【文章內(nèi)容簡介】 和氣腔控制膜片式減壓閥；按多級減壓室的組裝方式可分為正壓進(jìn)氣減壓閥和負(fù)壓進(jìn)氣減壓閥；按減壓方式可分為杠桿式減壓閥和正負(fù)式彈簧減壓閥；按 是否用電動控制可分為機(jī)電控制式減壓閥和機(jī)械控制式減壓閥。 方案選擇 方案一及其優(yōu)缺點 根據(jù)以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，中壓截止，負(fù)壓進(jìn)氣，機(jī)械啟動式。一級減壓方式為杠桿減壓，二級減壓方式為正負(fù)彈簧減壓。 本方案的工作原理方框圖如下： 本方案的優(yōu)點是結(jié)構(gòu)緊湊，簡單，鑄造容易，高度小，體積小，零部件少。其缺點是不太安全，如果一級閥室損壞，高壓天然氣會從安全閥中排泄到大氣中，污染環(huán)境，如果不關(guān)閉手動截止閥， 左右的天然氣長期作用在一、二級閥室，使閥室的彈簧、橡膠 的使用壽命下降，而且正負(fù)壓彈簧減壓精度難以控制，需要較高的技術(shù)，因此可靠性較差。本方案還有一個缺點就是起動不方便，起動時需要用人工調(diào)節(jié)怠速旋鈕。 方案二及其優(yōu)缺點 根據(jù)以上分析，采用三級減壓，本方案擬采用三級減壓，高壓截止，負(fù)壓進(jìn)西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 10 氣，一、二、三級減壓方式都是采用杠桿減壓，機(jī)動起動，組合式。 本方案的工作原理方框圖如下： 此方案的優(yōu)點是容易控制，精度高，起動容易，安全。其缺點是鑄造難度大，體積大，零部件多，費用較高。 設(shè)計方案的選擇 經(jīng)過對方案一和方案二的研究，本設(shè)計選擇方案二， 因為采用方案二可使減壓閥操作簡單，方便，而且，這種方案更加安全。但是在設(shè)計中，應(yīng)該盡量降低鑄造的難度，減少零部件的數(shù)量。 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計 11 3 總體方案設(shè)計 一級減壓閥的設(shè)計 一級減壓閥的工作原理 一級減壓閥為常開式減壓閥，主要由閥座、閥芯、杠桿、膜片、彈簧、減壓室等部分組成。該減壓閥在未通入氣體時，閥芯與閥口保持一定的間隙，通入高壓氣體時，隨著閥室壓力的升高，氣體作用在膜片下方并克服膜片上方彈簧的壓力使膜片及其芯子產(chǎn)生向上的動作，從而帶動杠桿轉(zhuǎn)動，使閥口關(guān)閉。當(dāng)減壓室的氣體向二 級減壓閥輸出后，壓力降低，膜片及其芯子下移，閥口打開，使高壓氣體再次進(jìn)入一級閥室，如此反復(fù)，使減壓閥在保證流量的基礎(chǔ)上，出口壓力穩(wěn)定在一定的范圍內(nèi)。該減壓閥的壓力彈簧為不可調(diào)節(jié)式彈簧，如果要調(diào)節(jié)出口壓力和流量，可調(diào)節(jié)杠桿上的調(diào)節(jié)螺釘或更換壓力彈簧。 一級減壓閥閥室的設(shè)計 為了密封的嚴(yán)密性，閥室的壁厚初選 5mm，由于初始?xì)怏w壓強(qiáng)在 220MPa之間變化，氣體對閥芯的沖擊力在幾十牛頓至幾百牛頓之間變化，因此，閥室的內(nèi)徑不能取得太小，但是也沒有必要取得太大，參考現(xiàn)有減壓閥，初選 64mm。閥室的容積與閥 室的高度有關(guān)，容積的大小，與氣體變化快慢程度相關(guān)，因此，也要取得適當(dāng)，再參照已有減壓閥，初選 27mm。 因為殼體及蓋板的實驗應(yīng)力為 +，因此，對一級閥室的強(qiáng)度進(jìn)行如下校核： 5d 1 02hb h?? ?? ? ?? ??一 級 一 級 一 級一 級 一 級 （ 31） 式中， ?一 級 =5mm， d一 級 =64mm， h一 級 =27mm 則 5665 1 0 2 7 6 4 1 02 5 2 7 1 0b???? ? ? ?? ? ? ?=32? 510 N/m2= b? ? ??? = N/mm2 所以，閥室的強(qiáng)度滿足要求。 一級減壓閥杠桿、彈簧與閥口的設(shè)計 在設(shè)計閥口時，閥口不能取得太大，但也不能太小。