滾動(dòng)膜片在燃?xì)庹{(diào)壓器中的應(yīng)用與設(shè)計(jì)

　　在一些中低壓調(diào)壓器的設(shè)計(jì)中，為了解決閥瓣不平衡力的問(wèn)題，改善調(diào)壓器性能，往往采用安裝平衡膜片的方法。安裝了平衡膜片后，可以提高調(diào)壓器進(jìn)口壓力與出口壓力之間的壓差，比如，國(guó)內(nèi)的老式衡量調(diào)壓器，當(dāng)出口壓力為2kPa時(shí)，進(jìn)口壓力只能達(dá)到0．2MPa；安裝平衡膜片后，出口壓力不變，進(jìn)口壓力可以提高到0．6MPa以上。直接作用式調(diào)壓器安裝平衡膜后，除了提高進(jìn)、出口壓差外，出口壓力受到進(jìn)口壓力變化的影響得到了非常明顯的改善。
　　在調(diào)壓器行業(yè)，就用途而言這種膜片稱(chēng)為“平衡膜片”，而在橡膠、儀表、機(jī)械等行業(yè)被稱(chēng)為“滾動(dòng)膜片”，它在低壓下可以替代活塞裝置，也可以用它制造位移傳感器等。

1 滾動(dòng)膜片的形狀、特點(diǎn)及安裝方法

1．1滾動(dòng)膜片的形狀
　　滾動(dòng)膜片在自由狀態(tài)下像一個(gè)禮帽的形狀，它是由夾有絲布的橡膠制成，頂部中間孔用于安裝閥桿，為了安裝固定和密封，頂部、底部可以帶O型環(huán)邊，或者底部周邊帶固定孔等形式見(jiàn)圖1a、圖1b。
1．2滾動(dòng)膜片的特點(diǎn)
　　(1)運(yùn)動(dòng)行程長(zhǎng)，是碟形膜片、波紋膜片的3倍—7倍。
　　(2)與碟形膜片、波紋膜片直徑相同、材質(zhì)相同、厚度相同的情況下，承受壓力*高。
　　(3)在膜片運(yùn)動(dòng)行程內(nèi)受壓面積是恒定的，所以對(duì)閥桿、閥瓣可以獲穩(wěn)定的推、拉力。
　　(4)膜片的運(yùn)動(dòng)過(guò)程與套筒內(nèi)壁、托盤(pán)外表面之間是滾動(dòng)工作，摩擦阻力極小。
　　(5)允許介質(zhì)中帶有微粒、雜質(zhì)、煤氣中的焦油等。
　　(6)對(duì)于套筒內(nèi)壁及托盤(pán)外表面的加工精度、表面粗糙度要求比活塞裝置低。
　　(7)托盤(pán)、閥桿發(fā)生微小偏斜和偏心時(shí)，在氣體的作用力下會(huì)自動(dòng)找正對(duì)中。
　　(8)滾動(dòng)膜片只允許單向受力，承受的壓差比活塞裝置小，目前，國(guó)內(nèi)用于調(diào)壓器產(chǎn)品的滾動(dòng)膜片承壓一般不超過(guò)0．8MPa。
1．3 膜片的安裝方法

圖1

　　與滾動(dòng)膜片配套使用必須有一個(gè)托盤(pán)，滾動(dòng)膜片安裝后在氣體壓力作用下，托盤(pán)與套筒內(nèi)壁之間的部分變成了圓弧，托盤(pán)上下運(yùn)動(dòng)時(shí)，該圓弧沿著套筒內(nèi)壁和托盤(pán)外壁做無(wú)滑動(dòng)的滾動(dòng)，“滾動(dòng)膜片”的名稱(chēng)因此而來(lái)。
　　滾動(dòng)膜片安裝有兩種方式，一種為正向安裝見(jiàn)圖2a，另一種為反向安裝見(jiàn)圖2b。
　　正向安裝用于壓力相對(duì)較高的場(chǎng)合，反向安裝用于壓力比較低的場(chǎng)合，正向安裝膜片大開(kāi)口部位向內(nèi)翻折；而反向安裝，膜片頂部?jī)蓚€(gè)圓弧角向內(nèi)翻折。
　　圖2a、圖2b中都標(biāo)注了*大行程，表示托盤(pán)位移的極限距離，這個(gè)距離與調(diào)壓器閥瓣、閥桿的運(yùn)動(dòng)行程相對(duì)應(yīng)。設(shè)計(jì)時(shí)，滾動(dòng)膜片的行程要略大于閥瓣、閥桿的運(yùn)動(dòng)行程，避免調(diào)壓器相關(guān)零件加工誤差造成它們之間的行程不對(duì)應(yīng)。

