徐百匯

(東海艦隊(duì)裝備部，上海 200083)

0 前言

應(yīng)用于大功率柴油機(jī)的氣體減壓閥是柴油機(jī)氣動(dòng)系統(tǒng)的重要控制部件之一。柴油機(jī)因減壓閥損壞，使輸出氣體壓力、流量降低，導(dǎo)致柴油機(jī)啟動(dòng)、換向操作失?。?］的故障常有發(fā)生;近期，在某型船修理柴油機(jī)試車時(shí)，因氣體減壓閥輸出壓力過(guò)高，使柴油機(jī)盤車轉(zhuǎn)速過(guò)快，引起柴油機(jī)遙控系統(tǒng)誤報(bào)警，導(dǎo)致試車失敗?？梢?jiàn)，減壓閥的性能好壞直接影響著柴油機(jī)能否正常工作;而作為艦船“心臟”的柴油機(jī)，能否正常盤車、啟動(dòng)工作必將影響艦船的動(dòng)力保障及其在航率。

本文研究的某型減壓閥即為應(yīng)用于某型柴油機(jī)空氣啟動(dòng)系統(tǒng)的一種常溫、中壓型自動(dòng)閥門，它將壓縮空氣減壓至系統(tǒng)所需的壓力，并在輸入壓力范圍 (2.5～3.0 MPa)及相應(yīng)的流量范圍內(nèi)，使輸出壓縮空氣壓力穩(wěn)定在1.3～1.5 MPa，達(dá)到柴油機(jī)盤車和技術(shù)保養(yǎng)時(shí)轉(zhuǎn)動(dòng)柴油機(jī)曲軸的功能。另外，機(jī)艙布置要求該閥體積小、質(zhì)量輕，易于安裝，且要求可正向、反向安裝使用。目前，直動(dòng)式氣體減壓閥大多采用單向進(jìn)氣，結(jié)構(gòu)較復(fù)雜，而正、反向安裝均滿足系統(tǒng)工作需求的減壓閥未見(jiàn)其他研究報(bào)道。因此，分析該型減壓閥設(shè)計(jì)技術(shù)具有特殊的工程實(shí)際意義和理論學(xué)術(shù)價(jià)值。

1 減壓閥技術(shù)及性能要求

為實(shí)現(xiàn)對(duì)壓縮空氣減壓的控制，減壓閥應(yīng)具備以下基本功能［2］:密封性能、強(qiáng)度性能、調(diào)節(jié)性能、減壓性能和流通性能。

1)密封、強(qiáng)度性能要求。

在最大進(jìn)口壓力時(shí)，閥瓣和閥座、活塞和閥體以及法蘭連接的密封能夠長(zhǎng)時(shí)間不泄露;減壓閥閥體，包括閥體與焊接點(diǎn)在內(nèi)的整個(gè)殼體有足夠的致密性，能夠滿足耐壓要求。

2)調(diào)節(jié)性能要求。

在任何允許流量狀態(tài)下，當(dāng)輸入氣體壓力在規(guī)定范圍內(nèi)變化時(shí)，輸出壓力應(yīng)能在最大值與最小值之間連續(xù)調(diào)整。

3)減壓性能要求。

每次啟動(dòng)時(shí)減壓閥進(jìn)口壓力、流量可能不同，但要求進(jìn)口壓力在2.5～3.0 MPa范圍內(nèi)時(shí)，減壓閥經(jīng)調(diào)整后的出口壓力能穩(wěn)定在1.3～1.5 MPa范圍內(nèi)，且調(diào)整后調(diào)定值能夠長(zhǎng)期保持穩(wěn)定。

4)流通性能要求。

柴油機(jī)盤車過(guò)程中，減壓閥出口處的流量、輸出壓力是脈沖式階躍變化的。在規(guī)定的輸出壓力范圍內(nèi)，減壓閥應(yīng)能夠提供實(shí)現(xiàn)柴油機(jī)功能所需的流量。

5)外形尺寸要求。

由于艦船內(nèi)部艙室空間限制和已有系統(tǒng)接口要求，該型減壓閥要求長(zhǎng)×寬×高不大于100 mm×60 mm×300 mm。

2 減壓閥設(shè)計(jì)原則與關(guān)鍵技術(shù)分析

2.1 設(shè)計(jì)原則

根據(jù)某型減壓閥使用條件，設(shè)計(jì)時(shí)遵循了以下原則。

1)依照減壓閥在柴油機(jī)空氣啟動(dòng)系統(tǒng)中的作用、連接方式及總體設(shè)計(jì)要求，減壓閥按常溫、中壓、法蘭連接、小口徑定值自動(dòng)閥門要求進(jìn)行設(shè)計(jì)。

