彈簧直接載荷式安全閥的動作性能主要是通過彈簧來控制的,確切的說彈簧的剛度影響最大,如果彈簧剛度選擇不當,可能造成安全閥不能正常地工作。由于這種特殊性,在安全閥彈簧設計時,首先就要確定彈簧的剛度,并力求接近于實際的排放工況。

目前主要是采用以下幾種方法來初步計算彈簧的剛度,最終還要通過試驗確定彈簧的理想剛度值。另外安全閥用的彈簧基本都是圓柱螺旋壓縮彈管,所以在這一節(jié)里只介紹圓柱螺旋壓縮彈簧,除非有說明外,這里所說的彈簧玓指圓柱螺旋壓縮彈簧。若想采用其他形式的彈簧,請查閱相關的彈簧設計手冊。

1、升力系數(shù)p的概念

彈簧式安全閥的動作特性,即排放壓力、開啟高度、回座壓力等性能,取決于閥門開啟和關閉(回座)過程中流體對閥瓣作用的升力與彈簧載荷力的共同作用結果,上述兩力在閥門動作過程中都是變化的。

閥瓣升力的變化情況可用升力系數(shù)p來表述。升力系數(shù)p是閥瓣升力F與介質靜壓力作用在等于流道面積的閥瓣面積上產(chǎn)生的作用力的比值。即:

     升力系數(shù)p取決于閥門結構以及影響介質流動的各零件的形狀和尺寸，并隨開啟高度、調節(jié)閥位置和介質的不同而變化，通常智能借助試驗來確定。圖示2.5-1為安全閥瓣升力系數(shù)曲線的一些例子。

系數(shù)p可以大于1也可以小于1，p值越大，升壓就越大，安全閥的開啟高度也就越高，因而排放能力也就越大越大。試驗研究表明，安全閥流道部分的幾何參數(shù)不同，對p的影響

不一樣。對于確定的幾何參數(shù)的安全閥，ρ值僅僅取決于相對開啟高度H=h/ (開高／流道直徑）圖2.5-2表示安全閥在不同的相對開啟高度H下，系數(shù)ρ與/比值之間的關系曲線。（圖中模型參數(shù) do=20mm 時，/=1.15-1.8,H=0.05-0.4)

從圖中可以看出當不變時，閥瓣直徑的的增大使得升力系數(shù)ρ值也增大，但相對開啟高度比值H對ρ值的影響程度很大，H 值比較大的時候，隨著 /的增大，ρ值增加的很快，如圖中H=0.4時的曲線。反之當H比較小時，ρ值增加的較慢，如H=0.1時的曲線。

從曲線中還可以看出當/約等于1.35時，ρ值不隨開啟高度的變化而變化，當小于1.35時，ρ值隨著開啟高度的增加而減小，當大于1.35時，ρ值隨著開啟高度的增大而增大。這個現(xiàn)象可以解釋為：當閥門開啟高度很小的時候，在閥瓣打開的間隙處，介質流動的方向平行于閥座密封面，并且在從間隙流出時基本保持方向不變。此時流束對閥瓣的沖擊力很小，升力系數(shù)ρ值幾乎與閥瓣直徑無關。當安全閥開啟高度比較大的時候，流束的方向會從平行于密封面轉向下，閥瓣直徑越大，流束的作用面積越大，因而ρ值也越大。

為了增加流束的沖擊作用，通常把全啟式安全閥的閥瓣做成直徑比較大，使得 /大于1.35,這樣隨著安全閥排放時開啟高度的增加，升力系數(shù)ρ值迅速增加，動壓力也隨之增加，從而更好的克服安全閥開啟高度增加時彈簧增加的壓縮力，而在安全閥回座的過程中，隨著開啟高度的減小，升力系數(shù)ρ值迅速減小，在彈簧力的作用下可以實現(xiàn)有力的關閉從而建立有效的密封。與此同時安全閥的排量系數(shù)或阻力幾乎不變。

通過對安全閥流道部分結構進行的研究表明：

（1）如圖2.5-3所示，當安全閥的閥座和閥瓣外緣上有傾角Ψ1和閥座密封面內傾角Ψ 2時會是的升力系數(shù)ρ值降低，由此從增加升力的角度出發(fā)，平面密封由于錐面密封。

