滚动膜片在燃气调压器中的应用与设计

　　在一些中低压调压器的设计中，为了解决阀瓣不平衡力的问题，改善调压器性能，往往采用安装平衡膜片的方法。安装了平衡膜片后，可以提高调压器进口压力与出口压力之间的压差，比如，国内的老式衡量调压器，当出口压力为2kPa时，进口压力只能达到0．2MPa；安装平衡膜片后，出口压力不变，进口压力可以提高到0．6MPa以上。直接作用式调压器安装平衡膜后，除了提高进、出口压差外，出口压力受到进口压力变化的影响得到了非常明显的改善。
　　在调压器行业，就用途而言这种膜片称为“平衡膜片”，而在橡胶、仪表、机械等行业被称为“滚动膜片”，它在低压下可以替代活塞装置，也可以用它制造位移传感器等。

1 滚动膜片的形状、特点及安装方法

1．1滚动膜片的形状
　　滚动膜片在自由状态下像一个礼帽的形状，它是由夹有丝布的橡胶制成，顶部中间孔用于安装阀杆，为了安装固定和密封，顶部、底部可以带O型环边，或者底部周边带固定孔等形式见图1a、图1b。
1．2滚动膜片的特点
　　(1)运动行程长，是碟形膜片、波纹膜片的3倍—7倍。
　　(2)与碟形膜片、波纹膜片直径相同、材质相同、厚度相同的情况下，承受压力*高。
　　(3)在膜片运动行程内受压面积是恒定的，所以对阀杆、阀瓣可以获稳定的推、拉力。
　　(4)膜片的运动过程与套筒内壁、托盘外表面之间是滚动工作，摩擦阻力极小。
　　(5)允许介质中带有微粒、杂质、煤气中的焦油等。
　　(6)对于套筒内壁及托盘外表面的加工精度、表面粗糙度要求比活塞装置低。
　　(7)托盘、阀杆发生微小偏斜和偏心时，在气体的作用力下会自动找正对中。
　　(8)滚动膜片只允许单向受力，承受的压差比活塞装置小，目前，国内用于调压器产品的滚动膜片承压一般不超过0．8MPa。
1．3 膜片的安装方法

图1

　　与滚动膜片配套使用必须有一个托盘，滚动膜片安装后在气体压力作用下，托盘与套筒内壁之间的部分变成了圆弧，托盘上下运动时，该圆弧沿着套筒内壁和托盘外壁做无滑动的滚动，“滚动膜片”的名称因此而来。
　　滚动膜片安装有两种方式，一种为正向安装见图2a，另一种为反向安装见图2b。
　　正向安装用于压力相对较高的场合，反向安装用于压力比较低的场合，正向安装膜片大开口部位向内翻折；而反向安装，膜片顶部两个圆弧角向内翻折。
　　图2a、图2b中都标注了*大行程，表示托盘位移的极限距离，这个距离与调压器阀瓣、阀杆的运动行程相对应。设计时，滚动膜片的行程要略大于阀瓣、阀杆的运动行程，避免调压器相关零件加工误差造成它们之间的行程不对应。

图2

 
图3

2 滚动膜片的计算、设计

2．1滚动膜片受力及有效面积的计算
　　滚动膜片的受力由两部分组成，见图3，一部分是被膜片包裹托盘的圆面积，其直径为d’，受力为F₁，另一部分是D’和d’之间的环形面积，受力为F₂的两部分受力之和就是阀杆的推(拉)力F，即F=F₁+F₂。
　　需要注意的是：d’为托盘直径加上两个膜片厚度，即d’=d+2δ，而D’是套简直径D减去两个膜片厚度，即D’=D-2δ，这样计算出的数值比较接近实际情况。
　　(1)托盘圆面积部分的受力F₁
　　

