新型结构的气体减压器原理和特性探讨

压力。
4 新型减压器力学模型的分析及性能特点
根据平衡方程式（ 6） 进行定性分析： 出口压力 P2 的变化值尽量小，是衡量减压器性能优劣的重要 指标之一，从式（ 6） 中可看到，等号右边的各参数均 会影响 P2的变化。
1） P1 D12 项中 P1 是进口压力，通常是气瓶压力，它的变化很 大，可从 15 MPa（ 气瓶满瓶） 降至 1 MPa，所以在满 足流量的前提下 D1尽可能小。 2） P0 （ D22 － D32 ） 项中 P0为大气压，而（ D22 － D32） 一旦直径确定后，其乘 积产生的力 F0基本是个常量，方向、大小固定不变（ 真 空状态除外） 。在这项里的直径均无特别要求。 3） （ N + M － f合） 项中 N 为弹簧力，当 D2 确定后，是决定 P2 大小的关 键力。 M 为密封力，它与密封比压、材料、阀口、阀门 形状、光洁度、介质密度及压力等相关。这个力仅次 于 N 弹簧力，是影响 P2 的主要因素。 f合为摩擦力，在充分润滑条件且 P2 值不是极低 工况下，P2 甚小，可忽略。 4） （ D2 2 + D1 2 － D3 2 ） 项中 D2 为主要的感应面积的直径，它的面积具有放 大功能，可使 P2 值有稍微的变化，随后将其压力放 大为新的平衡力直接控制活门的启闭，迅速使方程 从不平衡趋势恢复到新的平衡。在体积允许条件 下，D2 越大 P2 越稳定，减压精度越高。 D1 为阀口面积的直径，前面已谈到尽量取小。 D3 为结构所需的密封面积直径，应尽量小。
Key words： gas pressure reducer； decompression device structure； reducer principle； reducer mechanical model
0 引言
应用于高压气瓶和管路的气体减压器结构形式 很多，根据负载工作的方式，对气体减压器也有不同 的技术要求。在此，向大家推荐一款新型结构的气 体减压器，它在国外已经发展成熟，并在各个领域被 广泛应用。而在国内还处在研制和小范围应用的阶 段。推广应用这一更新换代产品，可使气体输送环 保，节约成本和可持续发展，具有一定的意义。
向下的合力为 F2 + f合 其中： F2 为出口气体作用于大活塞截面积产生的 力； f合 为磨擦力的合力。
因减 压 器 处 于 力 平 衡 状 态，所 以 总 合 力 为
零。即：
（ F1 + F3 + F0 + N + M） － （ F2 + f合） = 0 （ 1）
根据
F
=
PS，S
=
π 4
D2
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 为相应截面直径。
将 F1 = P1 S1 ，F3 = P2 （ S3 － S1 ） ，F0 = P0 （ S2 －
S3 ） ，F2 = P2 S2 代入式（ 1） ，则有：
P1 S1 + P2 （ S3 － S1 ） + P0 （ S2 － S3 ） + N + M －
图 1 减压器新型结构
1． 3 新型减压器工作原理 减压器的基本工作原理： 流入高压腔的高压气
体（ 其压力称为进口压力） 经活门及其组件、弹簧等
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自行调节，使流出低压腔的低压气体达到预设的理 想值（ 其压力称为出口压力） 。
新型减压器的工作过程详述如下： 1） 空载工况 当高压腔无高压气体，低压腔无压力，流量截止 为零的工况时，减压器的活门组件因弹簧的作用使 得活门的密封垫和活门座处于脱离状态。 2） 高压加载工况 当气瓶高压气体经入口进入减压器的高压腔 时，由于此刻密封垫和活门座仍处于脱离状态，高压 气体经活门座孔直接进入低压腔，再经由活门组件 的导气孔到达活塞背面的低压腔。 3） 高、低压趋于合力平衡工况 当低压腔的压力随高压气体的进入逐步增加， 由于活门组件活塞的感应面积逐步受到由气体压力 产生的向下力，开始克服弹簧的向上力，逐渐使活门 组件向下移动，至使合力趋于平衡状态。 