滾動膜片在燃氣調壓器中的應用與設計

滾動膜片在燃氣調壓器中的應用與設計

　　在一些中低壓調壓器的設計中，為了解決閥瓣不平衡力的問題，改善調壓器性能，往往采用安裝平衡膜片的方法。安裝了平衡膜片后，可以提高調壓器進口壓力與出口壓力之間的壓差，比如，國內的老式衡量調壓器，當出口壓力為2kPa時，進口壓力只能達到0．2MPa；安裝平衡膜片后，出口壓力不變，進口壓力可以提高到0．6MPa以上。直接作用式調壓器安裝平衡膜后，除了提高進、出口壓差外，出口壓力受到進口壓力變化的影響得到了非常明顯的改善。
　　在調壓器行業，就用途而言這種膜片稱為“平衡膜片”，而在橡膠、儀表、機械等行業被稱為“滾動膜片”，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 滾動膜片的形狀、特點及安裝方法

1．1滾動膜片的形狀
　　滾動膜片在自由狀態下像一個禮帽的形狀，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型環邊，或者底部周邊帶固定孔等形式見圖1a、圖1b。
1．2滾動膜片的特點
　　(1)運動行程長，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、材質相同、厚度相同的情況下，承受壓力*高。
　　(3)在膜片運動行程內受壓面積是恒定的，所以對閥桿、閥瓣可以獲穩定的推、拉力。
　　(4)膜片的運動過程與套筒內壁、托盤外表面之間是滾動工作，摩擦阻力極小。
　　(5)允許介質中帶有微粒、雜質、煤氣中的焦油等。
　　(6)對于套筒內壁及托盤外表面的加工精度、表面粗糙度要求比活塞裝置低。
　　(7)托盤、閥桿發生微小偏斜和偏心時，在氣體的作用力下會自動找正對中。
　　(8)滾動膜片只允許單向受力，承受的壓差比活塞裝置小，目前，國內用于調壓器產品的滾動膜片承壓一般不超過0．8MPa。
1．3 膜片的安裝方法

圖1

　　與滾動膜片配套使用必須有一個托盤，滾動膜片安裝后在氣體壓力作用下，托盤與套筒內壁之間的部分變成了圓弧，托盤上下運動時，該圓弧沿著套筒內壁和托盤外壁做無滑動的滾動，“滾動膜片”的名稱因此而來。
　　滾動膜片安裝有兩種方式，一種為正向安裝見圖2a，另一種為反向安裝見圖2b。
　　正向安裝用于壓力相對較高的場合，反向安裝用于壓力比較低的場合，正向安裝膜片大開口部位向內翻折；而反向安裝，膜片頂部兩個圓弧角向內翻折。
　　圖2a、圖2b中都標注了*大行程，表示托盤位移的極限距離，這個距離與調壓器閥瓣、閥桿的運動行程相對應。設計時，滾動膜片的行程要略大于閥瓣、閥桿的運動行程，避免調壓器相關零件加工誤差造成它們之間的行程不對應。

圖2

 
圖3

2 滾動膜片的計算、設計

2．1滾動膜片受力及有效面積的計算
　　滾動膜片的受力由兩部分組成，見圖3，一部分是被膜片包裹托盤的圓面積，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’為托盤直徑加上兩個膜片厚度，即d’=d+2δ，而D’是套簡直徑D減去兩個膜片厚度，即D’=D-2δ，這樣計算出的數值比較接近實際情況。
　　(1)托盤圓面積部分的受力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)環形面積的受力F₂
　　環形面積受到氣體壓力后傳遞到托盤邊緣，其推(拉)力為F₂，*終傳遞到閥桿上，作用于環形面積上的氣體壓力是一均布載荷q，為了簡化計算可用一集中力P代替，為了理解環形面積的受力，把膜片的截面用一個等效的單滑輪原理來解釋(見圖3b)，鋼絲繩的一端被固定，另一端重力為W，通過滑輪中心的拉力為Q，則有W=1／2Q，將圖3a與圖3b對照，鋼絲繩看相當膜片的一個截面，W相當于F₂，Q相當于P，因此，環形面積的受力只有實際壓力的一半，即1／2P由此可知，環形面積的受力計算如下：
　　

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

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

　　從式4中可以看出滾動膜片的受力面積并不是幾何意義所表達的面積，所以，稱為有效面積或當量面積。
2．2滾動膜片的設計
　　(1)d’與D’的尺寸確定
　　滾動膜片要考慮滾動寬度X的尺寸(見圖3)，寬度過大，膜片產生的推(拉)力會減小，膜片的承受壓力也會降低，滾動膜片并非像圖中繪制的那樣理想，實際上膜片沿套筒內壁和托盤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，滾動寬度過于狹小，內外兩層膜片褶皺處會互相摩擦，影響滾動，筆者根據實踐認為，滾動寬度應滿足如下兩個條件(見式5和式6)。

　　一般，式5用于計算，式6用于校核。
式中：X——滾動寬度(mm)；
　　　δ——膜片厚度(mm)；
　　　d’=d+2δ(mm)或d=d’-2δ；
　　　D’=D-2δ(mm)或D=D’+2δ；
　　　d——托盤直徑(mm)；
　　　D——套筒內徑(mm)。
　　(2)托盤高度H_t的確定；
　　

