氣動三聯件設計淺析—減壓閥,SMC官網

在氣動技術中，空氣過濾器、減壓閥和油霧器稱為氣動三大件，減壓閥是其中*的一部分。本文主要介紹設計心得，關于設計理論、計算公式等方面由于有眾多書籍詳細介紹，因此本文并不過多涉及。

氣動減壓閥也叫調壓閥，是將較高的進口壓力調節并降低到要求的出口壓力，并能保證出口壓力穩定，即起到減壓和穩壓作用。氣動減壓閥按壓力調節方式，有直動式減壓閥和先導式減壓閥，后者適用在較大通徑的場合，兩者的調壓原理相似，因此這里只介紹直動式減壓閥。

1.直動式減壓閥的工作原理

直動式減壓閥是用調節鈕直接調節調壓彈簧來改變閥的出口壓力，有活塞式和膜片式兩種。這里只介紹常用的膜片式減壓閥。膜片式減壓閥適合通徑小于20毫米，輸出壓力為0～0.63MPa的情況下，較大通徑或較大輸出壓力由于需要調壓彈簧的剛性太大，調節比較困難，一般采用先導式減壓閥。

圖1所示為帶溢流功能的膜片式直動減壓閥的結構圖。

氣動三聯件設計淺析—減壓閥,SMC官網

壓力為P1的壓縮空氣，由左端輸入經閥口節流后，壓力降為P2輸出。P2的大小可由主調壓彈簧4進行調節。拉起并順時針旋轉主調壓旋鈕6，主調壓彈簧4被壓縮，推動膜片組合3和調壓柱8下移，推動閥芯10，增大閥口開度使P2增大。出口壓力氣體經反饋導管2進入膜片室，在膜片組合3上產生一個向上推力。當此推力與主調壓彈簧力平衡時，出口壓力便穩定在一定值。若反時針旋轉主調壓旋鈕6，閥口的開度減小，P2隨之減小。

若進口壓力有波動，例如P1瞬時升高，則出口壓力P2也隨之升高，通過反饋導管2使膜片室內壓力升高，在膜片組合3上產生的推力相應增大，此推力破壞了原來力的平衡，使膜片組合3向上移動，溢流孔打開，有少部分溢流氣體經溢流孔、排氣孔排出。在膜片組合3上移的同時，靠復位彈簧1的作用，使調壓柱8上移，閥口開度減小，節流作用增大，使出口壓力回降，溢流孔關閉，達到新的平衡，輸出壓力基本又恢復原值。若輸入壓力瞬時下降，輸出壓力也下降、膜片組合3和調壓柱8隨之下移，閥口開度加大，節流作用減小，使輸出壓力也基本回到原來值。

若進口壓力不變，輸出流量變化，使出口壓力P2發生波動（增高或降低）時，依靠溢流孔的溢流作用和膜片組合3上力的平衡作用推動調壓柱8上下移動，仍能起到穩壓作用。

當輸出流量為零時，出口壓力經過反饋導管2進入膜片室，推動膜片組合3上移，調壓柱8在復位彈簧1的推動下上移，閥口關閉，保證出口壓力恒定。當輸出流量很大時，高速氣流使反饋導管2處產生負壓，吸出膜片室內的部分氣體使膜片室壓力下降，閥口開度加大，仍然可以保持膜片上的力平衡。

如果逆時針旋轉主調壓旋鈕6，使主調壓彈簧4的變形不斷減小，氣體作用在膜片組合3上的推力大于調壓彈簧的作用力，膜片組合3上移，靠復位彈簧1的作用逐漸關閉閥口。膜片室中的壓縮空氣經溢流孔、排氣孔不斷排出，直至閥處于無輸出狀態，出口壓力降為零。

溢流式減壓閥是靠閥口的節流作用減壓，靠膜片上力的平衡作用和溢流孔的溢流作用穩壓；調節主調壓彈簧即可使輸出壓力在一定范圍內改變。

溢流式減壓閥經常用于二次側負載變動的場合，如進行頻繁調整的場合、二次側有容器（如氣缸）的場合。在使用過程中，由于經常要從溢流孔排出少量氣體，因此不適用于工作介質為有害氣體或食品等行業的氣路中。

