一种活塞式弹簧减压阀的调定误差分析

李少辉， 文小平， 樊 蕾， 陈 山， 陈振宇

(北京航天发射技术研究所， 北京 100076)

引言

活塞式弹簧减压阀是指采用机械弹簧作为气体调压加载元件，采用活塞作为气压敏感元件的一种减压阀。本研究的减压阀调定误差是指活塞式弹簧减压阀在操作人员停止调压动作时的出口压力和达到稳定后出口压力的差值。国内学者和机构针对减压阀动静压差(减压阀出口压力由动态切换到静态时的变化量)进行过相关试验和理论计算[1-5]，不覆盖本研究涉及的减压阀调定误差。

为了提升减压阀产品性能，对活塞式弹簧减压阀调定误差产生机理进行了理论分析，并研究了调定误差的主要影响因素，并通过试验验证了理论分析的正确性，为如何减小活塞式弹簧减压阀的调定误差提供了参考。

1 理论研究

1.1 工作原理

活塞式弹簧减压阀结构简图如图1所示，其调压原理如下：

1.调压弹簧 2.敏感活塞 3.阀座 4.手柄 5. O形圈 6.阀芯 7. 阀芯复位弹簧

不调压状态下，阀芯在入口压力、出口压力、调节弹簧力和敏感活塞复位弹簧力的综合作用下压紧阀座实现密封，减压阀出口压力保持稳定；

通过缓慢旋转调压手柄给调压弹簧施加压力，推动敏感活塞向下运动顶开阀芯，减压阀出口腔压力升高，同时需密切观察减压阀出口压力变化，直至出口压力达到要求值时停止旋转手柄。停止调压动作后，减压阀出口压力需要经过一定时间后达到稳定。

1.2 调定误差理论计算

1) 调压结束后的稳定状态受力分析

调压结束后阀芯受力分析见图2。

图2 静态阀芯受力

调压结束后阀芯受力平衡方程为：

(p1-p2s)As+Ktht-Kchc+p2sAm-FN=0

(1)

式中,p1—— 入口腔压力

p2s—— 调压结束后出口腔压力

As—— 阀座孔面积

Kt—— 阀芯复位弹簧刚度

ht—— 阀芯复位弹簧初始压缩量

Kc—— 调节弹簧刚度

hc—— 调节弹簧压缩量

Am—— 敏感活塞面积

FN—— 阀座对阀芯的反作用力

阀座与阀芯间的理论最小密封比压可由经验公式计算[6]：

(2)

式中，qmin—— 最小密封比压

C1,C2—— 经验常数

b—— 密封宽度

阀座对阀芯的反作用力为阀口密封件变形而产生的支反力，其计算公式为：

FN=Sπdsbqminsinα

(3)

式中，ds—— 阀座直径

S—— 密封系数，与阀座状况有关

α—— 阀芯圆锥面母线与中心线夹角

2) 调压过程受力分析

调压时，当出口压力达到要求值时，停止旋转手柄。此时，阀芯与阀座处于接触但未密封状态，此工况下阀芯受力分析见图3。

图3 调压阀芯受力

调压工况下阀芯受力平衡方程为：

(p1-p2d)As+Ktht-Kchc+p2dAm+Fμ=0

(4)

式中，p2d—— 出口压力

Fμ—— 敏感活塞O形圈摩擦力

敏感活塞O形圈摩擦力是活塞密封圈在润滑不良的情况下产生的静态摩擦力，其计算公式[7]为：

(5)

式中，D—— O形圈外径

d—— O形圈截面直径

f—— 摩擦系数

e—— O形圈压缩率

E—— O形圈材料弹性模量

μ—— O形圈材料泊松比

3) 调定误差计算

对比调压结束后的稳定状态和调压过程受力分析可知，当从调压过程转变为调压结束后的稳定状态时，敏感活塞O形圈不再受摩擦力，阀芯需要承受阀座对阀芯的密封反作用力FN，由于减压阀本身为一个闭环系统，这两个作用力需要反馈元件敏感活塞来平衡，造成调压结束后的出口腔压力p2s高于刚刚停止调压时的出口腔压力p2d，两者之间的差值即为调定误差Δp2g：

(6)

将式(2)、式(3)、式(5)代入式(6)可以得到调定误差Δp2g理论计算公式为：

(7)

2 影响调定误差的因素

影响调定误差的因素主要有进口压力、出口压力、阀芯圆锥面母线与中心线夹角、O形圈压缩率、敏感活塞面积等因素。以某活塞式弹簧减压阀为例，进行调定误差影响因素的计算分析。该活塞式弹簧减压阀设计入口压力3～25 MPa，设计出口压力0.2～2 MPa，敏感活塞上的O形圈材质选用丁腈橡胶，相关参数见表1，丁腈橡胶相关参数见文献[8]。

