高性能气体减压器探讨

高性能气体减压器产品主要应用于大流量、高压力的输出，且输出压力稳定，工作环境允许有震动的各种诚。目前使用较多的领域是舰船、车载消防、航空和航天试验基地的各类测试设备。

该产品先进的结构是在普通产品结构基础上发展而形成的第三代产品。

1 高性能气体减压器的结构介绍1.1 减压器基本结构形式1)减压器基本结构形式分类根据表 1可把高性能气体减压器的主阀和副阀，都归在反作用式基本结构形式中。

表 1 减压器基本结构形式分类基本结构形式 介质对活门作用合力的方向正作用式反作用式平衡式合力趋势为开启合力趋势为关闭合力趋势为零收稿日期：2012-09-12作者简介：金苏友，男，高级工程师 ，上海减压器厂有限公司总工程师兼技术部总经理，历任国家标准化管理委员会液压气动标准化技术委员会(SAC/TC3)委员，液压气动标准化技术委员会液压传动和控制技术委员会(SAC/TC3/SC1)委员，全国过程控制标准化技术委员会压力仪表分技术委员会委员(SAC/TCI24/SC3)。

2)减压器控制形式分类根据表 2可把高性能气体减压器的控制形式，归在副阀式控制形式结构中。

表 2 减压器控制形式分类控制形式 输出压力控制方式重力式弹簧式气囊式副阀式信号随动式物体重力(砝码等)控制输出压力调节弹簧力控制输出压力用气囊中的压力控制输出压力用副阀输出压力控制主阀的输出压力用外来采集的压力信号控制输出压力1.2 高性能气体减压器的结构高性能气体减压器的结构如图 1所示。

该减压器由主阀和副阀组合而成。主阀通道具有大通径的进口、阀口和更大的出口，作为压力反馈的腔室与膜片也相当大，以满足高压大流量的特性。

而作为控制主阀的副阀具有小通径的进 口、阀口和出口，作为压力反馈的腔室与膜片相对主阀很小 ，以满足减压器调节轻便 ，控制灵敏的要求。

1.2.1 主阀结构主阀零、部件由主阀活门、主阀活门弹簧、复位弹簧、膜片挡块、主阀膜片、主阀本体、高压腔、低压腔、动力腔、节流孔板、主阀安全阀和高、低压压力表组成。

2013年第 2期 工业仪表与 自动化装置 ·99·主阀是减压器主气路通道，因此决定了它必须拥有大通径。由于主阀的控制是由副阀来实现的，所以减压器在轴向长度较短，与小流量的减压器相当，如用调节弹簧形式或其他形式的话，可能要增几倍长度，否则无法满足弹簧设计要求。

1.2.2 副阀结构副阀零、部件由副阀活门、副阀活门弹簧、顶杆、副阀膜片、副阀本体、副阀高压腔、副阀低压腔、副阀调节弹簧和副阀安全阀组成。

副阀活门弹簧 高压表型 副阀 ⑦副阀膜片 ： 堑 ，副阀调节弹簧节流孔低压表⑦副阀用于控制主阀输出的压力，副阀输出压力分 2路，-路直接到动力腔，另-路经节流孑L到主阀低压腔。而由于节流孔的因素，主阀控制所需的流量极小 ，所以副阀的通径可设计较小，在满足减压精度的前提下，反馈腔室和膜片都很小，副阀的调节弹簧力也小，调节轻便，控制灵敏。彻底解决了普通气体减压器高压力、大流量，调节困难甚至无法操作的问题 。

高 腔主阀活门弹簧复位弹簧/ / 动力腔 图 1 减压器结构及工作原理图2 高性能气体减压器的工作原理2.1 准备阶段当进口气体经连接高压管路进入主阀高压腔时，同时也引入到副阀的高压腔。由于副阀的调节螺杆处于拧松状态，副阀调节弹簧和顶杆均不受力。

主阀和副阀在其各自的活门弹簧的关闭力作用下趋向关闭。并且由于这两阀均为反作用式结构，同时还受到高压气体产生的关闭作用力，使两活门与阀座处于紧闭的状态，高压气体被截止，出口压力、流量均为零，减压器处于准备工况。

2.2 预调阶段当减压器需要进行减压至预设使用压力 P时，将调节螺杆鹏，压缩副阀调节弹簧，副阀调节弹簧产生的力通过顶杆，作用于副阀活门。当副阀活门受到的开启力大于弹簧和高压作用力的关闭力时，副阀活门开启。高压气体进入副阀的低压腔，分2路，-路进入动力腔，-路经节流孔进入主阀的低压腔。因预调阶段出口气体流量为零，所以节流孔不起作用，动力腔P 和低压腔P 压力相同，作用合力平衡。主阀没有受到增加的外力，仍处于紧闭状态。

