交换交换乱杂烩系列

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    安全閥設計基礎之“彈簧”(一)

    2020/10/8 10:20:27      點擊:

     沒有彈簧就沒有安全閥,彈簧是安全閥中最重要的部件,沒有“之一”。今天我們就簡單講講安全閥設計過程中涉及到的彈簧問題。

      從往期的內容,我們知道安全閥的基本工作原理就是彈簧壓著閥瓣,壓力升高,閥瓣抬起,排壓。通過用戶給出的閥門排量我們能夠計算得到閥門所需的最小面積(喉徑),閥門的基本參數就確定了,但最重要的彈簧還沒有確定。


    有人說面積知道了,壓力知道了,彈簧力不就知道了?直接用不就可以?但問題來了:彈簧不同的壓縮量能夠產生不同的作用力,按上面的理論只要用一顆足夠強的彈簧就能夠滿足所有工況?!顯然這不太合理。下面我們就簡介紹下為什么要彈簧。
        平衡點(整定點)力的平衡關系我們已經知道了。在這點所需要的彈簧力只要一顆足夠強的彈簧壓到合適的位置都能夠滿足。我們繼續看整定點后面的過程,在整定點后閥門開一個小小的縫,此時這個縫的流通面積遠小于閥門喉徑的面積,該面積完全沒辦法滿足泄放的要求,所以閥門會繼續開大,直到這個“縫”的面積大于等于喉徑的面積(這個面積就是傳說中的簾面積,這時閥瓣的位置就是全開),此時閥門的喉徑才能夠真正的發揮作用。在閥門開啟的過程中必然會導致彈簧的進一步壓縮。如果彈簧的剛度很大的話,閥內的介質必須“”克服一個很大的力才能夠讓閥瓣抬升到足夠的位置,而這部分多出來的壓力就是我們所說的超過壓力。在安全閥的設計當中我們希望閥門的超過壓力越小越好,所以從這個角度考慮,彈簧的剛度越小越好。

    Mark:彈簧力=彈簧剛度*壓縮量

      接下來,安全閥開啟后還有一個回座的過程,回座過程中因為介質流動方向發生了反轉,彈簧會受到一個大于靜止壓力的介質作用力(這也是閥門開啟后,有時候都沒有超壓閥門就快速全開的原因)。打個不太恰當的比方,一個罐子在漏氣,你需要使出10分的力才能夠慢慢靠近并堵上漏洞,但堵上以后只需要9分力就能維持它不漏。為了克服這個由于排放產生的附加作用力,我們也希望彈簧能夠在開啟后的壓縮過程中產生相當的附加力,以實現閥瓣復位(閥瓣復位的壓力就是我們說的回座壓力)。我們希望回座壓力越高越好,也就是彈簧在開啟過程中產生的附加力越大越好,所以從這個角度,彈簧剛度越大越好。

      從上面的描述不難發現,彈簧的剛度太大、太小都不好,剛度太大造成超壓太多,剛度太小會造成回座太低。所以選擇合適的彈簧剛度是安全閥設計的核心。從上面的介紹也可以發現,彈簧能夠取到的最佳狀態為:全開位置彈簧力剛好等于介質力(彈簧如果再大,閥門就沒辦法達到全開了,所以此時的剛度也是最佳剛度)。從這個角度,彈簧剛度的選擇也可以轉變為全開位置介質升力的計算和測試了,這部分內容我們下周聊。

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