葉德才，陳 浩，謝尚鵬，胡 敬，林天齊

(1.浙江蒼南儀表集團(tuán)東星能源科技有限公司，浙江 溫州 325800；2.中國市政工程華北設(shè)計研究總院有限公司，天津 300384；3.國家燃?xì)庥镁哔|(zhì)量檢驗控制中心，天津 300384)

0 引言

基于北方農(nóng)村“煤改氣”的推廣、國內(nèi)新農(nóng)村建設(shè)、城市商業(yè)用氣、高層建筑用氣附加壓頭的現(xiàn)狀，表前調(diào)壓器的使用越來越多。

表前調(diào)壓器從結(jié)構(gòu)原理上分為杠桿式和內(nèi)平衡式兩種。按照國家標(biāo)準(zhǔn)GB 27790—2020[1]和城鎮(zhèn)燃?xì)庠O(shè)計規(guī)范GB 50028—2006[2]的相關(guān)要求，表前調(diào)壓器一般使用工況為入口壓力范圍(p1)5～20 kPa、出口壓力設(shè)定值(p2s)2.16 kPa、流量范圍1～6 m3/h、穩(wěn)壓精度等級最高AC15、關(guān)閉壓力精度等級最高SG25[3]。經(jīng)過國家燃?xì)馄骶弑O(jiān)督檢驗中心對兩種表前調(diào)壓器的測試，內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的各項關(guān)鍵性能優(yōu)于杠桿式表前調(diào)壓器[4]。

目前，國內(nèi)使用的表前調(diào)壓器分為國產(chǎn)產(chǎn)品和進(jìn)口產(chǎn)品。國產(chǎn)產(chǎn)品由于受到經(jīng)濟(jì)條件的限制，普遍采用杠桿式設(shè)計。經(jīng)過對杠桿式表前調(diào)壓器性能的測試，杠桿式表前調(diào)壓器因閥口直徑小、杠桿比大，存在穩(wěn)壓精度低、關(guān)閉壓力大、流量小、抗污能力差[5]、安全性不高的缺點，易受p1的變化影響[6]，適用于大壓差、小開度的使用環(huán)境及投資有限的場合[7]。進(jìn)口表前調(diào)壓器以日本、英國和美國產(chǎn)品為主，大多采用內(nèi)平衡式設(shè)計，價格昂貴。經(jīng)過對內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的性能測試發(fā)現(xiàn)，其因平衡膜片與閥口受力面積不匹配，存在穩(wěn)壓精度低、關(guān)閉壓力大的缺點。

因此，無論是杠桿式表前調(diào)壓器還是內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器，均須加以優(yōu)化設(shè)計，以滿足不斷擴(kuò)大的市場需求。

為了改進(jìn)兩種表前調(diào)壓器存在的缺點，本文經(jīng)過對兩種表前調(diào)壓器在結(jié)構(gòu)原理、力平衡關(guān)系、性能優(yōu)化因素、關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等方面的詳細(xì)分析，提出兩種表前調(diào)壓器的優(yōu)化設(shè)計方案。方案一通過合理增加閥口直徑、減小杠桿比，改善杠桿式表前調(diào)壓器的穩(wěn)壓精度、關(guān)閉壓力和流量。方案二通過上部固定平衡膜片的壓板設(shè)計成內(nèi)側(cè)帶斜度的結(jié)構(gòu)、平衡膜片圓弧部分增加余量，以增大平衡膜片的有效受力面積，從而改善內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的穩(wěn)壓精度和關(guān)閉壓力。

