一种减压阀的设计与优化

【摘要】介绍了一种减压阀的总体结构形式，并对其在使用过程中发现的问题进行改进优化，提高了其使用可靠性。通过对比分析发现，减压阀的密封形式与导向轴的导向方式对减压阀的性能影响较大。

【关键词】减压阀；密封；导向

1.引言

减压阀是一种目前被广泛采用的安全泄压装置。而弹簧式减压阀是其中比较典型的一种。它是采用弹簧的压力作用为加压载荷，并通过调节弹簧压力的大小来调整减压阀的开启压力。当系统中压力超过允许值后，它能够自动开启并把过剩的系统介质排到大气或低压系统中，从而达到泄压的目的。当压力降到某一数值时，它又能自动迅速关闭，维持系统的正常运行。

如图1所示，某产品浮囊在充气展开以及回收上浮过程中，环境压力逐渐减小，浮囊内的压力会增大，由减压阀将浮囊内多余的气体排掉，保持浮囊内外压差恒定，从而保持浮囊的安全。减压阀关闭时能要能可靠的密封，开启时要有灵敏的排气功能，将多余的气体排出。

2.总体结构

如图2所示，减压阀采用简单的机械压差式控制阀结构，压力控制通道与流量控制通道合二为一，通过弹簧的压缩控制浮囊内外的压差，当压差小与设定压力时，减压阀阀芯关闭，保证浮囊密封；当压差大于设定压力时；减压阀阀芯打开，排掉气体，平衡压力。

减压阀的压力设定值主要受到两方面因素的影响：浮囊的强度和充气后浮囊的展开状态。设定压差大则浮囊展开后“硬度”大，能较好保持浮囊圆柱状的外形，从而保持设计要求的浮力，但对浮囊的强度要求也越高；设定压差小，浮囊的强度要求低，但浮囊膨胀后偏“软”，上浮到水面后若温度降低，没有相应的压力储备，浮力会减小。

3.计算分析

安装在浮囊上的减压阀即要有好的密封性能还要有灵敏的排气功能，这样减压阀中弹簧力的选择一定要合理，参照某产品减压阀的结构形式及使用情况，结合本产品的实际及上浮过程中的排气通径，估算出保证减压阀密封性能的弹簧预紧压力。根据减压阀的指标要求，在进行弹簧设计时，要求弹簧预紧力可调。

3.1 减压排气计算

试验弹在上浮的过程中，回收浮囊的背压不断减小，需要开启减压阀泄掉多余的气体，以平衡内外压差，保持浮囊稳定工作，减压阀打开时的气体流量：

式中，：有效截面积；：上游绝对压力；：压差；：上游热力学温度。

减压阀开口截面积：，有效截面积，查表可知：，则当上浮到水面位置，浮囊内的绝对压力值最小，此时流量最小。

假设回收浮囊内气体的初始状态为：；上浮后减压阀会排出部分气体，此时浮囊内气体的状态为：；排出的气体状态为：，则有：

显然，在上浮过程中由于水介质的作用，回收浮囊内的气体会降温，会减小，在此为简化计算，假设温度不下降，，此时排出的气体最大，所以：

试验弹匀速上浮时，速度达到最大值，环境压力也变化最快，此时的最大，当上浮到水面时环境背压最小，即最小，则此时需要排出的气体最大。

有以上分析可知：在设计必须保证减压阀的流量大于回收浮囊需要排出的气体量，即：时，才能可靠保证浮囊安全工作。

3.2 弹簧计算

弹簧作为减压阀的压力调节重要零件，用来平衡减压阀内外压差并使其密封。在该减压阀弹簧力计算中，进行以下简化：

1）阀芯与阀体的接触面之间涂敷脂，不考虑其摩擦力影响；

2）阀芯质量较小，不考虑阀芯的重量影响。

根据上述简化计算条件并结合减压阀的各项指标要求并根据其排气通径尺寸，进行弹簧的设计计算，详细设计可参考《机械设计手册（四）》，并结合《普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数》（GB/T 2089-2009）对设计进行调整，使之符合相关规范。

4.影响减压阀密封的因素

由于减压阀控制的压差较小、精度高。对此，需对减压阀进行调试测试，使其符合要求，若超差，可进行机械调整。在减压阀调试过程中，发现减压阀开启后闭合比较困难与闭合压力达不到指标要求的现象，调试成功率较低。

针对上述减压阀调试过程中出现的问题并结合减压阀实际工作过程，分析可能影响减压阀密封性能与闭合压力的各种因素：

1）减压阀长时间不工作时，弹簧的全部力作用在阀芯的密封面上，若密封面宽度过窄，在较大的压力作用下，可能造成密封面损伤，引起密封不良。同时，若阀芯的密封材料采用较软的橡胶材料，容易导致较深的压痕，产生塑性变形，降低了其密封性能。

