弹簧直接载荷式安全阀的动作性能主要是通过弹簧来控制的,确切的说弹簧的刚度影响最大,如果弹簧刚度选择不当,可能造成安全阀不能正常地工作。由于这种特殊性,在安全阀弹簧设计时,首先就要确定弹簧的刚度,并力求接近于实际的排放工況。

目前主要是采用以下几种方法来初步计算弹簧的刚度,最终还要通过试验确定弹簧的理想刚度值。另外安全阀用的弹簧基本都是圆柱螺旋压缩弹管,所以在这一节里只介绍圆柱螺旋压缩弹簧,除非有说明外,这里所说的弹簧玓指圆柱螺旋压缩弹簧。若想采用其他形式的弹簧,请查阅相关的弹簧设计手册。

1、升力系数p的概念

弹簧式安全阀的动作特性,即排放压力、开启高度、回座压力等性能,取决于阀门开启和关闭(回座)过程中流体对阀瓣作用的升力与弹簧载荷力的共同作用结果,上述两力在阀门动作过程中都是变化的。

阀瓣升力的变化情況可用升力系数p来表述。升力系数p是阀瓣升力F与介质静压力作用在等于流道面积的阀瓣面积上产生的作用力的比值。即:

     升力系数p取决于阀门结构以及影响介质流动的各零件的形状和尺寸，并随开启高度、调节阀位置和介质的不同而变化，通常智能借助试验来确定。图示2.5-1为安全阀瓣升力系数曲线的一些例子。

系数p可以大于1也可以小于1，p值越大，升压就越大，安全阀的开启高度也就越高，因而排放能力也就越大越大。试验研究表明，安全阀流道部分的几何参数不同，对p的影响

不一样。对于确定的几何参数的安全阀，ρ值仅仅取决于相对开启高度H=h/ (开高／流道直径）图2.5-2表示安全阀在不同的相对开启高度H下，系数ρ与/比值之间的关系曲线。（图中模型参数 do=20mm 时，/=1.15-1.8,H=0.05-0.4)

从图中可以看出当不变时，阀瓣直径的的增大使得升力系数ρ值也增大，但相对开启高度比值H对ρ值的影响程度很大，H 值比较大的时候，随着 /的增大，ρ值增加的很快，如图中H=0.4时的曲线。反之当H比较小时，ρ值增加的较慢，如H=0.1时的曲线。

从曲线中还可以看出当/约等于1.35时，ρ值不随开启高度的变化而变化，当小于1.35时，ρ值随着开启高度的增加而减小，当大于1.35时，ρ值随着开启高度的增大而增大。这个现象可以解释为：当阀门开启高度很小的时候，在阀瓣打开的间隙处，介质流动的方向平行于阀座密封面，并且在从间隙流出时基本保持方向不变。此时流束对阀瓣的冲击力很小，升力系数ρ值几乎与阀瓣直径无关。当安全阀开启高度比较大的时候，流束的方向会从平行于密封面转向下，阀瓣直径越大，流束的作用面积越大，因而ρ值也越大。

为了增加流束的冲击作用，通常把全启式安全阀的阀瓣做成直径比较大，使得 /大于1.35,这样随着安全阀排放时开启高度的增加，升力系数ρ值迅速增加，动压力也随之增加，从而更好的克服安全阀开启高度增加时弹簧增加的压缩力，而在安全阀回座的过程中，随着开启高度的减小，升力系数ρ值迅速减小，在弹簧力的作用下可以实现有力的关闭从而建立有效的密封。与此同时安全阀的排量系数或阻力几乎不变。

