忽略摩擦阻力和位置高度的影响，则有：

结论：气体的流速高处压力低，流速低处压力高。

那么气体流经活门与活门座之间的缝隙时，流速增加，相应压力就减小。

2）当气体流经突然扩大或缩小的截面、弯头、阻碍物或阀门等处，由于流速的大小和方向改变产生流体质点撞击和涡旋而引起能量损失。由于这个区域是不稳定的，除区域质点撞击磨擦消耗能量外，流动时不断有新质点进入该区域，也不断有质点被带走，这种质量交换过程中也要发生撞击磨擦等而消耗能量。流动状态复杂，有湍流，有涡流，很难进行理论计算，一般都依靠实验测得各类系数。综上所述，我们可以基本了解减压阀的减压原理。

当进口压力减小时，流经活门与活门座之间缝隙的气体压力也减小，出口腔的压力也减小，作用在活塞上的力也减小，破坏了原有力的平衡。弹簧往下压活塞进而压活门，使活门开度增大，压降减小，流经活门与活门座之间缝隙的气体增多，压力也就上升，作用在活塞上抵消弹簧力而达到一个新的平衡。当入口压力增大时，那么，流经活门与活门座之间缝隙的气体压力也增大，出口腔的压力也增大，作用在活塞上的力也增大，破坏了原有力的平衡。往上顶活塞进而使活门开度减小，流经活门与活门座之间缝隙的气体减小，压降增加，出口压力也就相应减小，活塞回复而达到一个新的力平衡。一般在系统中，同由于系统所需的力是恒定的，因此减压阀的弹性元件（弹簧）的行程是调定的。阀门出口腔的压力必需与弹性元件力形成不断的动平衡，才能实现阀的出口压力基本不随进口压力的变化而变化。当减压阀的进口压力及流量变动时，阀门弹簧力与其出口腔的压力平衡，才能保持出口侧的压力基本不变，这是一个动平衡形成的过程。因为阀门的各零（部）件（如弹簧、活塞、活门等）都有一定的质量，在移动中与阀体或一些其它零件存在者磨擦，因此形成新的动平衡是一个复杂的过程，不是瞬间完成的。

河南航天压力元件有限公司的减压阀按其基本结构大致可分为气控活塞式、新型活塞式、气控膜片式、新型膜片式。

1）气控活塞式减压阀是通过过活塞控制气腔内气体压力传递的，通过调节控制气腔内气体压力来使活门与阀座形成的节流面积发生变化，使流量和压降随之变化，从而使出口压力基本恒定。该减压阀具有出口压力稳定、流量大、动静压差小等特点。如果减压阀进出口压差变化大，工作流量要求较大时，选用带平衡腔结构的气控活塞式减压阀是比较好的选择；

2）新型活塞式 通过弹簧来调定出口压力，弹簧力的传递通过活塞结构来实现的。由于我厂设计的新型活塞式减压阀增加了复合弹簧，同时设计了平衡腔结构，增设了自泄压结构。设计复合弥补了单一主弹簧力输出压力不稳定的缺陷，提高了出口端静压复位的重复性，使阀门在大流量供气情况下保持出口端的稳定性；平衡腔的设计保证主活门上产生的密封力在进出口气体压力的压差变化时保持恒定，由于密封力一定，从而使主活门的密封更可靠；自泄压结构的设计能在由于某些特殊因素影响导致出口气体升高时，通过自泄压结构将超压气体自动排气降压，消除由于超压带来的潜在危险；

3）气控膜片式减压阀控制气腔内气体压力的传递是通过膜片来实现。膜片的特点是刚度小、灵敏度好、有效面积大、质量小，因此该类阀门出口压力控制精度高、压力稳定、流量大、动静压差小等特点。

该类气控膜片式减压阀，出口压力控制精度高、压力稳定、流量大、动静压差小等特点；

4）新型膜片式通过弹簧来调定出口压力，弹簧力的传递通过膜片来实现。由于膜片对压力变化的灵敏度高于活塞对压力变化的灵敏度，因此弹簧膜片式气体减压阀性能优于弹簧活塞式气体减压阀，满足了要求较高的气路系统的使用。

[1]陆培文.实用阀门设计手册[M].北京：机械工业出版社，2007.

[2]洪勉成，陆培文，高凤琴.阀门设计计算手册[M].中国标准出版社，1994.

[3]路甬祥.液压气动技术手册[M].北京：机械工业出版社，2002.