圖2

 
圖3

2 滾動(dòng)膜片的計(jì)算、設(shè)計(jì)

2．1滾動(dòng)膜片受力及有效面積的計(jì)算
　　滾動(dòng)膜片的受力由兩部分組成，見(jiàn)圖3，一部分是被膜片包裹托盤(pán)的圓面積，其直徑為d’，受力為F₁，另一部分是D’和d’之間的環(huán)形面積，受力為F₂的兩部分受力之和就是閥桿的推(拉)力F，即F=F₁+F₂。
　　需要注意的是：d’為托盤(pán)直徑加上兩個(gè)膜片厚度，即d’=d+2δ，而D’是套簡(jiǎn)直徑D減去兩個(gè)膜片厚度，即D’=D-2δ，這樣計(jì)算出的數(shù)值比較接近實(shí)際情況。
　　(1)托盤(pán)圓面積部分的受力F₁
　　

　　式中P是作用于膜片受壓面的氣體壓力，如果膜片兩面都有壓力，則P代表膜片兩面的壓差。
　　(2)環(huán)形面積的受力F₂
　　環(huán)形面積受到氣體壓力后傳遞到托盤(pán)邊緣，其推(拉)力為F₂，*終傳遞到閥桿上，作用于環(huán)形面積上的氣體壓力是一均布載荷q，為了簡(jiǎn)化計(jì)算可用一集中力P代替，為了理解環(huán)形面積的受力，把膜片的截面用一個(gè)等效的單滑輪原理來(lái)解釋(見(jiàn)圖3b)，鋼絲繩的一端被固定，另一端重力為W，通過(guò)滑輪中心的拉力為Q，則有W=1／2Q，將圖3a與圖3b對(duì)照，鋼絲繩看相當(dāng)膜片的一個(gè)截面，W相當(dāng)于F₂，Q相當(dāng)于P，因此，環(huán)形面積的受力只有實(shí)際壓力的一半，即1／2P由此可知，環(huán)形面積的受力計(jì)算如下：
　　

　　(3)滾動(dòng)膜片總的受力F
　　膜片的總受力為式1與式2之和即：
　　F=F₁+F₂
　　

　　(4)滾動(dòng)膜片的有效面積A
　　從式3中去掉壓力P這個(gè)因子所表達(dá)式子即為有效面積的表達(dá)式。
　　

　　從式4中可以看出滾動(dòng)膜片的受力面積并不是幾何意義所表達(dá)的面積，所以，稱(chēng)為有效面積或當(dāng)量面積。
2．2滾動(dòng)膜片的設(shè)計(jì)
　　(1)d’與D’的尺寸確定
　　滾動(dòng)膜片要考慮滾動(dòng)寬度X的尺寸(見(jiàn)圖3)，寬度過(guò)大，膜片產(chǎn)生的推(拉)力會(huì)減小，膜片的承受壓力也會(huì)降低，滾動(dòng)膜片并非像圖中繪制的那樣理想，實(shí)際上膜片沿套筒內(nèi)壁和托盤(pán)外表面帶有許多褶皺，膜片的厚度越大，褶皺占有的空間越大，滾動(dòng)寬度過(guò)于狹小，內(nèi)外兩層膜片褶皺處會(huì)互相摩擦，影響滾動(dòng)，筆者根據(jù)實(shí)踐認(rèn)為，滾動(dòng)寬度應(yīng)滿(mǎn)足如下兩個(gè)條件(見(jiàn)式5和式6)。

　　一般，式5用于計(jì)算，式6用于校核。
式中：X——滾動(dòng)寬度(mm)；
　　　δ——膜片厚度(mm)；
　　　d’=d+2δ(mm)或d=d’-2δ；
　　　D’=D-2δ(mm)或D=D’+2δ；
　　　d——托盤(pán)直徑(mm)；
　　　D——套筒內(nèi)徑(mm)。
　　(2)托盤(pán)高度H_t的確定；
　　