4） 低压稳定不变，合力平衡工况 当低压腔的压力达到与弹簧力趋于平衡时，出 口压力继续上升。因为要达到让活门的密封垫和活 门座关闭，还需要附加个密封力（ 即将活门的密封 垫和活门座紧压，使密封垫对活门座高压气体密封 所必须的变形力） 。活门关闭。此时减压器输出压 力达到一 个 平 衡 状 态，近 似 原 设 计 预 设 的 输 出 压 力值。 5） 有压力流量输出工况 当减压器需要提供压力和流量时，在出口下游 处的截止阀将被打开，这时流量大于零。而在此前 减压器的密封垫和活门座是关闭密封的，所以减压 器的高压气体无法进入至低压腔。由于流量产生的 压力，先使减压器低压随着腔的压力下降，此时破坏 了之前的静态力平衡。低压腔的压力减小，向下的 合力也在减小，而向上的合力没变，因此大于向下的 合力，促使活门组件向上运动，离开活门座，活门被 开启。此时高压气体通过开启的活门座进入低压 腔，并使低压腔的压力尽可能的达到原先的平衡值。 当减压器工作在流量、压力有变化的情况时，减 压器将由活塞感应输出流量、压力的变化，并通过活 门的相应变化来使出口的压力尽量保持原先的平衡 压力值。所以该减压器是一个靠自身介质的能量， 并带有反馈的压力控制闭环装置。它始终处在外界 因素造成压力不平衡和自身趋于修正至压力平衡的 变化中。
Abstract： Introduce a new structure gas pressure reducer，its structure，working principle is analyzed． Through the establishment of mechanical model expounds its characteristics，and classic shows it has many advantages，and has good application prospect．
图 2 典型减压器结构
2． 2 新型、经典减压器工作原理的比较 区别一： 经典结构由于活门和感应膜片不是一
体的组合件，并且调整压力的弹簧力和新型结构相 反，所以，当反馈力作用时，减压器不但反应慢，还有 活门关不了的可能。输出压力升高只能与调节弹簧 平衡，给活 门 关 闭 创 造 一 个 条 件，产 生 打 开 活 门 的 力。而活门的关闭力仍靠活门弹簧一个不变的力来 执行。一旦活门或顶杆有卡滞现象或密封面有异 物，使密封力增加，会出现因活门不密封而使出口压 力爬升到进口压力值，反馈力再大也不能使活门关 闭，致使减压功能完全失效，并对下游负载造成安全 威胁。新型结构的活门组件，由于受输出压力直接 作用，是个可变的力，出口压力越高，关闭活门的力 越大，它可由增加密封力来达到所需求的密封条件， 较好地解决了经典结构的短处。在理论和实际情况 下都充分体现了这一优点，而且使组件压力响应快， 安全可靠。
图 3 新型减压器各作用力分布
新型减压器力学模型建立如下：
向上的合力为 F1 + F3 + F0 + N + M 其中： F1为进口气体作用于阀口截面积产生的力； F3为出口气体作用于活塞杆截面积产生的力； F0 为 外界大气压力对大活塞截面积产生的力； N 为弹簧
压缩产生的力； M 为阀口密封力。
2 经典减压器结构及原理与新结构减压器 的区别
2． 1 经典减压器结构 如图 2 所示，典型减压器结构相对于新型的较
为复杂，零件较多，由盖、活门螺塞、本体、活门组件、 调节 螺 杆 组 件、调 节 弹 簧、弹 簧 垫 块、活 门 弹 簧、活 塞、活门顶杆和一个 O 型圈等 10 个零件和一个密 封附件组成一款典型减压器，它的另款膜片形式还 要多 2 个零件。
典型减压器进行对比。
表 1 减压器基本结构形式分类
基本结构形式 正作用式 反作用式 平衡式
介质对活门作用合力方向的趋势 合力趋势为开启 合力趋势为关闭 合力趋势为零
1． 2 新型减压器结构 新型减压器结构如图 1 所示，结构简洁，零件