閥口太大，流量難以控制，閥口太小，氣體壓強(qiáng)受到影響，因此，在參考了現(xiàn)有減壓閥的設(shè)計之后，一西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 12 級閥口的內(nèi)徑初選 ，外徑初選 ，杠桿的長度初選 36mm，高度初選。閥芯的最大行程初選 177。 ，膜片到一級閥蓋下壁的距離 初選25mm，上壓板直徑初選 40mm，厚度初選 3mm，則彈簧初始壓縮后的長度初選為 22mm。 因為該閥的最大流量可達(dá) 40m3/h，當(dāng)氣體初始壓強(qiáng)為 220MPa 時，閥口的實際開度并不等于 177。 ，只有當(dāng)氣體壓強(qiáng)小于 1MPa 時，閥口開度才能達(dá)到177。 ，此時，一級閥室的壓強(qiáng)不能保持在原定范圍，但其流量可達(dá) 40m3/h。 天然氣縫隙減壓的壓降與流量 q 的關(guān)系與其粘度有關(guān)，天然氣粘度在不同壓強(qiáng)狀態(tài)下的值是不同的，下面對天然氣在高壓狀況下的粘度進(jìn)行計算（因為天然氣的主要成份是甲烷，甲烷的含量可高達(dá) 98％ ，故在計算過程中，將天然氣的物理性質(zhì)以甲烷為準(zhǔn)）。 根據(jù)《烴類物理化學(xué)數(shù)據(jù)手冊》 [8]22 頁，關(guān)于高壓下氣體粘度的計算， 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計 13 根 據(jù)《 機(jī) 械 設(shè) 計 手冊 》 [13] 75 頁，表 彈 簧 常 用 材料 （ 摘 自GB/）彈簧材料選擇閥門用油淬火回火碳素彈簧鋼絲（ GB4359）牌號為 65Mn，這類材料的性能是強(qiáng)度高，性能好，用于內(nèi)燃機(jī)閥門彈簧或類似用途彈簧，直徑 ，而本設(shè)計的彈簧絲直徑 d=，滿足要求；推薦溫度范圍為 40150℃， 而本設(shè)計的 減壓閥要求在 585℃ ，符合推薦溫度范圍。根據(jù)表 b? （摘自 GB/） 直徑為 的由該材料制成的彈簧的 b? =1422MPa，由 710 頁的計算公式可得： 旋繞比 C=dD = =，滿足 4C10 的要求； 曲度系數(shù) K= CCC 14 ??? (39) K= ??? ?? =+ = 由公式 pdKCFdKD F ???? ??? 23 88 式中， F= 12 PP? =454160=294N 則 , 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 14 M PadK C F)(8232??????????? 再由 78 頁表 彈簧的許用應(yīng)力（摘自 GB/）可知，由淬火回火鋼絲制成的壓縮彈 Ⅰ 類（指受變載荷作用次數(shù)在 106 以上的彈簧）的許用切應(yīng)力 p? 為（ — ） b? ，為了安全，取最小值 p? = b? 則 , p? = b? = 1422 = 因此， p? ?? =，滿足強(qiáng)度要求，此設(shè)計合理。 二級減壓閥的設(shè)計 二級減壓閥的工作原理 二級減壓閥的工作原理與一級減壓閥的工作原理基本一致，也屬于常開式減壓閥，利用縫隙進(jìn)行減壓，但也有一定的不同的地方，二級減壓閥的壓力彈簧是鈕簧，可調(diào)節(jié)，而杠桿是不可調(diào)節(jié)的，閥芯可實現(xiàn)微調(diào)。 二級減壓閥閥室及蓋板 、杠桿、上檔板的設(shè)計 二級閥室設(shè)計在殼體的背面，閥口內(nèi)徑 d二 級 閥 口 =5mm，閥口外徑 D二 級 閥 口 =8mm。二級閥室除了與一級閥室聯(lián)通外，還與怠速閥閥室和三級閥閥室聯(lián)通，二級閥室上面有閥蓋，三級閥口設(shè)計在二級閥蓋上。二級閥與一級閥一樣，利用縫隙減壓原理對其進(jìn)行減壓，二級閥膜片的實際受力并移動的面積與蓋上 ? 49 的孔面積相等。二級閥膜片上擋板直徑 2D下 檔 初選 31mm，杠桿在左端部分的轉(zhuǎn)臂初選為，右端部分的轉(zhuǎn)臂長度初選為 ，即 2al杠 桿 =， 2bl杠 桿 =。 二級減壓閥彈簧的設(shè)計 由已知條件得知，當(dāng)二級閥口 vq =0 時， 2P =， 1P =，當(dāng)二級閥口流量 vq =40 3m /h時， 2P =， 1P =。 根據(jù)公式 35，可算出二級閥口在 0P =220 MPa 時的最大縫隙 maxh 。 maxh = 23 1221212 ln( )()mrq RTrPP?? ? 