超高压气动减压阀的研究

机床与液压

MACHINE　TOOL　&　HYDRAULICS

1999年　第3期　No.3　1999

超高压气动减压阀的研究

刘祖前

摘要：本文介绍了超高压气动减压阀的工作原理、主要的结构设计计算和试验情况，并分析了

该阀的结构特点。

关键词：超高压气动减压阀　活门座　设计

Study of superpressure pneumatic reducing valve

Liu Zuqian

Abstract:This article introduces the operating principle, design and calculation

of main construction and test of superpressure pneumatic reducing valve, and

analyzes its structure characteristics.

Keywords:Superpressure pneumatic reducing valve　Valve seat Design

1　前言

超高压气动减压阀是气动刹车系统的重要元件。因为气体粘度小，容易泄漏，而且系统工

作压力高，阀的输入压力为11～13MPa，最高输出压力为7MPa，所以，阀的密封性和耐久性成为

突出的问题。这里介绍的超高压气动减压阀突破了传统结构［1］，且对重要零、组件进行了优

化设计，使得阀在高压情况下无泄漏，其它性能也都满足了使用要求。

2　工作原理

超高压气动减压阀的工作原理如图1所示。当压头无外力作用时，气源来的气体由输入口进

入阀体下部气室，进气阀门在气压和复位弹簧的作用下与进气阀门座压紧，阀输出口无气体输

出。当压头受外力F作用时，压头下移，通过平衡弹簧压缩复位弹簧1，将排气阀门压下与排气

阀门座接触，使输出口与大气隔离，压头继续下移，顶开进气阀门，压缩空气由进气阀

门控制

的通道进入阀后面的执行元件气缸。随着气缸压力的增加，进气阀门的开度逐渐减小，直到输

出口压力p2与压头上的作用力相平衡时进气阀门关闭。当外力消除后，进气阀门在气压和复位

弹簧2的力作用下，向上移动关闭。与此同时，压头与排气阀门在复位弹簧1的力及排气压力的

作用下复位，排气口开启，原输出的气体由排气阀门经消声器排入大气。

图1　结构工作原理图

现在再来研究排气阀门处于某一平衡位置时的状态。忽略压头、排气阀门等的重力和摩擦力，排气阀门受力平衡方程为：

F＝p1A1＋p2（A2－A1）＋Fs＋F f（1）

式中：Fs——两个复位弹簧的弹力之和；

Ff——密封圈的摩擦力；

A1、A2——分别为进、排气阀门的有效受压面积，

A1＝π（d12－d012）／4，

A2＝π（d2－d022）／4；

d——排气阀门座直径；

d01——顶杆下段直径；

d02——顶杆上段直径。

由式（1）知，阀的输出压力p2与压头上的作用力F成比例(见图4)。

3　设计和计算

设计超高压气动减压阀一般是先根据给定的设计参数和工作条件，选择阀的结构型式，然

后进行结构参数的选择和计算。

通常给定的参数有：气源压力、阀最大输出压力、通气能力、最大操纵力和行程等。设计

和计算的内容有：选择的结构型式，据通气能力和工作压力确定阀的结构尺寸，据行程和操纵

力设计平衡弹簧等。

阀的结构设计重点在于进气阀门、排气阀门和活门座的密封结构，因为气体粘度小，且工

作压力高，容易泄漏。阀的结构见图1。

(1)通气能力计算

阀的通气能力是指在给定的气源压力、阀输出压力、执行元件气缸及阀后管道的容积的情

况下，阀的充气、排气时间。

通气能力取决于进气通道和排气通道的面积。阀在充气和排气过程中时间很短，我们忽略

热交换的影响，即绝热充气和绝热排气。另外，根据阀的工作压力，阀是以音速充气和音速

排气。因此阀的进气通道有效面积Aa按下式计算［2］：

(2)

式中：V——充气总容积；

K——比热比，绝热充气时，K＝1.4；

T——空气的温度，标准空气的温度T＝293.15K；

t1——充气时间；

R——气体常数，R＝287.1N*m/kg/K；

p1——阀输入口压力；

p2——阀输出口压力；

p20——气缸内在充气开始前的压力。

∵A1=Aa

∴根据结构(见图1和图2)，进气孔直径

（3）

按等面积原理，进气阀门与阀门座的轴向距离(开度)

h c≥(d12-d012）／（4d1）（4）

放气通道有效面积按下式计算

（5）

式中：t2——排气时间；

p20——气缸内排气初始压力；

pa——外界压力。

其它符号意义同式(3)。

放气孔直径(见图1和图2)

　（6）

放气阀门与阀门座的轴向距离(开度)

h2≥(d22-d022）／（4d）（7）

(2)排气阀座直径的计算

由阀的工作原理知道，排气阀门座直径d的大小直接影响阀的调压精度。若其直径大，则阀

的调压精度高；反之，则阀的调压精度低。但是，排气阀门座直径又受到操纵力的限制。排气

阀门座直径(见图3(b))可由式(1)得到