1 結(jié)構(gòu)原理分析

表前調(diào)壓器主要由閥體、閥口、閥口墊、閥桿、主膜片及彈簧等組成[8]。兩種表前調(diào)壓器都是自力式調(diào)壓器，出口壓力p2作用在主膜片上。p2與主膜片另一側(cè)的彈簧力相平衡。表前調(diào)壓器工作原理為：當(dāng)p2增大時，主膜片向上運動，帶動閥桿向上運動，使閥口開度變小，從而減少入口的供氣量，減小p2；反之，當(dāng)p2減小時，主膜片向下運動，帶動閥桿向下運動，使閥口開度變大，從而增大入口的供氣量，使p2增大。也就是說，表前調(diào)壓器根據(jù)p2的變化來控制閥口開度。閥口開度的大小直接影響入口的供氣量，從而改變p2[9]。內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器比杠桿式表前調(diào)壓器多一個平衡膜片。平衡膜片可以減小p1對表前調(diào)壓器穩(wěn)壓精度、關(guān)閉壓力的影響。

杠桿式表前調(diào)壓器結(jié)構(gòu)如圖1所示。

圖1 杠桿式表前調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖

內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器結(jié)構(gòu)如圖2所示。

圖2 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器結(jié)構(gòu)圖

2 杠桿式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計分析

2.1 杠桿式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系分析

杠桿式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系如圖3所示。杠桿式表前調(diào)壓器存在水平和豎直兩個方向的力平衡關(guān)系。

圖3 杠桿式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系

水平方向力平衡關(guān)系為：

F1=F4

(1)

式中：F1為入口壓力對推桿作用力，N；F4為主膜片通過杠桿機(jī)構(gòu)對閥桿作用力，N。

(2)

式中：p1為調(diào)壓器入口壓力，Pa；d1為調(diào)壓器閥口直徑，m。

豎直方向力平衡關(guān)系為：

F3=W+F2+F5

(3)

式中：F3為出口壓力對閥桿作用力，N；F2為彈簧對閥桿作用力，N；F5為入口壓力對閥桿作用力，N；W為彈簧、主膜片及其他連接件的重力，N。

F5b2=F4b1

(4)

式中：b2為杠桿長臂的長度；b1為杠桿短臂的長度。

W=mg

(5)

式中：m為彈簧、主膜片及其他連接件的質(zhì)量，kg；g為重力加速度，m/s2。

(6)

式中：b為杠桿比。

F2=k(Δl-ab)

(7)

式中：k為彈簧剛度，N·m-1；Δl為彈簧預(yù)壓縮量，m；a為閥口開度，m。

(8)

式中：p2為出口壓力，Pa；D為主膜片直徑，m。

由式(1)～式(8)，可得p2：

(9)

由式(9)可知，p2的變化與a成反比。當(dāng)a=0時，調(diào)壓器瞬時關(guān)閉壓力p′2與p1成正比、與b成反比。

(10)

式中：Δp為出口壓損，Pa。

ΔF=kΔl

(11)

式中：ΔF為彈簧力損，N。

Δl=ab

(12)

(13)

式中： ΔA為穩(wěn)壓精度偏差；p2s為出口壓力設(shè)定值，Pa。

由式(10)～式(13)，可得ΔA：

(14)

由式(14)可知，ΔA與b和a的乘積成正比。隨著a、b值的增大，ΔA也相應(yīng)增大。

2.2 杠桿式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計方案

2.2.1 杠桿式表前調(diào)壓器性能優(yōu)化因素分析

杠桿式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計的目的是提高穩(wěn)壓精度和增大流量。由式(9)可知，p2與調(diào)壓器結(jié)構(gòu)參數(shù)(彈簧剛度、主膜片直徑、杠桿比和閥口開度、閥口直徑、彈簧、主膜片及其他連接件的質(zhì)量)有關(guān)。為了遵循盡可能減少對原有產(chǎn)品設(shè)計進(jìn)行調(diào)整的原則，本文只討論針對杠桿比和閥口直徑進(jìn)行優(yōu)化設(shè)計?；跐M足最大入口壓力p1max下實現(xiàn)關(guān)閉的前提，通過適當(dāng)增加閥口直徑、減小杠桿比，使杠桿式表前調(diào)壓器達(dá)到最佳設(shè)計效果。