通过对安全阀流道部分结构进行的研究表明：

（1）如图2.5-3所示，当安全阀的阀座和阀瓣外缘上有倾角Ψ1和阀座密封面内倾角Ψ 2时会是的升力系数ρ值降低，由此从增加升力的角度出发，平面密封由于锥面密封。

       (a)阀座和阀瓣外边缘带有倾斜角  (b)阀座密封面带有内倾斜角

(2)反冲盘式的阀瓣上带有转向凸边时,依靠流束对阀瓣的反作用力可以使得p值增加到两倍以上。 凸边使得流束发生转向。 很显然采用凸边的设计能使阀门的开启高度较大,如图2.5-4所示,通过实验表明,以凸边斜角为30-45 度的锥形转向结构,且凸边高度△/=0.2-0.3时最佳,阀瓣中间带圆锥体与无锥体结构比较,在H=0.4时,其升力系数大约能提高约7%。

图2.5-3 阀座与阀瓣的倾角

图2.5-4锥形反冲盘结构和阀瓣中央有锥体

(3)升力系数p值随着阀座喷嘴的锥角的增大而增加,在相对开启高度H=0.4时,采用喷嘴形阀座可以使得升力系数增加约 20%,通常把全启式安全阀的阀座进口直径设计成流道直径的1.5倍以上。

通过对一系列参数的比值研究表明,全启式安全阀最适宜的结构尺寸通常为:

/≈2.0   /≥1.5   8/≈3-0.5  △/≈0.18-0.20

2,用阀瓣升力来计算弹簧刚度

弹簧载荷力的变化决定于弹簧刚度,为了获得要求的动作性能,应根据升力系数来确定弹簧刚度,其主要方法有以下两种:

(1)计算法

为达到规定的开启高度(开高)h,在开高h下的阀瓣升力应大于或等于此时的弹簧力，据此确定弹簧刚度的最大值为:

                           式2.5-2

式中:——弹簧计算刚度,N/mm:

H——阀瓣开启高度,mm:

——流道直径,mm:

——关闭件密封面平均直径,mm;

——额定排放压力,MPa;

P——整定压力(开启压力),MPa;

——开启高度为h时的阀瓣升力系数。

这种计算法的缺点是没有考虑开启的全过程,仅仅考虑了达到规定升高,而且也没有考虑回座过程,所以计算的弹簧刚度常常偏小。

(2)用图解法计算

为保证安全阀在不高于额定排放压力时达到规定开启高度,并在压力不低于规定回座压力时回座,在开启高度为零到规定升高范围内的弹簧力曲线,应位于额定排放压力和回座压力下的阀瓣升力曲线之间。下面介绍的图算法就是利用这个原理。

图2.5-2是用作图法确定弹簧刚度的示例。图中曲线Ⅰ是阀进口压力为整定压力Ps时的升力曲线(将如图2.5-1所示的升力系数p的曲线图的纵坐标乘以

π'/4,就得到曲线I),即：

='             式2.5-3

曲线II是阀进口压力额定排放压力时的升力曲线(将按比例/放大,即得)，即：

='           式2.5-4

曲线Ⅲ是阀进口压力为回座压力 Pr时的升力曲线(将按比例 pr/ps缩小,即得),即：

='             式2.5-5

以纵坐标轴上数值为Dm²/do²(（π'/4)÷(π/4)）的点(相当于h=0时的弹簧预压缩力)为起点作弹簧特性线,使这位于曲线II和Ⅲ之间,并度量其倾角.

以图2.5-5为例,图中横坐标轴h上每格表示升高(即弹簧压缩量)为1mm,纵坐标轴上同样长度表示的弹簧力为0.1×π/4，

弹簧刚度为: =0.1× πtan/4.

以不同的值代入,即可求得不同整定压力下的弹簧刚度。

3、用动作性能参数来计算刚度。

(1)微启式安全阀:由于微启式没有反冲机构,可以认为在规定的开启高度内,阀瓣的升程和压力增加成正比

(2)全启式安全阀:由于全启式有合理的反冲机构,或设置有双调节圈的机构,因此阀瓣开启速度很快,阀瓣的升程和压力增加不成比例。确定弹簧刚度时,应考虑阀瓣开启后，阀瓣受介质作用的面积有所增加,但此时的介质压力已不是排放压力，而比要大大减小了,这个减小值,对带有双调节圈的安全阀取0.3，对带有反冲盘的安全阀取0.1。

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