高压大流量减压阀出口压力高精度自控装置

， (宁波星箭航天机械有限公司 研发中心， 浙江 宁波　315153)

引言

减压阀出口压力精度是减压阀重要参数之一，它决定系统要求压力变化是否在规定范围内，且流量是否稳定。

我公司生产的气控膜片式高压大流量减压阀，可对45 MPa以下的高压气体进行减压，输送空气的质量流量最大可超过30 kg/s(体积流量1500 m3/min以上)，已广泛应用于国内气动领域。

这类减压阀由于体积大及活门行程大，主要作为流量型(非压力型)减压阀使用，其活门往往采用硬密封形式。硬密封活门的减压阀一般不设卸压口，进口压力直接作用在整个活门密封面积上，其出口压力精度不高，且活门存在一定的泄漏量。作为流量型减压阀，活门少量泄漏和出口压力精度稍低，但有些用户对出口压力精度要求很高，同时不允许当活门关闭、流量为零时存在由于活门渗漏引起的出口压力持续上升现象(主要原因是起始压力不恒定引起)。

本研究拟对硬密封活门气控膜片式高压大流量减压阀(主要以型号WS34-001为对象)的结构进行分析，试图找出在不改变原结构的前提下提高出口压力精度的方法，并减小出口压力因活门渗漏引起的持续上升，以满足不同用户的需要。

1　硬密封活门气控膜片式高压大流量减压阀结构原理

我公司生产的气控膜片式高压大流量减压阀由高压腔、低压腔和控制腔三部分组成。减压阀结构原理如图1所示。

图1中，1、5、7是弹簧，2是活门，3是活门座，4是顶杆，6是膜片，8是控制减压阀，高压腔与高压气瓶相连，低压腔与工作管路相连，控制腔则与一个控制减压阀相连。低压腔和控制腔由膜片6分隔，高压腔与低压腔由活门分隔，低腔内有顶杆4，高压腔内有活门2及回位弹簧1。其工作原理是：高压气体p1进入高压腔后，打开并调节与控制腔相连的控制减压阀8，调节至所需值，固定调节螺杆。此时控制气pk进入控制腔，膜片6在控制气pk作用下向上运动，顶杆4随之向上运动顶开活门2，高压气体经过活门与活门座3形成的狭窄通道，受到节流，压力降低为p2，输出供工作系统使用。

图1　高压大流量减压阀结构原理图

当p2因某种原因(如供气压力p1下降)而降低时，p2对膜片向下的作用力也减小，膜片在控制气pk的作用下向上运动，通过顶杆将活门顶得更开，p2便又恢复原来的调定值；反之，p2升高则活门关小。因此活门总是处在一种动平衡状态，保持p2基本稳定。

2　减压阀受力情况分析

减压阀工作时活门上受力平衡方程式为：

pkA1+3k3(a3-h)+p2A2=p2A1+

3k2(a2+h)+p1A2+k1(a1+h)

整理经过变换，可得出口压力偏差：

(1)

式中： Δp2为某两个时间点的出口压力差值；Δpk为某两个时间点的控制压力差值；Δp1为某两个时间点的进口压力差值；Σk为弹簧刚度之和；Δh为活门在某两个时间点的开度之差。

出口压力调到要求值之后，控制减压阀杆就固定了，也就是说，pk是个恒定值，因此Δpk=0，式(1)实际上就成了下式：

(2)

在式(2)中，A2的数值很大，Δp1、Σk、Δh数值都比较小，以WS34-001为例：A2=π/4D2=0.785×29.62=687.8 mm2，其中D为活门密封面的直径， mm；Δp1一般10 MPa左右，Σk=73.8 N/mm，Δh<6 mm。

可见，Δp1×A2总是大于Σk×Δh，于是恒有Δp2>0。而任一时刻的p2=p20+Δp2，式中，p20为工作起始时调定的出口压力。

由于Δp2恒为正值，这种结构的减压阀压力输出特点是：随着高压气瓶压力p1不断下降，输出压力p2逐渐上升。根据多次试验结果，在一定时间内上升斜率可达5%左右。因此这种结构减压阀输出压力精度不高，只能在精度要求不高或试验时间很短场合使用。对要求输出压力精度高、试验时间长的用户，就不能满足使用要求。鉴于上述情况，我们设计了一套减压阀出口压力高精度自动控制装置。