2.2.2 杠桿式表前調(diào)壓器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析

根據(jù)以上對杠桿式表前調(diào)壓器的優(yōu)化設(shè)計思路，增大閥口直徑、減小杠桿比，進(jìn)行受力分析，并對比計算得到的結(jié)果，從而驗證以上論點及優(yōu)化設(shè)計方案。

本文選取三款杠桿式表前調(diào)壓器產(chǎn)品。產(chǎn)品1為優(yōu)化設(shè)計前；產(chǎn)品2和產(chǎn)品3為優(yōu)化設(shè)計后。三款產(chǎn)品具有以下相同參數(shù)：a為0.000～0.002 m;k為245 N·m-1;D為0.085 m;p1為10 000 Pa;p2為2 160 Pa。三款產(chǎn)品不同關(guān)鍵參數(shù)如表1所示。

表1 三款產(chǎn)品不同關(guān)鍵參數(shù)

將表1中不同關(guān)鍵參數(shù)及其他相同參數(shù)分別代入式(9)，得到產(chǎn)品2和產(chǎn)品3的瞬時關(guān)閉壓力差值Δp′2為-0.014 76 kPa。通過分析可知，在保持閥口直徑、彈簧剛度及主膜片直徑不變的情況下，增大杠桿比可有效降低杠桿式表前調(diào)壓器關(guān)閉壓力。

將表1中不同關(guān)鍵參數(shù)及其他相同參數(shù)分別代入式(11)、式(14)。閥口全開時的ΔF與p2的關(guān)系如表2所示。

表2 閥口全開時的ΔF與p2的關(guān)系

通過分析表2可知，在保持閥口開度、彈簧剛度及主膜片直徑不變的情況下，減小杠桿比后，彈簧力損失和穩(wěn)壓精度偏差均有明顯改善。

綜上所述，杠桿式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計方案是增大閥口直徑、減小杠桿比，從而提高其穩(wěn)壓精度并增大流量。

3 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計分析

3.1 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系分析

內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系如圖4所示。內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器內(nèi)部只存在一個軸向的力平衡關(guān)系。

圖4 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器力平衡關(guān)系

在閥桿豎直方向的主要受力如下：

F1+F2=W+F3+F4

(15)

(16)

F2=k(Δl-a)

(17)

(18)

(19)

式中：d2為平衡膜片直徑，m。

W=mg

(20)

由式(15)～式(20)可得：

(21)

由式(21)可知，當(dāng)d1和d2近似相等時，p2的變化只與a成反比，與p1無關(guān)。

ΔF=kl

(22)

l=a

(23)

由式(21)～式(23),可得：

(24)

由式(24)可知，ΔA與a成正比。隨著a值的增大，ΔA也相應(yīng)增大。

由以上分析可知，內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器降低了杠桿式p2受p1及b的影響程度，明顯提升了穩(wěn)壓精度。

3.2 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計方案

3.2.1 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器性能優(yōu)化因素分析

選取兩款內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器產(chǎn)品4和產(chǎn)品5。兩款產(chǎn)品基本尺寸、關(guān)鍵部件尺寸(閥口直徑、主皮膜直徑)完全一致，但平衡膜片直徑與閥口直徑不一致。其中：產(chǎn)品4的平衡膜片直徑為0.019 m、閥口直徑為0.019 m；產(chǎn)品5的平衡膜片直徑為0.022 m、閥口直徑為0.019 m。在相同出口壓力設(shè)定情況下，兩款產(chǎn)品靜特性曲線[10]如圖5所示。圖5中：曲線1表示p=5 kPa;曲線2表示p1=10 kPa;曲線3表示p1=15 kPa;+A表示穩(wěn)壓精度上限；-A表示穩(wěn)壓精度下限。