　　(3)膜片高度H的確定；
　　

式7、8中：H_t——托盤高度；
　　　　　H——膜片高度；
　　　　　R——托盤圓角半徑；
　　　　　L——閥瓣的行程；
　　　　　R_m——膜片內圓角半徑；
　　　　　c——富裕量；
　　對于正向安裝方式的滾動膜片，托盤底部直線段d，與膜片底部直線段相等，膜片內圓角正好與托盤外輪廓相包容，托盤的圓角半徑R等于膜片內園角半徑R_m。反向安裝方式，除了托盤底部直線段d_m與膜片頂部直線段相等，還要求膜片內弧圓角半徑R_m等于或略大于托盤圓角半徑R加上膜片的厚度δ，因為R_m經過翻折后恰好能包在托盤圓角半徑R上，其中d_m主要作為繪制膜片的輔助尺寸。
　　富裕量c根據滾動膜片的大小在2mm-8mm范圍內選擇，主要考慮調壓器相關零件加工誤差可能造成滾動膜片的設計位置與實際位置不對應，另考慮到橡膠件硫化后的收縮等問題。
　　(4)膜片的厚度
　　膜片內部所夾絲布是整個膜片的骨架，主要起到增加強度的作用，橡膠主要起到氣密性的作用，膜片的橡膠層過厚其強度不一定增加很多，但是影響滾動的靈敏度，橡膠層過薄則氣密性較低。根據試驗，調壓器前壓P₁≤0．8MPa以下使用的膜片根據形狀的大小可在0．5≤6≤1mm之間選擇。

3 平衡膜片設計實例

　　調壓器中的平衡膜片設計一般分兩步完成，**步按上述公式計算出理論尺寸，**步在實踐中對平衡膜片的相關尺寸進行校驗、調整，以達到*佳水平。
　　本實例如圖4所示，D50直接作用式調壓器，閥瓣與閥座處于*大開度狀態，平衡膜片相應在*低位置；閥座直徑為45mm，閥桿直徑16mm，閥瓣的*大開度(行程)L=12mm；膜片反向安裝，其設計步驟如下：

圖4

3．1理論計算
　　(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，根據式5；設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。
　　套筒內孔D、托盤直徑d、滾動寬度X計算如下：
　　D=D’+2δ=46(mm)
　　D=d’-2δ=37(mm)
　　當D=46mm，d=37mm時，確定X，并按式6校核：
　　

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

　　式中：托盤圓角半徑取R=2mm
　　富裕量取c=2mm
　　膜片內圓角 R_m=R+δ=2．5mm
　　托盤底部直線段d_m=d-2R=37-4=33mm
　　(4)滾動膜片高度尺寸按式8計算：H=24mm
　　根據上例得出的結果是：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調壓器的平衡膜片設計。
3．2校驗與調整
　　由于平衡膜片計算、制造的誤差以及其他因素的影響，要在實踐中對平衡膜片進行檢驗，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。
　　按下列步驟進行校驗與調整：
　　(1)將調壓器安裝在檢測系統管道上，前壓P₁調定在調壓器允許的下限，比如0．5MPa，調壓器出口管道可以打開一個小閥門(考克)，出口壓力P₂調整在調壓器允許輸出的某一參數上，比如5kPa。
　　(2)P₂固定不動，也不允許重新調節調壓彈簧，使P₁逐漸升高到調壓器允許的上限，比如0．4MPa，并觀察P₂的變化情況。
　　(3)分析，如果P₂跟隨P₁的升高而升高，說明平衡膜片的有效面積稍大，如果P₂跟隨P₁的升高而下降，說明平衡膜片的有效面積略小。
　　(4)出現上述兩種情況要對平衡膜片的有效面積進行調整，由于對平衡膜片模具的反復修改比較麻煩，也由于實際上這種誤差比較小，所以通過改變套筒內徑D或改變托盤d尺寸的方法比較簡單。校驗、調整工作可能需要反復試驗幾次才可以*終確定平衡膜片相關尺寸，達到調壓器出口壓力P：基本不隨進口壓力P₁變化，可以使靜特性曲線簇更為理想。
3．4平衡膜片設計、制造的注意事項
　　(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虧膠，套筒內壁與端面交接處也應倒出圓弧角，避免尖角割裂膜片。
　　(2)膜片的材料；用于天然氣、LPG時可選丁腈橡膠，用于煤氣選用氯醇橡膠。
　　(3)膜片內有彈性滌綸布夾層，仔細觀察膜片內、外表面，一面可以隱約看見網狀夾布的紋路，另一面是光面，要求光面為氣體的受壓面，因此，對于正向安裝的膜片，光面在膜片內表面，反向安裝的膜片光面在外表面，這樣可以避免出現泄漏，提高膜片的耐壓強度。
　　(4)模具材料進行調質處理。人工車制模具*好先用薄鋼板按膜片的內外輪廓，用線切割方法制成凸凹樣板，檢驗模具形狀。模具的工作面拋光至Ra0．4μ以上。
　　(5)目前，國內生產的滾動膜片受到材料、工藝等限制，其高度H與開口直徑D的比例一般不超過1：1，所以行程不能過長。
　　(6)在調壓器裝配圖上(例如圖4)，閥瓣與閥座處于*大開度狀態，則平衡膜片、主膜片按*低位置繪出，若閥瓣與閥座處于關閉狀態，平衡膜片、主膜片均按*高位置繪出，如果不注意這一點，很可能在拆零件圖時造成閥桿長度尺寸上的錯誤.