2)減少非標(biāo)零件數(shù)量、原材料品種，增加零部件的通用性，降低設(shè)備全壽命周期費(fèi)用。

3)減壓閥需保證接口合適、結(jié)構(gòu)緊湊、體積小巧、操縱維修簡(jiǎn)單，并且具有高的可靠性和穩(wěn)定性。

2.2 關(guān)鍵技術(shù)分析

1)壓力調(diào)節(jié)方式。

減壓閥的壓力調(diào)節(jié)方式有直動(dòng)式和先導(dǎo)式兩類。先導(dǎo)式減壓閥調(diào)壓使用的壓縮空氣，一般由小型直動(dòng)式減壓閥供給。若直動(dòng)式減壓閥與主閥合成一體，則稱為內(nèi)部先導(dǎo)式減壓閥，適用于精密減壓閥、氣動(dòng)儀表和低壓氣動(dòng)控制及射流裝置的供氣裝置。若與主閥分離，則稱主閥為外部先導(dǎo)式減壓閥，適用于調(diào)整大口徑的氣動(dòng)系統(tǒng)壓力和遠(yuǎn)距離調(diào)壓控制的場(chǎng)合［3］。

由于某型減壓閥的外形尺寸及使用環(huán)境的約束，若采用先導(dǎo)式結(jié)構(gòu)的減壓閥，將使其外形尺寸過(guò)大，結(jié)構(gòu)復(fù)雜，尺寸難以控制在要求范圍內(nèi)。因此，該減壓閥采用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、操縱靈活的直動(dòng)式壓力調(diào)節(jié)方式。

2)調(diào)壓元件結(jié)構(gòu)形式。

減壓閥常用的調(diào)壓元件結(jié)構(gòu)形式包括膜片式和活塞式2種。膜片式減壓閥，通過(guò)比較調(diào)壓彈簧力與作用于膜片的輸出壓力間的差值來(lái)改變閥芯升降，從而改變節(jié)流口開(kāi)度，達(dá)到調(diào)整輸出壓力的目的?；钊綔p壓閥通過(guò)預(yù)先調(diào)節(jié)活塞行程，當(dāng)作用在活塞上的合力與調(diào)壓彈簧的彈力相平衡時(shí)，減壓閥便獲得一定開(kāi)度，從而獲得需要的輸出壓力。

某型減壓閥使用環(huán)境溫度較高，考慮膜片元件的抗溫變、抗老化性能等實(shí)際問(wèn)題，采用膜片式調(diào)壓元件顯然不是最佳方案。因此，某型減壓閥應(yīng)選用耐壓能力高、耐溫變、無(wú)附加剛度、阻尼大、導(dǎo)向性好的活塞式調(diào)壓機(jī)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)形式的特點(diǎn)是以活塞作為力平衡機(jī)構(gòu)，使得閥的體積較小，活塞允許行程較大，雖然對(duì)制造工藝要求嚴(yán)格，但特別適用于溫度較高的柴油機(jī)機(jī)艙環(huán)境。

3)調(diào)壓彈簧的配置方式。

單簧式減壓閥中只有1個(gè)調(diào)壓彈簧。在調(diào)壓范圍內(nèi)，其彈簧剛度為定值，調(diào)壓彈簧力與輸出壓力成正比，常用于體積小、通徑小的場(chǎng)合。串聯(lián)式有主、副2個(gè)調(diào)壓彈簧，經(jīng)中間彈簧座而互相串聯(lián)。串聯(lián)式調(diào)壓彈簧使輸出壓力在高、低調(diào)定值下都能獲得較好流量特性［4］。

為滿足某型減壓閥的尺寸要求，實(shí)現(xiàn)該閥門緊湊、小巧的設(shè)計(jì)要求，結(jié)構(gòu)型式選用單簧式彈簧配置方式。

4)閥芯作用形式及其結(jié)構(gòu)。

減壓閥閥芯作用形式有背壓式和卸荷式2種。卸荷式機(jī)構(gòu)的作用是卸掉一部分負(fù)荷，減小進(jìn)、出口壓力對(duì)活動(dòng)部件的作用面積，提高穩(wěn)壓精度，保證主密封的可靠性［5-6］。文獻(xiàn) ［7］研究提出，平衡式閥芯結(jié)構(gòu)可解決流量特性和調(diào)壓特性之間的矛盾，綜合性能較背壓式進(jìn)氣閥芯結(jié)構(gòu)好，但平衡式減壓閥結(jié)構(gòu)復(fù)雜，主要用在高穩(wěn)壓精度、大流量的場(chǎng)合。

