减压阀的工作原理与多种类型

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减压阀，作为流体控制领域的重要元件，其工作原理及类型多样，本文将深入探讨这些内容。

一、重力载荷、全封闭、卸荷式减压阀

在重力载荷的影响下，此类减压阀会相应开启。当进口压力为pj的介质经过阀座节流后，其压力会降至pc。这个压力pc会通过反馈孔“a”引导至膜片下方（如图1（a）所示），或者直接作用于膜片下方（如图1（b）所示）。这样，在膜片上便会产生一个向上的力，促使阀盘上移，从而阻止pc的进一步升高。当这个力与载荷重力达到平衡状态时，阀盘便会停止移动。此时，阀后的压力将对应于特定的pc值，并且流量也达到某一设定值。通过调节重力的大小，我们可以得到所需的减压压力pc。在工况发生变化时，例如出口流量增加导致pc压力下降，平衡状态将被打破。此时，膜片会在重力的作用下下移并开启阀盘，使pc回升至原先的值（对于图1（a）所示的情况），从而与重力重新建立平衡。因此，在任何稳定的工况下，pc值都保持恒定，这种情况被称为无差调节。然而，对于图1（b）所示的情况，由于阀弹簧的存在，当阀的开度发生变化时，弹簧力也会相应改变。因此，在新的平衡状态下，pc值不能完全回复至原先的数值。这种情况被称为有差调节，是减压阀中较为常见的一种调节方式。

二、弹簧载荷、全封闭、正作用式减压阀

如图2所示，这种减压阀的基本工作原理与重力式减压阀相似。然而，它采用了调节弹簧来替代重力进行阀的加载，并配备了阀弹簧，因此属于有差调节范畴。

图2展示了弹簧载荷、全封闭、正作用式减压阀的工作原理。这种减压阀利用调节弹簧进行阀的加载，替代了传统的重力加载方式，同时配备了阀弹簧，实现了有差调节。
1—调节弹簧；2—膜片；3—副动杆

• 1—调节弹簧，用于加载和调节阀的开启度。
• 2—膜片，其作用是感知压力变化并作出相应反应。
• 3—副动杆，与膜片相连，负责传递压力变化信号。
  

通过这些组件的协同作用，弹簧载荷、全封闭、正作用式减压阀能够精确地调节和控制系统中的压力。

三、弹簧载荷、半封闭、反作用式减压阀

如图3所示，这类减压阀的基本工作原理与前述相似。其关键部件膜片中心设有一小孔，与阀杆端部共同构成一个密封副。在正常工作状态下，由于介质对阀盘施加的作用力总和与调节弹簧的弹力及介质在膜片上产生的作用力总和方向相反，这导致膜片与阀杆相互压紧，从而确保了密封副的紧密性。然而，当出口流量出现突然且大幅度的下降，或阀盘动作因惯性而滞后，又或是出口流量为零而阀座处的密封性不佳，以及调节弹簧被旋松导致整定压力下降时，都可能导致出口压力超过设定的整定值。此时，膜片会被向上抬起，从而与阀杆脱离接触，进而将低压腔内多余介质排出至大气中。这种工作机制在某些方面类似于安全阀，但二者存在本质区别。安全阀的动作是在压力超过额定值时，阀盘会瞬间开启，其首要目的是保障管路或设备的安全，并不负责管路内的精确调压。而上述提到的减压阀，其半封闭设计旨在实现更为精准的压力调节。

图3 展示了弹簧载荷、半封闭、反作用式减压阀的工作原理。这类减压阀的关键在于其膜片中心的小孔与阀杆端部构成的密封副。在正常工作时，由于介质作用力与弹簧弹力及膜片作用力的相互平衡，膜片与阀杆保持紧密压紧，从而确保了密封副的严密性。然而，当遇到诸如出口流量骤降、阀盘动作滞后、出口流量为零而密封性不佳，或调节弹簧松弛导致整定压力下降等异常情况时，膜片可能会因向上抬起而与阀杆脱离，进而将低压腔内多余介质排至大气中。这种设计在一定程度上类似于安全阀的功能，但二者在本质上有所不同。安全阀主要在压力超过额定值时瞬间开启，以保障管路或设备的安全，并不负责精确调压；而此类减压阀则通过其半封闭设计，旨在实现更为精细的压力调节。
四、气压载荷（气囊式）、全封闭、反作用式减压阀
图4展示了气压载荷（气囊式）、全封闭、反作用式减压阀的工作原理。其核心在于利用一半球形气室的气体压力来替代调节弹簧为阀加载。该气室的气体来源于进口高压介质，通过调节针阀a和b，可以精确控制密闭气室内的压力。一旦调节完成，针阀应处于完全截止状态。当工况发生变化时，膜片的平衡位置也会相应调整，进而改变气室的容积和内部压力ph，因此这种调节方式属于有差调节。此外，针阀b的设计使得气室内的介质可以被排入大气，或者如虚线所示引入低压腔，以适应不同的工作需求。