　　式中P是作用于膜片受压面的气体压力，如果膜片两面都有压力，则P代表膜片两面的压差。
　　(2)环形面积的受力F₂
　　环形面积受到气体压力后传递到托盘边缘，其推(拉)力为F₂，*终传递到阀杆上，作用于环形面积上的气体压力是一均布载荷q，为了简化计算可用一集中力P代替，为了理解环形面积的受力，把膜片的截面用一个等效的单滑轮原理来解释(见图3b)，钢丝绳的一端被固定，另一端重力为W，通过滑轮中心的拉力为Q，则有W=1／2Q，将图3a与图3b对照，钢丝绳看相当膜片的一个截面，W相当于F₂，Q相当于P，因此，环形面积的受力只有实际压力的一半，即1／2P由此可知，环形面积的受力计算如下：
　　

　　(3)滚动膜片总的受力F
　　膜片的总受力为式1与式2之和即：
　　F=F₁+F₂
　　

　　(4)滚动膜片的有效面积A
　　从式3中去掉压力P这个因子所表达式子即为有效面积的表达式。
　　

　　从式4中可以看出滚动膜片的受力面积并不是几何意义所表达的面积，所以，称为有效面积或当量面积。
2．2滚动膜片的设计
　　(1)d’与D’的尺寸确定
　　滚动膜片要考虑滚动宽度X的尺寸(见图3)，宽度过大，膜片产生的推(拉)力会减小，膜片的承受压力也会降低，滚动膜片并非像图中绘制的那样理想，实际上膜片沿套筒内壁和托盘外表面带有许多褶皱，膜片的厚度越大，褶皱占有的空间越大，滚动宽度过于狭小，内外两层膜片褶皱处会互相摩擦，影响滚动，笔者根据实践认为，滚动宽度应满足如下两个条件(见式5和式6)。

　　一般，式5用于计算，式6用于校核。
式中：X——滚动宽度(mm)；
　　　δ——膜片厚度(mm)；
　　　d’=d+2δ(mm)或d=d’-2δ；
　　　D’=D-2δ(mm)或D=D’+2δ；
　　　d——托盘直径(mm)；
　　　D——套筒内径(mm)。
　　(2)托盘高度H_t的确定；
　　

　　(3)膜片高度H的确定；
　　

式7、8中：H_t——托盘高度；
　　　　　H——膜片高度；
　　　　　R——托盘圆角半径；
　　　　　L——阀瓣的行程；
　　　　　R_m——膜片内圆角半径；
　　　　　c——富裕量；
　　对于正向安装方式的滚动膜片，托盘底部直线段d，与膜片底部直线段相等，膜片内圆角正好与托盘外轮廓相包容，托盘的圆角半径R等于膜片内园角半径R_m。反向安装方式，除了托盘底部直线段d_m与膜片顶部直线段相等，还要求膜片内弧圆角半径R_m等于或略大于托盘圆角半径R加上膜片的厚度δ，因为R_m经过翻折后恰好能包在托盘圆角半径R上，其中d_m主要作为绘制膜片的辅助尺寸。
　　富裕量c根据滚动膜片的大小在2mm-8mm范围内选择，主要考虑调压器相关零件加工误差可能造成滚动膜片的设计位置与实际位置不对应，另考虑到橡胶件硫化后的收缩等问题。
　　(4)膜片的厚度
　　膜片内部所夹丝布是整个膜片的骨架，主要起到增加强度的作用，橡胶主要起到气密性的作用，膜片的橡胶层过厚其强度不一定增加很多，但是影响滚动的灵敏度，橡胶层过薄则气密性较低。根据试验，调压器前压P₁≤0．8MPa以下使用的膜片根据形状的大小可在0．5≤6≤1mm之间选择。

3 平衡膜片设计实例

　　调压器中的平衡膜片设计一般分两步完成，**步按上述公式计算出理论尺寸，**步在实践中对平衡膜片的相关尺寸进行校验、调整，以达到*佳水平。
　　本实例如图4所示，D50直接作用式调压器，阀瓣与阀座处于*大开度状态，平衡膜片相应在*低位置；阀座直径为45mm，阀杆直径16mm，阀瓣的*大开度(行程)L=12mm；膜片反向安装，其设计步骤如下：

