安全阀的种类和工作原理

安全阀是防止系统压力超过允许压力值的机械式的保护装置。安全阀是偶而工作的；而另一种起着同样作用，但它是一直在工作的阀称为溢流阀。

本节只对结构较为简单的安全阀作阐述，对于结构较为复杂的带伺服作用的安全阀、差动式安全阀和杆型安全阀等不作介绍。

我国对全回流安全阀、全回流时压力的规定：JB/T 8091—1998《螺杆泵试验方法》的规定见表6-1：

表6-1 安全阀全回流压力

1）球形安全阀。球形安全阀是最简单的一种安全阀。阀弹簧的预紧可以是可调的，也可以是不可调的。它只是在偶而作用情况下采用。若经常工作，滚珠的振动会使阀座损坏。在螺杆泵中通常用于机械密封腔，当机械密封腔内压力超过设计允许的压力值时，压力推动滚珠，顶起弹簧，介质回流至吸入腔（图6-1）。为了提高阀的灵敏度和减少弹簧的侧向分力，弹簧作用力通过支承挡圈或圆盘传递给滚珠（图6-1中未表示），弹簧通常有导向零件。若在较高压力系统中采用球阀，则滚珠通常配有导向零件，使滚珠只能沿着轴向移动。

在额定压力情况下，弹簧预紧力作用在滚珠上，使阀保持密封；当压力超过规定的允许值时，介质的作用力使滚珠推动弹簧，压缩的弹簧长度即滚珠轴向升高的高度，此时介质通过阀的缝隙回流入低压腔，使介质压力下降，滚珠在弹簧力作用下重新回到阀座。

图6-1 球形安全阀示意图

2）锥形安全阀。若将上述球形安全阀的滚珠换成锥形阀，即为通常采用的锥形安全阀。这种安全阀必须注意导向的阀杆和锥形阀面以及阀座孔之间的同轴度，这是保证阀密封性良好的极为重要的条件。若同轴度差，就会产生工作时单边磨损、甚至无法密封的情况。为确保同轴度而采用的阀杆的导向装置（图6-2），也可以起到阻尼器的作用：即在介质压力作用下阀上升压缩弹簧时，阀杆（犹如一个活塞）压缩其背后空间a中的介质，介质通过该空间侧壁起节流作用的小孔b泄出，起到阻尼器的作用。

3）全回流安全阀的计算（图6-3）

图6-2 锥形安全阀示意图

a—空间 b—小孔

图6-3 阀的缝隙示意图

①全回流时介质通过阀缝隙的流速v′。T.M.巴什塔提出介质通过阀缝隙（即阀和阀座之间的空隙）的流速v′可按式（6-1）计算

式中 Q——通过阀缝隙的流量；

A′——阀缝隙的截面积，A′=πd_ft，其中：d_f为阀座孔直径；t为和介质流动方向垂直的阀缝隙的尺寸，t=hsinα，其中：h为阀升高的高度，α为阀的锥角；

μ——流量系数，对球阀和锥形阀通常取0.52～0.55；

H——介质液柱高，；

Δp—阀中的压力降，Δp=p₁-p₂。

我国常用的安全阀全回流时介质通过阀缝隙的流速v′值见表6-2。

表6-2 介质全回流时通过阀缝隙的流速

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注：特殊情况下v′可达30m/s。

表6-2中的经验数值是在输送介质的粘度约6.2～610mm²/s范围时选用。

②全回流时阀的升高高度h。由于A=πd_fsinα，并由式（6-1）可得

③安全阀开启压力p_k和关闭压力p_g。安全阀开启时的压力p_k，可从阀的受力平衡方程式中求出。

即

式中 p_T——弹簧压缩的作用力；

d_f——阀座孔直径。

安全阀关闭时的受力平衡方程式为

式中 p_p——阀脱离阀座时作用在阀座支承斜面上的平衡压力，p_p=0.45Δp；

D_f——阀座支承斜面的最大直径。

由于介质通过阀缝隙后流入与泵吸入端相通的阀体中，可以将p_g近似地看做Δp=p₂=p_g。故由式（6-4）可得

当阀不能完全密封时，即压力值p_k还不到按式（6-3）计算的值时阀就会打开。这种情况下，若阀座缝隙中的平衡压力p_p在阀开启前为0.45Δp，那么，阀开启前的压力p_k将等于阀关闭时的压力p_g，即可按式（6-5）计算。

阀开启压力和阀关闭压力的差值，可用改变阀座支承面的宽度来缩小。当支承面的斜面缩小为一条线（即图6-3上的支承斜面变为垂直于阀座孔的直角），这个差值就会完全消除。

阀座的支承面过宽，密封困难，且介质中微粒杂质掉入阀座支承斜面的可能性也增大；支承面采用一条线，则容易损坏，也会破坏密封；通常支承斜面应有0.25mm的宽度，并与阀一起进行研磨。

应当指出，锥形安全阀随阀的开启高度h的增大，介质作用的有效面积会减小，阀关闭时有效面积最大，即为。

④压力不平衡的补偿方法。安全阀除了式（6-3）和式（6-4）的静力作用外，还有介质对阀的反作用力，在某些情况下，这个力可能成为阀工作破坏的一个原因。

随阀开启高度的增大，介质通过阀缝隙的流速v就增大。根据伯努利方程式此时缝隙中的平均压力p_p就下降，从而破坏了作用在阀上的力的平衡，阀在弹簧力的作用下开始下降，这样又导致v下降和p_p升高，力平衡的破坏，又引起阀的上升。周而复始，就可能产生阀的振动。阀前后的压力降越大以及阀和阀座接触的密封斜面越宽，这种效应可能就越明显。阀的弹簧刚度不好或阀和阀座的密封面有间隙就容易引起高频振动。

由图6-3可知，加大锥形阀的锥角α，介质流动的倾角α也就增大，就能产生介质对阀较大的反作用力，这个力可以改善阀的稳定性。

如果锥形阀设计成带反向锥体的阀（图6-4），由于介质通过这种反向锥体阀大倾角会有较大的反作用力，产生一定的节流作用，使介质通过阀缝隙的压力卸荷变缓。也就是说，介质作用在阀上的液压面积增大，这就部分补偿了随阀升高而增大的弹簧作用力。因此，当安全阀采用图6-2的形式全回流时，若实际压力超过设计的规定值时，可以改为采用反向锥体的阀，使介质作用在阀上的总压力值增大，从而增大阀的上升高度，使全回流的压力值下降。所以这种结构形式的安全阀可以改善弹簧刚度引起的压力不平衡。这种特性很大程度取决于锥形的角度。

图6-4 带反向锥体的阀的示意图