图4展示了气压载荷（气囊式）、全封闭、反作用式减压阀的工作原理。实际上，这个气囊起到了一个气体弹簧的作用。只要气囊的容积足够大，其刚度就会变得足够小。刚度越小，阀的静态性能就越好，因此，气囊式减压阀相较于弹簧载荷式减压阀，具有更出色的静态性能。然而，气囊式减压阀仅适用于气体介质，并可能受到环境温度和气囊漏气的影响。为了克服这些局限，我们可以采用一副阀来替代针阀a，从而构成具有定压载荷的副阀式减压阀。
五、定压载荷、注入式、全封闭、副阀式减压阀
图5描绘了副阀式减压阀的构成，它由两只直接作用式减压阀叠加而成。其中一只作为副阀，用于调节另一只作为主阀的减压阀的载荷。在图5所示的例子中，副阀采用弹簧载荷、全封闭、反作用式减压阀，其出口压力pc即为主阀的载荷压力。通过调节副阀上的调节弹簧，可以获得不同的主阀载荷压力ph。从某种角度看，副阀的作用类似于主阀的调节弹簧或气囊式减压阀中的供气针阀a（将动力腔视作气囊），因此，这种副阀式减压阀的工作原理与气囊式减压阀具有相似性。

图5展示了定压载荷、注入式、全封闭、副阀式减压阀的工作原理。这种减压阀由两只直接作用式减压阀叠加构成，其中一只作为副阀，用于调节另一只主阀的载荷。副阀采用弹簧载荷，其出口压力pc即为主阀的载荷压力。通过调整副阀上的调节弹簧，可以改变主阀的载荷压力ph。从某种角度看，副阀的功能类似于主阀的调节弹簧或气囊式减压阀中的供气针阀a（将动力腔视作气囊）。因此，这种副阀式减压阀的工作机理与气囊式减压阀具有诸多相似之处。
1—调节弹簧；
2—副阀弹簧；
3—动力腔；
4—主阀弹簧
动力腔的载荷压力由副阀提供，其内部介质通过节流孔J流向低压腔，维持流动平衡状态。这种设计使得动力腔能够自动补偿环境温度变化和渗漏对ph的影响，从而提高了其动态性能，相较于气囊式减压阀更为优越。同时，由于动力腔的压力由副阀和节流孔J共同维持，因此该减压阀也适用于蒸汽介质和液体介质。

主阀的载荷压力仅依赖于副阀的设定值，主阀出口压力pc的变化并不会被副阀膜片所感知，进而反映为主阀载荷压力ph的变动，这种特性被称为定压载荷。但值得注意的是，载荷压力并非绝对固定。当pc发生变化时，主阀动力膜片会相应移动，改变动力腔的容积，进而破坏节流孔的流量平衡，导致ph发生一定程度的变动（由于副阀的调节存在差异）。此外，pj的变化也会打破副阀力的平衡，从而引起ph的变化。
六、变压载荷、注入式、全封闭、副阀式减压阀
如图6所示，这种减压阀的工作原理与图5所示的相似。副阀膜片能够直接感知主阀出口压力pc的变化，并通过副阀的动作来反映载荷压力ph的变动，因此被称为变压载荷。这样一来，副阀不仅发挥了主阀调节弹簧的作用，还起到了将pc的变化量（Δpc）转化为ph的变化量（Δph）的放大作用。例如，当pc降低时，活塞向上的作用力会减小，导致主阀开启（这与直接作用式减压阀的情况类似）。同时，副阀的敏感膜片检测到pc的变化后，会驱动副阀瓣开启，进而增加ph，从而协助主阀瓣的开启。因此，这种副阀式减压阀的调节性能相较于定压载荷的副阀式减压阀更为出色。此外，活塞与本体之间的环形间隙起到了与图5中节流孔J相似的作用。

图6 展示了变压载荷、注入式、全封闭、副阀式减压阀的工作原理。这种减压阀的设计巧妙，能够感知并响应主阀出口压力的变化，通过副阀的动作来放大这种变化，从而实现对载荷压力的精确调节。其调节性能相较于传统的定压载荷副阀式减压阀有了显著的提升。
七、 变压载荷、引流式、半封闭、副阀式减压阀
如图7所示，这种减压阀的工作原理与图6展示的相似，但存在一处关键差异。在图6中，副阀的作用是调节进入动力腔的介质量，从而控制压力，这种方式被称为注入式。而在图7中，副阀的功能则是控制从动力腔排入低压腔的介质量，以达到调控压力的目的，因此被称为引流式。值得一提的是，进入动力腔的介质量是通过节流阀进行精确计量的。

图7展示了变压载荷、引流式、半封闭、副阀式减压阀的工作原理。这种减压阀的设计巧妙，通过副阀的巧妙控制，能够实现精准的压力调控。与图6所示的注入式减压阀不同，它采用引流式设计，即通过调节从动力腔排入低压腔的介质量来达到减压目的。这种差异使得图7所示的减压阀在特定应用场合下具有显著的优势。
1—调节弹簧；2—膜片；3—弹簧；4—主阀弹簧
在正常工作状态下，图7所示的减压阀通过pj、pc、ph和弹簧力的相互作用，使得动力膜片中心的小孔被主阀杆的锥端紧密密封，从而确保无介质外泄。然而，在零工况条件下，主阀会处于关闭状态，而副阀则在pc的作用下保持开启。这时，随着pc的逐渐升高，动力膜片两侧的压力差ph-pc会相应减小。当这种压力差减小到一定程度时，弹簧的作用将使动力膜片向上抬起，进而将低压腔中多余介质通过动力膜片中心的小孔及其与另一片动力膜片间的间隙排出至大气中。