　　(3)膜片高度H的確定；
　　

式7、8中：H_t——托盤(pán)高度；
　　　　　H——膜片高度；
　　　　　R——托盤(pán)圓角半徑；
　　　　　L——閥瓣的行程；
　　　　　R_m——膜片內(nèi)圓角半徑；
　　　　　c——富裕量；
　　對(duì)于正向安裝方式的滾動(dòng)膜片，托盤(pán)底部直線(xiàn)段d，與膜片底部直線(xiàn)段相等，膜片內(nèi)圓角正好與托盤(pán)外輪廓相包容，托盤(pán)的圓角半徑R等于膜片內(nèi)園角半徑R_m。反向安裝方式，除了托盤(pán)底部直線(xiàn)段d_m與膜片頂部直線(xiàn)段相等，還要求膜片內(nèi)弧圓角半徑R_m等于或略大于托盤(pán)圓角半徑R加上膜片的厚度δ，因?yàn)镽_m經(jīng)過(guò)翻折后恰好能包在托盤(pán)圓角半徑R上，其中d_m主要作為繪制膜片的輔助尺寸。
　　富裕量c根據(jù)滾動(dòng)膜片的大小在2mm-8mm范圍內(nèi)選擇，主要考慮調(diào)壓器相關(guān)零件加工誤差可能造成滾動(dòng)膜片的設(shè)計(jì)位置與實(shí)際位置不對(duì)應(yīng)，另考慮到橡膠件硫化后的收縮等問(wèn)題。
　　(4)膜片的厚度
　　膜片內(nèi)部所夾絲布是整個(gè)膜片的骨架，主要起到增加強(qiáng)度的作用，橡膠主要起到氣密性的作用，膜片的橡膠層過(guò)厚其強(qiáng)度不一定增加很多，但是影響滾動(dòng)的靈敏度，橡膠層過(guò)薄則氣密性較低。根據(jù)試驗(yàn)，調(diào)壓器前壓P₁≤0．8MPa以下使用的膜片根據(jù)形狀的大小可在0．5≤6≤1mm之間選擇。

3 平衡膜片設(shè)計(jì)實(shí)例

　　調(diào)壓器中的平衡膜片設(shè)計(jì)一般分兩步完成，**步按上述公式計(jì)算出理論尺寸，**步在實(shí)踐中對(duì)平衡膜片的相關(guān)尺寸進(jìn)行校驗(yàn)、調(diào)整，以達(dá)到*佳水平。
　　本實(shí)例如圖4所示，D50直接作用式調(diào)壓器，閥瓣與閥座處于*大開(kāi)度狀態(tài)，平衡膜片相應(yīng)在*低位置；閥座直徑為45mm，閥桿直徑16mm，閥瓣的*大開(kāi)度(行程)L=12mm；膜片反向安裝，其設(shè)計(jì)步驟如下：

圖4

3．1理論計(jì)算
　　(1)確定平衡膜片的有效面積A’
　　理論上平衡膜片的有效面積應(yīng)該與閥座面積相等，以抵消閥瓣的不平衡力，本例的平衡膜片有效面積為：
　　

　　(2)套筒直徑D、D’與托盤(pán)直徑d、d’的確定
　　參考圖3，膜片厚度取6=0．5mm，已知：A=1388．665mm²，根據(jù)式5；設(shè)d’=0．85D’，用式4求出D’、d’。
　　則D’=45．3mm,取D’為45mm；
　　d’=0．85 D’=38．25mm，取d’為38mm。
　　套筒內(nèi)孔D、托盤(pán)直徑d、滾動(dòng)寬度X計(jì)算如下：
　　D=D’+2δ=46(mm)
　　D=d’-2δ=37(mm)
　　當(dāng)D=46mm，d=37mm時(shí)，確定X，并按式6校核：
　　