少，由盖、本体、活门组件、1 根弹簧和 2 个 O 型圈组 合而成。仅 4 个零件和 2 个密封附件就形成为一款 新型减压器。它的活门组件结构非常巧妙，将感应 活塞和密封垫组合在一个组件中省去了很多零件， 使得该结构简单、可靠和安全。
Discussion of principle and characteristics of a new structure gas pressure reducer
JIN Suyou
（ Shanghai Regulator Factory Co． Ltd，Shanghai 201206，China）
5 新型减压器主要性能
5． 1 稳定性 稳定性，指进口压力从最大值变化到最小值，输
出压力的相应变化值。而该产品的压力高、流量小， 使阀口能设计的很小，即 D1 取很小。从力平衡方程
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分析可知，其变化对平衡方程影响较小，这是一大优 力。很多减压器在工作时会产生震动或啸叫，这和
（ 4）
P2 （ D22 + D21 － D23 ） = P1 D21 + P0 （ D22 － D23 ） +
4 π
（
N
+
M
－
f合）
（ 5）
则：
P2
P1 D21ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ=
+ P0（
D22 － D23 ）
+ 4（N π
（ D22 + D21 － D23）
+M
－ f合）
（ 6）
其中： P1 为 进 口 压 力； P2 为 出 口 压 力； P0 为 大 气
该文对这一新型气体减压器进行剖析，并同时 与目前常用的经典气体减压器进行比较，进一步了 解工作特点和巧妙的设计思路。
1 新型气体减压器的正作用式结构及工作 原理
1． 1 减压器基本结构形式分类 减压器基本结构形式分类如表 1 所示。为方便
讨论起见，以下以正作用式为例，叙述新型减压器的
机构、工作原理和力学模型，分析其性能特点，并和
P2 S2 － f合 = 0
（ 2）
即 P1
π 4
D21
+ P2
π 4
（
D23
－
D21 ）
+ P0
π 4
（
D22
－
D23 ）
+
N + M － P2
π 4
D22
－ f合
=0
（ 3）
整理得：
π 4
［P1
D21
+ P2（
D23
－
D21
－
D22 ）
+ P0 （ D22 － D23） ］+
N + M － f合 = 0
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 / TC124 / SC3） 。
区别二： 由于结构的不同，经典减压器的弹簧有 2 个弹簧串接，也没有震动阻尼措施，并对震动的排 除很困难。而新型结构减压器仅有一个弹簧和 2 个 密封圈，在密封的同时又起到了震动阻尼作用，效果 十分明显，不易发生震动现象。
区别三： 经典结构必须有调节弹簧，由于结构关
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系感应面积 较 大，而 且 由 于 力 的 方 向 原 因，只 能 串 接，造成调节部分很大很长，加大了产品体积。
其余部分基本相同，如依靠介质的能量进行工 作； 均为正作用式； 均由输出压力控制反馈力达到减 压目的。
3 新型减压器力学模型的建立
3． 1 新型减压器力学模型的建立 新型减压器各作用力分布如图 3 所示。
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新型结构的气体减压器原理和特性探讨
金苏友
( 上海减压器厂有限公司，上海 201206） 摘要： 介绍一款新型结构气体减压器，对其结构、工作原理进行分析，通过力学模型的建立阐明 了它的特点，与经典产品比较体现出它的诸多优势，具有良好的应用前景。 关键词： 气体减压器; 减压器结构; 减压器原理; 减压器力学模型 中图分类号： TP277 文献标志码： B 文章编号： 1000 － 0682( 2012) 06 － 0100 － 04