某型減壓閥出口氣體驅(qū)動(dòng)船用柴油機(jī)汽缸，氣體減壓后提供柴油機(jī)盤車運(yùn)行所需的壓縮空氣，因柴油機(jī)工作過(guò)程中要求的氣流量不太大，且允許氣體壓力小幅波動(dòng) (1.3～1.5 MPa)，柴油機(jī)對(duì)減壓閥穩(wěn)壓精度要求并不很高。遵循緊湊、簡(jiǎn)練的設(shè)計(jì)原則，減壓閥采用融合卸荷式結(jié)構(gòu)特點(diǎn)的閥芯力反饋帶自密封特性的非完全卸荷式減壓閥結(jié)構(gòu)形式。該結(jié)構(gòu)的獨(dú)到之處主要體現(xiàn)在活塞式閥芯上，閥芯設(shè)計(jì)成上、下兩端結(jié)構(gòu)不同的“土”形結(jié)構(gòu)，其上端為高壓承壓端即活塞端，下端為低壓反饋卸荷端即閥瓣。安裝時(shí)將活塞端置于高壓腔，閥瓣置于低壓腔。為便于安裝和拆卸，活塞端與閥芯設(shè)計(jì)成一體式結(jié)構(gòu)，閥瓣設(shè)計(jì)成可拆裝的鑲嵌式緊固件結(jié)構(gòu)。閥瓣除了實(shí)現(xiàn)反饋卸壓功能外，還實(shí)現(xiàn)了減壓閥的節(jié)流減壓以及啟閉件的密封功能?；钊介y芯結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 活塞式閥芯結(jié)構(gòu)示意圖

5)減壓閥密封形式。

閥門的密封性能是考核閥門質(zhì)量的主要指標(biāo)之一。閥門密封問(wèn)題主要包括2個(gè)方面，即內(nèi)漏和外漏［6］。內(nèi)漏是指閥座與閥瓣之間密封不良造成的介質(zhì)泄漏。外漏則是指閥芯密封部位的泄漏、法蘭墊片部位的泄漏及閥體因材料、焊接缺陷造成的滲漏。

(1)閥門的密封面。

閥門的密封面是指閥座和閥瓣相互接觸而進(jìn)行關(guān)閉的部分，該處密封屬隔離式密封。出于防銹蝕考慮，船用減壓閥采用的密封副材料，多為不銹鋼或銅合金，其中銅合金強(qiáng)度極限較低，在閥門中應(yīng)用日趨受到限制［8］，采用非金屬—金屬組合的密封面結(jié)構(gòu)密封性能較好［9-10］。

某型減壓閥的特點(diǎn):在非工作狀態(tài)下，閥瓣與閥座處于常開(kāi)狀態(tài)。該減壓閥閥芯需要設(shè)置彈性密封面，一方面可減緩閥門開(kāi)啟時(shí)的瞬時(shí)高壓對(duì)閥座、鑲嵌式閥瓣結(jié)構(gòu)造成的沖擊，另一方面在輸入壓力過(guò)高時(shí)形成截止密封以免柴油機(jī)及其管路受損。為實(shí)現(xiàn)以上功能，某型減壓閥采用軟硬材料結(jié)合的密封形式，閥瓣、閥座之間采用帶彈性元件的錐面密封結(jié)構(gòu)。錐面密封的優(yōu)點(diǎn)在于不易積存污垢，在軸向力相同時(shí)比平面密封的比壓要大，適用于公稱尺寸較小和重要的閥門［11］。

鑲嵌式閥瓣由螺母緊固;為增強(qiáng)密封定位效果，閥瓣內(nèi)部配合的密封件表面設(shè)計(jì)了凹凸式定位結(jié)構(gòu);彈性元件選用以耐油、耐熱以及機(jī)械強(qiáng)度大的特種橡膠—氟橡膠［12］為材質(zhì)的異形密封圈。該減壓閥密封圈如圖2所示。