3　减压阀出口压力高精度自控装置组成

减压阀出口压力高精度自动控制装置由人机界面、PLC程序控制器、压力信号采集模块、、压力传感器、开关电源、电磁阀等组成。应用到控制气路，其控制原理如图2所示。

图2　控制装置气路控制原理

如图2所示，除压力变送器10外，自动控制装置的控制元器件都安装在控制箱体6内。在减压阀控制腔出口接一条管路，管路上装有电磁放气阀1和限流孔板2，电磁放气阀由PLC程序控制器8程序控制，程序控制器及模/数转换模块7与人机界面5通讯，压力变送器10从减压阀出口管路取出压力信号，送至模/数转换模块7。此管路称为工作状态控制管路。

此外，由于减压阀金属硬密封的活门和活门座难以避免的碰撞磨损，在减压阀待机状态，此时活门应该是关闭的，但高压气可能通过磨损的活门和活门座进入低压腔，使低压腔压力不断升高，造成安全阀起跳，甚至有可能给减压阀和下游管路带来安全隐患。为此，在减压阀低压腔取压口接另一条管路，管路上装有电磁放气阀3和限流孔板4，电磁放气阀3由PLC程序控制器8程序控制。此管路称为待机状态控制管路。

4　压力高精度自动控制装置的工作原理

压力高精度自动控制装置的工作流程如图3所示。

图3　控制装置工作流程图

其工作原理是：预先打开本装置的电源，然后设置人机界面显示屏主控制界面参数。主控制界面如4所示。

图4　主控制界面

首先把转换开关拨到自动档，把待机/工作状态开关拨到D2(控制腔放气电磁阀)，设置减压阀出口压力p2的上限值p2max(1.02 MPa)、下限值p2min(1.00 MPa)。

点击主控制界面下方的延时按钮，设定远控延时时间为2 s(延时设置是为了避开减压阀启动时的过大冲击)。

当图2气动球阀14开启信号传至模/数转换模块7、PLC程序控制器8时，经过2 s延时，PLC程序控制器按照编制的自动控制程序自动运行。压力变送器10实时检测p2值，信号传至PLC程序控制器8，与设定的上、下限值进行比较。当p2≥p2max时，PLC程序控制器8开启电磁放气阀1，通过限流孔板2对控制腔放气，控制气pk下降后，p2随之下降；当p2≤p2min时，PLC程序控制器8关闭电磁放气阀1，控制气pk停止下降，p2转为上升。如此不断反复，p2便可控制在设定的上、下限值之间，从而减压阀出口压力平稳输出，消除了之前出口压力随着时间推移会不断升高的弊端。点击控制界面实时曲线按钮，可实时查看控制后的出口压力-时间变化实时曲线，实时曲线界面如图5所示。

图5　实时曲线界面

减压阀停机后，出口压力关闭，气源未关，减压阀处于待机状态，这时把待机/工作状态开关拨到D1(低压腔放气电磁阀)，设置减压阀出口压力p2的上限值p2max=1.01 MPa,下限值p2min=1.00 MPa。在待机状态下当p2≥p2max时，PLC开启电磁放气阀3，通过限流孔板4对低压腔放气；当p2≤p2min时，关闭电磁放气阀3，使p2始终处在允许值p2max以下，从而保证操作安全，消除系统安全隐患。

5　结论

经实际使用，活门为硬密封的气控膜片式高压大流量减压阀,减压阀加装出口压力高精度自动控制装置后，在其工作状态，通过控制装置自动控制减压阀的控制腔压力pk，原来随时间上升的出口压力被展平，出口压力精度得到可靠控制，在减压阀待机状态，通过检测低压腔压力，能够适时卸除由于减压阀活门泄漏产生的压力上升，保证操作安全和系统安全。

从图5实时曲线界面可看出，现在达到的减压阀出口压力变化量为±1%，这么高的控制精度已完全满足用户的要求。

此压力精度自动控制装置得到用户的好评，现已成功装机多套。

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