而副阀的低压腔P 压力升高，在副阀膜片的反馈力作用下，与副阀调节弹簧平衡，使副阀活门趋于关闭，导致P 压力不再变化。P 压力数值可由低压表读出，将减压器出口压力P 预置到所需值。

2.3 工作阶段2.3.1稳定工况当减压器需要进行工作，即大流量输出时，低压腔的P：压力会瞬间下降，因为原先供给的是经节流的副阀 压力，压力瞬间下降，副阀无法瞬间补偿，力平衡破坏，这时经节流的低压腔 P：和无节流的动力腔 P 的压力产生较大压差，合力平衡破坏。主阀感应膜片由于上、下压差产生向上开启主阀活门的合力，主阀被迅速开启，高压气体 P 进入低压腔为输出提供大流量的气体，使低压腔 P：压力逐渐提升 ，原先的预置压力得以保持，减压器处于动态平衡的稳定工作状态。

2.3.2变化工况当副阀保持原先的压力即动力腔P 压力不变，而低压腔P 压力随出口负载流量变化波动时，动力腔P，压力和低压腔 P 压力产生的合力，将控制主阀活门进行相应的变化。输出压力比预调高了，总合力产生向下力，主阀活门和阀座的开启高度自动变校反之，总合力产生向上力，主阀活门和阀座的开启高度会自动变大。最终将使减压器在负载流量变化的情况下，建立新的力平衡状态，使输出压力· 100· 工业仪表与 自动化装置 2013年第 2期P 稳定不变。

3 减压器力学模型的建立和分析减压器是靠介质的能量作用在各截面上，产生各分力，形成总合力自动平衡的基础上进行工作的。

输入图 2 减压器力分析原理图1)主阀平衡方程的建立主阀向下作用力为：F1F2Ⅳ主、，复其中：F 为进口压力 P 作用于阀口截面积产生的力；F 为主阀出El压力 P：作用于主阀膜片截面积产生的力；Ⅳ主为主阀弹簧压缩产生的力；N复为复位弹簧力。

主阀向上作用力为：， 十 其中：F 为副阀出El压力 作用于主阀膜片截面积产生的力； 为主阀出口压力P：作用于主阀阀15截面积产生的力；M为阀El密封力； 为主阀门磨擦力的合力。

因主阀处于力平衡状态，所以总合力为零。即：FlF2Ⅳ主Ⅳ复F3 /.主 (1)2)副阀平衡方程的建立副阀向下作用力为：F F6Ⅳ副其中： 为进口压力P 作用于副阀口截面积产生的力；F 为副阀出口压力 P 作用于副阀膜片截面积产生的力；Ⅳ副为副阀弹簧压缩产生的力。

副阀向上作用力为：F 副 Ⅳ调其中： 为副阀出口压力P 作用于副阀阀口截面积产生的力；M副为副阀121密封力； 0为副阀门磨擦力的合力；Ⅳ调为副阀调节弹簧压缩产生的力。

因副阀也 处于力平衡状 态，所 以总合 力为零。即：F5F6N副F7 副 0Ⅳ调 (2)减压器处于动平衡，所以受力要同时满足式(1)和式(2)。

根据F 及5孚D ，代入式(1)、式(2)，主叶 阀整理 ：(P1-P2)Sd主(P2-P3)5D主 厂丰-Ⅳ主-Ⅳ复(Pl-P2) (P2- ) "( -Ⅳ丰- )IT副阀整理：(Pl-P3)sd副P3SD副J7l 副 0Ⅳ调-Ⅳ副(P。-P3) P3 Il ( 4 0J7、r调- 4)其中：F为气体作用于相应截面的力；P为相应气体压力；S为相应截面积；D为相应主、副阀感应截面积；d为相应主、副阀阀口的截面直径。

这个模型对设计、分析及改变该减压器的各特性都有重要意义。

4 产品优点4.1 结构先进结构先进。也只有在这种结构下，才使产品有别于第-代和第二代。

4.2 设计安全1)从产品结构强度上采取等截面设计原则，来保证内壁厚的承压强度，同时也避免了不必要的壁厚、体积和重量。

2)作为减压器在长期工作后，总有可能会发生故障。该产品在主阀和副阀的低压输出区均安装了具有-定排放能力的安全阀，在主阀的低压输出区的安全阀报警声响大，可达100 dB以上，排放流量(下转第 108页)· 108· 工业仪表与 自动化装置 2013年第 2期水位上升 水位下降， 《 ；f ； if 1 3 I 1 . 厂 i l f DlDoO l l ( 1 1 O O图6 水位上升与下降时的D 和 D。输出波形和相应的格雷码3 结束语1)实验结果表明，分段加热的热电偶水位传感器和格雷码制信号处理技术，使传感器的引线少，信噪比高，干扰小，可靠性高和整体性能优良。

2)这种热式水位传感器适用于高温高压环境，除了核电厂和高可靠性要求的诚应用外，在常规工业领域内有更广泛的应用前景。