圖2 異形密封圈結(jié)構(gòu)示意圖

閥座與閥體進(jìn)行一體式加工，對(duì)密封表面采用精研磨工藝，以提高密封面的平整度。閥瓣裝配及其與閥座密封面配合的示意圖如圖3所示。

圖3 閥瓣裝配及其與閥座密封面配合示意圖

(2)閥芯密封。

閥芯是可動(dòng)部件，是最易產(chǎn)生外漏的部位，并且也是減壓閥實(shí)現(xiàn)節(jié)流減壓以及開(kāi)啟、關(guān)閉功能的重要部件，因此閥芯密封非常重要。

閥芯密封屬于動(dòng)密封，通常采用壓縮填料密封。某型減壓閥采用成型填料密封的O形密封圈擠壓型密封。O形密封圈安裝在槽內(nèi)預(yù)先被擠壓，產(chǎn)生預(yù)緊力，工作時(shí)又靠壓縮空氣壓力擠壓密封圈產(chǎn)生預(yù)緊力，封閉密封間隙，達(dá)到密封目的。因?yàn)镺形密封圈結(jié)構(gòu)緊湊，所占空間小，動(dòng)摩擦阻力小，拆卸方便，成本較低，所以O(shè)形圈適合作為減壓閥活塞式閥芯密封件，安裝部位如圖1中D所示。

另外，在閥芯的活塞端開(kāi)出3處儲(chǔ)油槽，儲(chǔ)油槽的作用有3個(gè):①用于貯存和提供潤(rùn)滑活塞與閥體的潤(rùn)滑脂;②構(gòu)成曲折密封，衰減壓縮空氣到達(dá)O形密封圈時(shí)的壓力，起輔助密封作用;③使閥芯周向的壓力分布更均勻，克服作用在閥芯上的側(cè)向力。側(cè)向力與閥芯運(yùn)動(dòng)方向垂直，可能會(huì)使得閥芯與閥體間的摩擦力變得很大，嚴(yán)重時(shí)會(huì)使閥芯不能移動(dòng)，失去調(diào)節(jié)作用。儲(chǔ)油槽結(jié)構(gòu)如圖1中A、B、C所示。

為達(dá)到活塞端與閥體之間良好的配合密封效果，采用具有一定長(zhǎng)度的基孔制高精度間隙配合。

(3)法蘭密封。

考慮連接法蘭密封要求時(shí)，需將法蘭、墊片、螺栓與連接管路作為一個(gè)整體進(jìn)行分析。因該處密封形式為靜密封，為與柴油機(jī)管路結(jié)構(gòu)匹配，減壓閥的法蘭形式采用榫槽式結(jié)構(gòu)，螺栓采用M10標(biāo)準(zhǔn)件，墊片采用夾布橡膠平墊片。

6)減壓閥主要元件的材料。

材料的選擇需考慮介質(zhì)的溫度、壓力、耐腐蝕要求以及加工制造的工藝性等，由于船用設(shè)備的特殊要求，對(duì)由許多零部件構(gòu)成的減壓閥而言，選擇適合的材料對(duì)閥門的性能和壽命有重要的影響。

閥體是減壓閥的承壓件和控壓件，選用的材料必須達(dá)到要求的力學(xué)性能，同時(shí)具備良好的冷、熱加工性能。為使某型減壓閥的閥體具有良好耐腐蝕、抗高溫氧化和耐低溫性能，選擇奧氏體不銹鋼06Cr17Ni12Mo2 棒材［13］作為閥體材料。

閥芯或閥座材料可選用棒材或鍛件。某型減壓閥閥芯是運(yùn)動(dòng)元件，需要具備抗擦傷、耐腐蝕的性能，并且具有足夠的擠壓拉伸強(qiáng)度?？紤]到與閥體材料的配合，閥芯及相關(guān)配合件材料均選用具有高強(qiáng)度和減摩性，良好耐蝕性、良好熱態(tài)下壓力加工性的鋁青銅棒材。

3 減壓閥總體結(jié)構(gòu)特點(diǎn)分析

某型減壓閥的總體結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)如圖4所示。

減壓閥在正向和反向安裝狀態(tài)下，均可將2.5～3.0 MPa壓縮氣體減壓并穩(wěn)壓在1.3～1.5 MPa范圍，滿足柴油機(jī)及其系統(tǒng)使用需求。該減壓閥具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、緊湊、體積小、重量輕、可維護(hù)性好等特點(diǎn)，為同類氣體減壓閥設(shè)計(jì)提供了典型范例。

圖4 減壓閥總體結(jié)構(gòu)示意圖

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