       (a)閥座和閥瓣外邊緣帶有傾斜角  (b)閥座密封面帶有內傾斜角

(2)反沖盤式的閥瓣上帶有轉向凸邊時,依靠流束對閥瓣的反作用力可以使得p值增加到兩倍以上。 凸邊使得流束發(fā)生轉向。 很顯然采用凸邊的設計能使閥門的開啟高度較大,如圖2.5-4所示,通過實驗表明,以凸邊斜角為30-45 度的錐形轉向結構,且凸邊高度△/=0.2-0.3時最佳,閥瓣中間帶圓錐體與無錐體結構比較,在H=0.4時,其升力系數(shù)大約能提高約7%。

圖2.5-3 閥座與閥瓣的傾角

圖2.5-4錐形反沖盤結構和閥瓣中央有錐體

(3)升力系數(shù)p值隨著閥座噴嘴的錐角的增大而增加,在相對開啟高度H=0.4時,采用噴嘴形閥座可以使得升力系數(shù)增加約 20%,通常把全啟式安全閥的閥座進口直徑設計成流道直徑的1.5倍以上。

通過對一系列參數(shù)的比值研究表明,全啟式安全閥最適宜的結構尺寸通常為:

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

2,用閥瓣升力來計算彈簧剛度

彈簧載荷力的變化決定于彈簧剛度,為了獲得要求的動作性能,應根據(jù)升力系數(shù)來確定彈簧剛度,其主要方法有以下兩種:

(1)計算法

為達到規(guī)定的開啟高度(開高)h,在開高h下的閥瓣升力應大于或等于此時的彈簧力，據(jù)此確定彈簧剛度的最大值為:

                           式2.5-2

式中:——彈簧計算剛度,N/mm:

H——閥瓣開啟高度,mm:

——流道直徑,mm:

——關閉件密封面平均直徑,mm;

——額定排放壓力,MPa;

P——整定壓力(開啟壓力),MPa;

——開啟高度為h時的閥瓣升力系數(shù)。

這種計算法的缺點是沒有考慮開啟的全過程,僅僅考慮了達到規(guī)定升高,而且也沒有考慮回座過程,所以計算的彈簧剛度常常偏小。

(2)用圖解法計算

為保證安全閥在不高于額定排放壓力時達到規(guī)定開啟高度,并在壓力不低于規(guī)定回座壓力時回座,在開啟高度為零到規(guī)定升高范圍內的彈簧力曲線,應位于額定排放壓力和回座壓力下的閥瓣升力曲線之間。下面介紹的圖算法就是利用這個原理。

圖2.5-2是用作圖法確定彈簧剛度的示例。圖中曲線Ⅰ是閥進口壓力為整定壓力Ps時的升力曲線(將如圖2.5-1所示的升力系數(shù)p的曲線圖的縱坐標乘以

π'/4,就得到曲線I),即：

='             式2.5-3

曲線II是閥進口壓力額定排放壓力時的升力曲線(將按比例/放大,即得)，即：

='           式2.5-4

曲線Ⅲ是閥進口壓力為回座壓力 Pr時的升力曲線(將按比例 pr/ps縮小,即得),即：

='             式2.5-5

以縱坐標軸上數(shù)值為Dm2/do2(（π'/4)÷(π/4)）的點(相當于h=0時的彈簧預壓縮力)為起點作彈簧特性線,使這位于曲線II和Ⅲ之間,并度量其傾角.

以圖2.5-5為例,圖中橫坐標軸h上每格表示升高(即彈簧壓縮量)為1mm,縱坐標軸上同樣長度表示的彈簧力為0.1×π/4，

彈簧剛度為: =0.1× πtan/4.

以不同的值代入,即可求得不同整定壓力下的彈簧剛度。

3、用動作性能參數(shù)來計算剛度。

(1)微啟式安全閥:由于微啟式?jīng)]有反沖機構,可以認為在規(guī)定的開啟高度內,閥瓣的升程和壓力增加成正比

(2)全啟式安全閥:由于全啟式有合理的反沖機構,或設置有雙調節(jié)圈的機構,因此閥瓣開啟速度很快,閥瓣的升程和壓力增加不成比例。確定彈簧剛度時,應考慮閥瓣開啟后，閥瓣受介質作用的面積有所增加,但此時的介質壓力已不是排放壓力，而比要大大減小了,這個減小值,對帶有雙調節(jié)圈的安全閥取0.3，對帶有反沖盤的安全閥取0.1。

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