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2.減壓閥的主要性能指標

2.1 調壓范圍 指減壓閥輸出壓力P2的可調范圍，在此壓力范圍內要求達到規定的穩壓精度。使用壓力處于調壓范圍上限值的30%～80%。調壓范圍主要與調壓彈簧的剛度有關。

2.2 流量特性 指在一定的進口壓力下，輸出壓力與輸出流量的關系。當輸出流量發生變化時，輸出壓力的變化越小越好。一般輸出壓力越低，它隨輸出流量的變化波動就越小。

2.3 壓力特性 指在輸出流量基本不變的條件下，出口壓力和進口壓力之間的關系。進口壓力變化時，出口壓力變化越小，減壓閥的特性就越好。輸出壓力必須低于輸入壓力—定值才基本上不隨輸入壓力變化而變化。

2.4 溢流特性 指在設定壓力下，出口壓力偏離（高于）設定值時，從溢流孔排出的流量大小。

3.氣動減壓閥的設計重點和注意事項

氣動減壓閥的結構見圖1，主要有減壓閥本體、主調壓座、主調壓旋鈕、主調壓彈簧、膜片組合、反饋導管、調壓柱、閥芯、復位彈簧等等。在三聯件中，減壓閥的設計是復雜、難的一部分。

3.1 氣動減壓閥的本體設計

氣動減壓閥的本體是整個減壓閥的基體，外觀設計要求、內部的流道設計原則同空氣過濾器相似，請參考過濾器篇。本體的材料也多選用壓鑄鋁合金或鋅合金。

氣動減壓閥的本體內部要比空氣過濾器的本體復雜許多。它的流道的設計，要注意三點。一是進氣面積，設計要求同空氣過濾器。二是流道要短，在滿足強度的前提下，盡量將火山口位置靠近進氣口。三是火山口的直徑要盡量大，面積上是出氣口的2～4倍，這樣調壓行程就比較短，調壓特性就比較好，另外也會在通過出氣口時有較高的流速。四是氣動減壓閥的出氣側要留有壓力表的安裝空間。閥體要有醒目的氣體流動方向標志。

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3.2 氣動減壓閥的主調壓彈簧部分設計

主調壓彈簧的設計就是確定四個參數：彈簧中徑和線徑、有效圈數、彈簧高度。彈簧中徑和彈簧自由高度受主調壓座的結構限制，可以調整的范圍比較小。彈簧的小作用力為零，大作用力跟調壓范圍氣動三聯件設計淺析—減壓閥和調壓膜片組合的有效面積有關。在確定了大作用力后，就可以根據彈簧的設計公式來調整彈簧的這四個參數。筆者建議設計者用Excel制作一個彈簧的設計表格，設計時要考慮彈簧的使用壽命、高徑比、作用力范圍（建議不超過大壓縮力的80%）等參數。由于線徑比較粗，要兩端磨平，保證平穩。材料一般用碳素線外鍍白鋅或彩鋅處理，不建議使用不銹鋼線。

設計時，在完成設計主體時還要多注意細節的設計。這些細節包括安全方面、人體力學方面等等。比如在安全方面，由于主調壓彈簧有很大的作用力（多達幾百公斤力），所以主調壓座必須要有足夠的強度來承擔這些作用力，主調壓座的材料為PA、POM，較大通徑時用壓鑄鋁；主調壓座的上部多設計成齒狀，便于調節后鎖定調壓旋鈕；一般要設計有醒目的調壓標志環，調節時，需拉起調節旋鈕，露出調壓標志，鎖定時遮住調壓標志環；長久不使用時，應將調壓彈簧*旋松。比如在人體力學方面，調節桿與主調壓座存在巨大的摩擦力，可以增加一個POM墊片來減少摩擦，改善調節阻力；調節桿與調壓六角螺母之間容易鎖死，可以選擇其中之一增加小凸點或小凸環來改善；拉起調壓旋鈕的力要適中，可以通過細化調節扣位處的設計來滿足。