　　校核：X=9δ
　　符合X=(8～12)δ的要求。
　　(3)其他參數(shù)的確定
　　

　　式中：托盤(pán)圓角半徑取R=2mm
　　富裕量取c=2mm
　　膜片內(nèi)圓角 R_m=R+δ=2．5mm
　　托盤(pán)底部直線(xiàn)段d_m=d-2R=37-4=33mm
　　(4)滾動(dòng)膜片高度尺寸按式8計(jì)算：H=24mm
　　根據(jù)上例得出的結(jié)果是：H=24mm；D=46mm；R_m=2．5mm；d_m=33mm。
　　以上各公式僅供參考，適用于D50～D150調(diào)壓器的平衡膜片設(shè)計(jì)。
3．2校驗(yàn)與調(diào)整
　　由于平衡膜片計(jì)算、制造的誤差以及其他因素的影響，要在實(shí)踐中對(duì)平衡膜片進(jìn)行檢驗(yàn)，除了耐壓、氣密性外，還要看它是否比較**地起到抵消閥瓣不平衡力的作用。
　　按下列步驟進(jìn)行校驗(yàn)與調(diào)整：
　　(1)將調(diào)壓器安裝在檢測(cè)系統(tǒng)管道上，前壓P₁調(diào)定在調(diào)壓器允許的下限，比如0．5MPa，調(diào)壓器出口管道可以打開(kāi)一個(gè)小閥門(mén)(考克)，出口壓力P₂調(diào)整在調(diào)壓器允許輸出的某一參數(shù)上，比如5kPa。
　　(2)P₂固定不動(dòng)，也不允許重新調(diào)節(jié)調(diào)壓彈簧，使P₁逐漸升高到調(diào)壓器允許的上限，比如0．4MPa，并觀(guān)察P₂的變化情況。
　　(3)分析，如果P₂跟隨P₁的升高而升高，說(shuō)明平衡膜片的有效面積稍大，如果P₂跟隨P₁的升高而下降，說(shuō)明平衡膜片的有效面積略小。
　　(4)出現(xiàn)上述兩種情況要對(duì)平衡膜片的有效面積進(jìn)行調(diào)整，由于對(duì)平衡膜片模具的反復(fù)修改比較麻煩，也由于實(shí)際上這種誤差比較小，所以通過(guò)改變套筒內(nèi)徑D或改變托盤(pán)d尺寸的方法比較簡(jiǎn)單。校驗(yàn)、調(diào)整工作可能需要反復(fù)試驗(yàn)幾次才可以*終確定平衡膜片相關(guān)尺寸，達(dá)到調(diào)壓器出口壓力P：基本不隨進(jìn)口壓力P₁變化，可以使靜特性曲線(xiàn)簇更為理想。
3．4平衡膜片設(shè)計(jì)、制造的注意事項(xiàng)
　　(1)膜片拐角處不能有直棱角，要做出圓弧，避免翻折后容易斷裂和硫化時(shí)虧膠，套筒內(nèi)壁與端面交接處也應(yīng)倒出圓弧角，避免尖角割裂膜片。
　　(2)膜片的材料；用于天然氣、LPG時(shí)可選丁腈橡膠，用于煤氣選用氯醇橡膠。
　　(3)膜片內(nèi)有彈性滌綸布夾層，仔細(xì)觀(guān)察膜片內(nèi)、外表面，一面可以隱約看見(jiàn)網(wǎng)狀?yuàn)A布的紋路，另一面是光面，要求光面為氣體的受壓面，因此，對(duì)于正向安裝的膜片，光面在膜片內(nèi)表面，反向安裝的膜片光面在外表面，這樣可以避免出現(xiàn)泄漏，提高膜片的耐壓強(qiáng)度。
　　(4)模具材料進(jìn)行調(diào)質(zhì)處理。人工車(chē)制模具*好先用薄鋼板按膜片的內(nèi)外輪廓，用線(xiàn)切割方法制成凸凹樣板，檢驗(yàn)?zāi)＞咝螤?。模具的工作面拋光至Ra0．4μ以上。
　　(5)目前，國(guó)內(nèi)生產(chǎn)的滾動(dòng)膜片受到材料、工藝等限制，其高度H與開(kāi)口直徑D的比例一般不超過(guò)1：1，所以行程不能過(guò)長(zhǎng)。
　　(6)在調(diào)壓器裝配圖上(例如圖4)，閥瓣與閥座處于*大開(kāi)度狀態(tài)，則平衡膜片、主膜片按*低位置繪出，若閥瓣與閥座處于關(guān)閉狀態(tài)，平衡膜片、主膜片均按*高位置繪出，如果不注意這一點(diǎn)，很可能在拆零件圖時(shí)造成閥桿長(zhǎng)度尺寸上的錯(cuò)誤.