圖5 兩款產(chǎn)品靜特性曲線圖

由圖5可知：產(chǎn)品4的p2隨著入口壓力的升高(由5 kPa升高至15 kPa)而大幅降低，三條靜特性曲線比較離散，穩(wěn)壓精度低；產(chǎn)品5的p2受入口壓力變化較小，三條靜特性曲線比較緊湊，穩(wěn)壓精度高。

由此可知，平衡膜片直徑與閥口直徑不匹配(d1

結(jié)合式(21)可知，在理想狀態(tài)(d1=d2)下，內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的p2與p1無關(guān)，但實際產(chǎn)品在設(shè)計和制造過程中往往造成d1≠d2。當(dāng)d1>d2時，p2與p1成正比。當(dāng)d1

經(jīng)過分析可知，內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器優(yōu)化設(shè)計的關(guān)鍵在于d2須大于d1，使p2與p1無關(guān)，從而提高內(nèi)平衡式的穩(wěn)壓精度。

3.2.2 內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計分析

結(jié)合式(21)可知，當(dāng)閥口打開(a>0)時，盡可能保證d1=d2，p2與p1無關(guān)，只與a有關(guān)。當(dāng)閥口關(guān)閉時(a=0)，應(yīng)盡可能保證受力變形后的平衡膜片直徑d′2大于d1，使閥口關(guān)閉緊密，從而降低關(guān)閉壓力。

閥口直徑與平衡膜片直徑關(guān)系如圖6所示。

圖6 閥口直徑與平衡膜片直徑關(guān)系圖

優(yōu)化設(shè)計方案如下。上部固定平衡膜片的壓板設(shè)計成內(nèi)側(cè)帶斜度的結(jié)構(gòu)，平衡膜片圓弧部分增加余量。當(dāng)閥口關(guān)閉時，受p1充氣影響，平衡膜片處于最高位置，原本松馳的部分被充滿并頂壓，平衡膜片圓弧外側(cè)與壓板的斜面接觸。這會使平衡膜片圓弧受力中心線向外偏移，從而獲得更大的有效受力面積，提高關(guān)閉性能。

綜上所述，優(yōu)化設(shè)計方案通過將上部固定平衡膜片的壓板設(shè)計成內(nèi)側(cè)帶斜度的結(jié)構(gòu)、在平衡膜片圓弧部分增加余量，增大平衡膜片的有效受力面積，從而改善內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的穩(wěn)壓精度和關(guān)閉壓力。

優(yōu)化設(shè)計如圖7所示。

圖7 優(yōu)化設(shè)計示意圖

4 結(jié)論

本文通過對兩種結(jié)構(gòu)表前調(diào)壓器在結(jié)構(gòu)原理、力平衡關(guān)系、性能優(yōu)化因素、關(guān)鍵參數(shù)優(yōu)化設(shè)計等方面的詳細(xì)分析，以及優(yōu)化設(shè)計前后產(chǎn)品實驗室測試、數(shù)據(jù)對比，得出優(yōu)化設(shè)計方案。優(yōu)化方案具體為：通過合理增加閥口直徑、減小杠桿比，改善杠桿式表前調(diào)壓器的穩(wěn)壓精度、關(guān)閉壓力和流量；通過將上部固定平衡膜片的壓板設(shè)計成內(nèi)側(cè)帶斜度的結(jié)構(gòu)、平衡膜片圓弧部分增加余量，以增大平衡膜片的有效受力面積，從而改善內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器的穩(wěn)壓精度和關(guān)閉壓力。

無論是杠桿式表前調(diào)壓器還是內(nèi)平衡式表前調(diào)壓器，通過以上優(yōu)化設(shè)計方案制造的樣機(jī)經(jīng)實驗室測試，都提高了穩(wěn)壓精度、增加了流量、降低了關(guān)閉壓力。該設(shè)計滿足了我國對安全、經(jīng)濟(jì)的表前調(diào)壓器產(chǎn)品的實際需求。