图4

3．1理论计算
　　(1)确定平衡膜片的有效面积A’
　　理论上平衡膜片的有效面积应该与阀座面积相等，以抵消阀瓣的不平衡力，本例的平衡膜片有效面积为：
　　

　　(2)套筒直径D、D’与托盘直径d、d’的确定
　　参考图3，膜片厚度取6=0．5mm，已知：A=1388．665mm²，根据式5；设d’=0．85D’，用式4求出D’、d’。
　　则D’=45．3mm,取D’为45mm；
　　d’=0．85 D’=38．25mm，取d’为38mm。
　　套筒内孔D、托盘直径d、滚动宽度X计算如下：
　　D=D’+2δ=46(mm)
　　D=d’-2δ=37(mm)
　　当D=46mm，d=37mm时，确定X，并按式6校核：
　　

　　校核：X=9δ
　　符合X=(8～12)δ的要求。
　　(3)其他参数的确定
　　

　　式中：托盘圆角半径取R=2mm
　　富裕量取c=2mm
　　膜片内圆角 R_m=R+δ=2．5mm
　　托盘底部直线段d_m=d-2R=37-4=33mm
　　(4)滚动膜片高度尺寸按式8计算：H=24mm
　　根据上例得出的结果是：H=24mm；D=46mm；R_m=2．5mm；d_m=33mm。
　　以上各公式仅供参考，适用于D50～D150调压器的平衡膜片设计。
3．2校验与调整
　　由于平衡膜片计算、制造的误差以及其他因素的影响，要在实践中对平衡膜片进行检验，除了耐压、气密性外，还要看它是否比较**地起到抵消阀瓣不平衡力的作用。
　　按下列步骤进行校验与调整：
　　(1)将调压器安装在检测系统管道上，前压P₁调定在调压器允许的下限，比如0．5MPa，调压器出口管道可以打开一个小阀门(考克)，出口压力P₂调整在调压器允许输出的某一参数上，比如5kPa。
　　(2)P₂固定不动，也不允许重新调节调压弹簧，使P₁逐渐升高到调压器允许的上限，比如0．4MPa，并观察P₂的变化情况。
　　(3)分析，如果P₂跟随P₁的升高而升高，说明平衡膜片的有效面积稍大，如果P₂跟随P₁的升高而下降，说明平衡膜片的有效面积略小。
　　(4)出现上述两种情况要对平衡膜片的有效面积进行调整，由于对平衡膜片模具的反复修改比较麻烦，也由于实际上这种误差比较小，所以通过改变套筒内径D或改变托盘d尺寸的方法比较简单。校验、调整工作可能需要反复试验几次才可以*终确定平衡膜片相关尺寸，达到调压器出口压力P：基本不随进口压力P₁变化，可以使静特性曲线簇更为理想。
3．4平衡膜片设计、制造的注意事项
　　(1)膜片拐角处不能有直棱角，要做出圆弧，避免翻折后容易断裂和硫化时亏胶，套筒内壁与端面交接处也应倒出圆弧角，避免尖角割裂膜片。
　　(2)膜片的材料；用于天然气、LPG时可选丁腈橡胶，用于煤气选用氯醇橡胶。
　　(3)膜片内有弹性涤纶布夹层，仔细观察膜片内、外表面，一面可以隐约看见网状夹布的纹路，另一面是光面，要求光面为气体的受压面，因此，对于正向安装的膜片，光面在膜片内表面，反向安装的膜片光面在外表面，这样可以避免出现泄漏，提高膜片的耐压强度。
　　(4)模具材料进行调质处理。人工车制模具*好先用薄钢板按膜片的内外轮廓，用线切割方法制成凸凹样板，检验模具形状。模具的工作面抛光至Ra0．4μ以上。
　　(5)目前，国内生产的滚动膜片受到材料、工艺等限制，其高度H与开口直径D的比例一般不超过1：1，所以行程不能过长。
　　(6)在调压器装配图上(例如图4)，阀瓣与阀座处于*大开度状态，则平衡膜片、主膜片按*低位置绘出，若阀瓣与阀座处于关闭状态，平衡膜片、主膜片均按*高位置绘出，如果不注意这一点，很可能在拆零件图时造成阀杆长度尺寸上的错误.