2）密封面表面质量的好坏，直接影响关闭件密封性。密封面的几何精度和表面光洁度与密封性有很大的关系。若加工方法不当，金属密封面在加工中出现的微观不平以及波纹都会影响密封效果。

3）在同等压力、温度情况下，粘性大的介质比粘性小的介质泄漏量要小。液体介质比气体介质易密封。因此要考虑到阀设计时的许用介质。介质温度会引起密封面热变形，在密封材料中会造成热梯度，引起密封面翘曲。

4）减压阀德阀芯是核心组件，其密封方式、密封材料以及导向定位的选择都会减压阀的密封可靠性产生影响。其中，密封方式主要有：轴向式、锥台式与锥形式。其中，若阀芯与阀体的导向定位选择不合理或加工精度达不到要求，均会造成阀芯的稳定性不足，弹簧压力不均，降低阀芯与阀体密封面之间的密封性能。

通过对减压阀在调试过程中出现的各种情况进行观察，发现以下主要现象：

1）与导向轴粘接的橡胶垫材料较软，容易出现压痕，粘接固定在导向轴的橡胶垫有较深的压痕；

2）橡胶密封垫与导向轴粘接后表面凹凸不平，影响其密封性能；

3）与阀芯接触的密封面加工精度较差，存在加工刀痕；

4）预紧力调节盖与导向轴之间间隙过大导致导向轴晃动幅度较大，影响与阀芯上的弹簧轴向压缩性能。

5.减压阀的改进与优化

通过上述对影响减压阀密封与闭合性能的因素分析，以及相关现象的总结，并结合本产品实际使用要求与环境，对减压阀进行如下系列优化改进，如图3、4所示。

1）增加导向轴与阀体间的导向定位，并增大导向轴与预紧力调节盖的导向尺寸。通过此项改进与优化，明显地降低阀芯开启闭合运动时的晃动，提高阀芯的稳定性，从而保证减压阀弹簧压力的均匀性；

2）将橡胶垫轴向压密封方式，改为锥形〇形圈密封方式，且阀芯与阀体的密封方式由轴向式改为锥台式。通过采取此项措施，能避免橡胶垫因粘接固定产生的凹凸不平，以及橡胶材料过软所导致的压痕或损伤，最终对减压阀的密封与闭合性能造成的不利影响。采用锥台式密封方式，能改善轴向密封因弹簧压力不均所造成的不利影响，增加阀芯与阀体锥面的挤压接触，从而提高其密封性能与闭合稳定性。

3）提高减压阀密封面的加工光洁度，并将加工材料由铝合金改为合金钢并进行电镀处理。通过加工工艺与材料的改进，提高密封面的密封性能。同时，因铝合金材料在高温气体作用下可能产生变形，因此，通过合金钢材料能降低高温气体对减压阀结构所造成不不利影响。

在对减压阀进行上述系列优化改进后，在减压阀反复开启、闭合调试检测过程中，减压阀密封性能大幅度提高，开启、闭合压力性能指标稳定，调试成功率达到85%以上，大幅度节省了减压阀的加工成本，提高了其重复利用率。

6.总结

通过本文上述分析可以发现，导致弹簧式减压阀密封与闭合性能不稳定的因素很多，而且这些因素之间的关系也很复杂，要想保证减压阀密封状况良好，保障被保护系统的安全性，需要设计过程中认真细致的考虑各方面的影响，要保证其较好的可靠性，在设计中必须考虑以下几点。

首先，阀芯密封结构形式，需要根据实际使用要求选取，如轴向式、锥台式与锥形式；其次，阀芯的导向定位，在设计中需合理选择定位位置与形式，尽可能提高密封阀芯的稳定性；最后，减压阀加工材料、配合面加工精度与光洁度，根据其使用环境进行加工材料选取，配合面加工精度与光洁度必须严格控制。

参考文献

[1]徐灏.机械设计手册（第四、五册）[M].北京：机械工业出版社，1992.

[2]GB/T 2089-2009，普通圆柱螺旋压缩弹簧尺寸及参数[S].

[3]杨海峰，王静.浅谈影响弹簧式安全阀密封的主要原因[J].中国科技信息，2005，9.

[4]鲁贵迁，马文龙.对弹簧式安全阀设计、使用的几点建议[J].工业锅炉，2010，6.

作者简介：王华明（1980—），硕士，毕业于天津大学船舶与海洋工程系，工程师，现供职于中国船舶重工集团公司第七一〇研究所，从事机械结构设计工作。