表1 减压阀部分参数

2.1 进出口压力

在相同的弹簧减压阀结构参数下，不同进出口压力对调定误差的影响见图4。

根据图4可知，调定误差随着出口压力的升高而增大，且随着进口压力的升高而增大。在减压阀设计和使用时，在保证出口压力满足要求的情况下，为减小调定误差，一般应尽量减小减压阀进口压力。

图4 进出口压力与调定误差的关系

2.2 阀芯圆锥面母线与中心线夹角的影响

以进口压力15 MPa为例，阀芯圆锥面母线与中心线夹角10°～60°对调定误差的影响见图5。

根据图5可知，在不同出口压力下，调定误差均随着阀芯圆锥面母线与中心线夹角的增大而增大，且增大的趋势逐渐减缓。在减压阀设计时，在结构允许的情况下，合理减小阀芯圆锥面母线与中心线夹角是一种有效的技术措施。

图5 阀芯圆锥面夹角与调定误差的关系

2.3 敏感活塞O形圈压缩率

敏感活塞O形圈压缩率直接影响到敏感活塞摩擦力的大小。在实际设计制造中，弹簧减压阀敏感活塞O形圈压缩率一般在6%～20%。以进口压力为15 MPa 时为例，敏感活塞O形圈压缩率对调定误差的影响见图6。

图6 敏感活塞O形圈压缩率与调定误差的关系

根据图6可知，在不同出口压力下，调定误差均随着敏感活塞O形圈压缩率的增大而增大。在减压阀设计时，在保证密封可靠的情况下，应尽量减小敏感活塞O形圈压缩率。

2.4 阀座孔面积

以进口压力15 MPa为例，阀座孔面积对调定误差的影响见图7。

根据图7可知，在不同出口压力下，调定误差均随着阀座孔面积的增大而增大，且增大的趋势逐渐减缓。在减压阀设计时，阀座孔面积影响减压阀最大流量。在保证流量的前提下，为减小调定误差，应尽量减小阀座孔面积。

图7 阀座孔面积与调定误差的关系

2.5 敏感活塞面积

保持阀座孔面积、O形圈直径、O形圈压缩率等参数不变，以进口压力15 MPa为例，敏感活塞面积对调定误差的影响见图8。

图8 敏感活塞面积与调定误差的关系

根据图8可知，在不同出口压力下，调定误差均随着敏感活塞面积的增大而增大，且增大的趋势逐渐减缓。在减压阀设计时，在结构允许的情况下，应尽量增大减压阀敏感活塞面积。

3 调定误差试验研究

3.1 试验结果

进行试验的减压阀共计4种，分别取名为减压阀A、减压阀B、减压阀C和减压阀D。减压阀A参数如表1所示，以减压阀A参数为基础，减压阀B设计参数主要变化为将敏感活塞面积减小为减压阀A的1/4；减压阀C设计参数主要变化为敏感活塞面积相比减压阀A增大90%；减压阀D设计参数主要变化为敏感活塞面积相比减压阀A增大90%，同时阀芯圆锥面母线与中心线夹角由20°增大为45°。试验中减压阀进口压力为额定15 MPa，出口压力为额定1 MPa，每种减压阀在额定工况下进行3次试验，调定误差取3次试验的平均值，试验结果以及计算结果见表2。

表2 调定误差试验计算结果

从表2可以看出，4种不同结构减压阀在额定工况下的调定误差实测值均与计算值基本一致。

3.2 偏差分析

根据表2可知，4种减压阀在额定工况下的调定误差计算值与试验值误差均小于10%，计算精度较高，可用于指导减压阀设计和工程实践。

调定误差计算值和试验值之间的偏差来源有以下几个方面：

(1) 对敏感活塞O形圈摩擦力计算进行了一定程度地简化。实际状态O形圈摩擦力不仅与压缩率和工作压力有关，还与O形圈往复运动速度、润滑效果、迟滞特性等因素有关[9-12]；

(2) 计算公式中经验常数、密封系数的选择与实际情况存在一定误差；

(3) 试验过程中压力波动、仪器仪表误差等外在因素会对试验结果造成一定偏差。

4 结论

通过理论推导研究了活塞式弹簧减压阀调定误差的计算方法，分析了影响调定误差的因素，并通过试验验证了计算公式的准确性。

调定误差理论计算及影响因素分析结果表明，为减小活塞式弹簧减压阀的调定误差，应减小敏感活塞摩擦力，同时应合理设置阀芯密封角度、敏感活塞面积及阀座孔面积。

本研究得到的弹簧减压阀调定误差计算分析方法可为减压阀设计和工程应用提供技术参考。