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計 15 式中： mq = 40 3600?=， ? = 1 8 2 .9 1 1 0 .7 2 7102? ??= 710?? P R= /J Kg K? T=50+= 2r = 2D二 級 閥 口 =82 =4mm 1r = d 2二 級 閥 口 =52 = 1P = 2P = 則 maxh =7312 12 10 l n [ ] 10?? ? ? ? ? ?? ? ?22（ ） （ ） = 410?? m = 則，膜片芯子的最大移動量為： 2 6 .50 .0 7 2 2 1 6 .5l? ? ?芯 子 = 膜片芯子受膜片向下的作用力： F二 芯 = 2PA??二 芯 有 效 (310) 其中， P?二 芯 為膜片在流量最大時上下面之間的壓力差， 2A有 效 為與二級彈簧壓力相等的作用力除以膜片上下面之間的壓力差后的值。 222 3 . 1 44 9 4 DA ???? ? ?22 2 上 擋 2 上 擋 下 擋有 效 3 . 1 4 D D3 . 1 4 4 9（ ）44 = 223 1 3 .1 4 3 14 9 4? ? ???23 . 1 4 4 9 3 . 1 4 3 1（ ）44 =（ ） ? ? =1470 2mm 當(dāng) 2P = 時，膜片芯子受膜片向下的作用力為： 614 70 10F ?? ? ? ?6二 芯 （ ） 10 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 16 =147N 當(dāng) 2P = 時，膜片芯子受膜片向下的作用力為： 639。 14 70 10F ?? ? ? ?6二 芯 （ ） 10 = ? 118N 在上述計算式中， ? Pa 為大氣壓的壓力，三級閥室的壓力約等于大氣壓。 根據(jù)上述計算可得二級彈簧在 2 ~ M Pa? 的情況下的受力范圍為118N~147N，則其彈性系數(shù)為： 39。2 ()FFK l?? ?二 芯 二 芯芯 子 (311) K2 = 147 ? =250N/mm 由以上計算可看得出來， 2K 值太大，根據(jù)經(jīng)驗，可選 2K =40N/mm，這樣，二級閥的氣體變化量可控制在 左右，通過調(diào)節(jié)閥芯和膜片芯子上與彈簧相接觸的螺母， 使其滿足 2P =~ 這一條件。 現(xiàn)將二級減壓閥彈簧的結(jié)構(gòu)示意圖如下圖 所示： 圖 二級減壓閥彈簧 天然氣汽車供氣系統(tǒng)減壓裝置設(shè)計 17 三級減壓閥的設(shè)計 三級減壓閥的工作原理 在本次設(shè)計中，三級減壓閥是常閉式的閥，主要是利用閥室的真空度進(jìn)行調(diào)壓。當(dāng)閥室內(nèi)的真空度為 0 或是不夠大時，在壓力彈簧的作用下，閥口處于關(guān)閉狀態(tài)。當(dāng)閥室處于負(fù)壓或真空度大于一定的值時，膜片兩邊的壓力差使膜片向閥室里運動，帶動杠桿克服彈簧壓力 ，使閥口打開供氣。三級壓力彈簧的壓力可以根據(jù)具體的情況進(jìn)行調(diào)節(jié)。天然氣的流量完全由發(fā)動機(jī)的真空度進(jìn)行調(diào)節(jié)。 三級減壓閥蓋板、杠桿、上擋板、閥口的設(shè)計 三級閥蓋的底邊外徑與減壓閥殼體底邊的外徑相同，初選 192mm，閥蓋的底邊寬度初選為 11mm，可安裝 M6 的螺栓和螺母。蓋板的 8 個螺孔均布，在閥蓋上還有 4 個進(jìn)氣孔，從而使膜片與大氣相通。 杠桿的長度初選為 85mm，頭部與三級調(diào)節(jié)彈簧相連，在安裝閥芯的部位有一塊墊板，在墊板上絞螺紋孔使閥芯更加牢固。下面是三級減壓杠桿剖面簡圖。 圖 三級減壓閥杠 桿 三級閥口的內(nèi)徑初選為 8mm，外徑初選為 11mm，三級閥的真空度一般為~1KPa。 三級閥的上擋板的直徑初選 3上 擋D =45mm，厚度初選 ，中間開 ? 的孔。 三級減壓閥調(diào)節(jié)彈簧的設(shè)計 三級閥膜片芯子受膜片向上的作用力為： 3F A P? ??三 芯 有 效 真 (312) 西南石油大學(xué)本科畢業(yè)設(shè)計 18 3A有 效= 214d? ? ???222 1 12d d d（ ）4 4 d = 223 3 3[] 4 1 9 2 1 2 2 4D D D??? ???? ?