3.3 氣動減壓閥的膜片組合設計

氣動減壓閥的膜片組合是這個閥中的關鍵部件。它要承受多達幾百公斤的壓力。

膜片組合結構見圖2，由膜片硬芯、膜片、溢流口組成。膜片材料為丁氰橡膠（NBR）+纖維布。膜片硬芯為碳鋼片，一方面用來提高膜片的強度，另一方面用來支撐和定位主調壓彈簧。溢流口上包有丁氰橡膠，用于和調壓柱密封，保持膜片室的壓力。調壓柱離開時用來溢流，保持出口壓力恒定。丁氰橡膠的硬度多為85度，硬度太高影響密封效果，太低則降低溢流的靈敏度。膜片有效直徑的計算見式1。

d²=4^*（d1²+d1^*d2+d2²）^/9 （式1）

影響膜片組合設計的主要是膜片硬芯直徑和膜片厚度，不僅要考慮它們對膜片中心擾度的影響，還要考慮其對膜片應力的影響，以確保大應力值不超過許用應力。膜片硬芯的直徑d2建議為膜片受力直徑d1的2/3以上，膜片有弧形位，這樣可以在上下移動時有伸縮余量。硬芯在設計時在接觸膜片一側要有環形突起，組合時要保證結合位密封，不能漏氣。主調壓座要壓緊膜片，不允許氣體泄露。膜片與本體、主調壓座的接觸位，后兩者要有圓弧過渡（R>3毫米），可以保護膜片不易斷裂。但圓弧又不能過大，否則膜片受力面積增加太多，增加了對膜片強度的要求。

3.4 氣動減壓閥的反饋導管設計

反饋導管裝在氣動減壓閥的出口端，伸出端切成45度，方向朝出口側，不能裝反，所以設計時要注意有方向要求。它的設計原理見圖3。

由于出氣口面積小于閥口面積，氣體被迫加速流動，高速流動的氣體在遇到導管的阻擋后形成紊流，導管的背面會有一定的負壓，膜片室內的氣體容易被吸出。它的作用是提高穩壓精度，同時可以改善減壓閥的動態性能，負載突變（突然變化或不穩定）時起阻尼作用，避免振蕩發生。另外，產生的高速氣流對油霧器起霧有利。

3.5 氣動減壓閥的閥芯部分設計

閥心部分包括調節桿、閥芯、復位彈簧等部分組成。閥芯部分通過閥芯密封圈和通孔保持壓力與出口端壓力相同。

A1-膜片組合的有效面積A2-閥口面積A3-筏芯受力面積

閥芯開啟時的受力見圖4，根據力的平衡得到式2：

F1+P1^*（A3-A2）+P2^*A2=F2+P2^*A3+P2^*A1 （式2）

如果A2=A3，則式2可以簡化為：

F1=F2+P2^*A1 （式3）

從式3中可以看出：如果閥芯密封圈處的直徑與火山口的直徑相同，就可以消除進氣壓力P1變化對出氣壓力P2造成的影響。出氣壓力P2僅與主調壓彈簧、復位彈簧和閥口大小有關。采用此種設計的減壓閥就是平衡式減壓閥，調壓和穩壓效果比較好。

閥芯的大開啟高度H由下式決定：

S=3.14^*D^*H （式4）

式4中，D為閥口直徑，S為排氣口面積。在排氣口面積（公稱口徑）確定時，如果閥口直徑增大，則閥芯開啟的行程可以減小。閥芯行程減小可以明顯改善流量特性，同時也減小了膜片的變形量。調壓柱必須與閥芯連接為一體，否則閥芯下降時調壓柱在調壓柱密封圈的阻力下不會一起下降，無法打開溢流口。調壓柱頭部應光滑，無劃痕，否則會影響與溢流口的密封效果。

復位彈簧提供的彈簧力用來克服閥芯密封圈和調節桿密封圈的阻力、提供密封火山口的壓力，彈簧力必須足夠，否則影響調壓的靈敏度，復位彈簧的兩端也要磨平。火山口不可以太尖，易損傷閥芯的包膠層。

以上是氣動減壓閥的一些設計心得，如有不足之處，歡迎大家指出。