彈簧直接載荷式安全閥的動作性能主要是通過彈簧來控制的,確切的說彈簧的剛度影響最大,如果彈簧剛度選擇不當,可能造成安全閥不能正常地工作。由于這種特殊性,在安全閥彈簧設計時,首先就要確定彈簧的剛度,并力求接近于實際的排放工況。

目前主要是采用以下幾種方法來初步計算彈簧的剛度,最終還要通過試驗確定彈簧的理想剛度值。另外安全閥用的彈簧基本都是圓柱螺旋壓縮彈管,所以在這一節里只介紹圓柱螺旋壓縮彈簧,除非有說明外,這里所說的彈簧玓指圓柱螺旋壓縮彈簧。若想采用其他形式的彈簧,請查閱相關的彈簧設計手冊。

1、升力系數p的概念

彈簧式安全閥的動作特性,即排放壓力、開啟高度、回座壓力等性能,取決于閥門開啟和關閉(回座)過程中流體對閥瓣作用的升力與彈簧載荷力的共同作用結果,上述兩力在閥門動作過程中都是變化的。

閥瓣升力的變化情況可用升力系數p來表述。升力系數p是閥瓣升力F與介質靜壓力作用在等于流道面積的閥瓣面積上產生的作用力的比值。即:

     升力系數p取決于閥門結構以及影響介質流動的各零件的形狀和尺寸，并隨開啟高度、調節閥位置和介質的不同而變化，通常智能借助試驗來確定。圖示2.5-1為安全閥瓣升力系數曲線的一些例子。

系數p可以大于1也可以小于1，p值越大，升壓就越大，安全閥的開啟高度也就越高，因而排放能力也就越大越大。試驗研究表明，安全閥流道部分的幾何參數不同，對p的影響

不一樣。對于確定的幾何參數的安全閥，ρ值僅僅取決于相對開啟高度H=h/ (開高／流道直徑）圖2.5-2表示安全閥在不同的相對開啟高度H下，系數ρ與/比值之間的關系曲線。（圖中模型參數 do=20mm 時，/=1.15-1.8,H=0.05-0.4)

從圖中可以看出當不變時，閥瓣直徑的的增大使得升力系數ρ值也增大，但相對開啟高度比值H對ρ值的影響程度很大，H 值比較大的時候，隨著 /的增大，ρ值增加的很快，如圖中H=0.4時的曲線。反之當H比較小時，ρ值增加的較慢，如H=0.1時的曲線。

從曲線中還可以看出當/約等于1.35時，ρ值不隨開啟高度的變化而變化，當小于1.35時，ρ值隨著開啟高度的增加而減小，當大于1.35時，ρ值隨著開啟高度的增大而增大。這個現象可以解釋為：當閥門開啟高度很小的時候，在閥瓣打開的間隙處，介質流動的方向平行于閥座密封面，并且在從間隙流出時基本保持方向不變。此時流束對閥瓣的沖擊力很小，升力系數ρ值幾乎與閥瓣直徑無關。當安全閥開啟高度比較大的時候，流束的方向會從平行于密封面轉向下，閥瓣直徑越大，流束的作用面積越大，因而ρ值也越大。

為了增加流束的沖擊作用，通常把全啟式安全閥的閥瓣做成直徑比較大，使得 /大于1.35,這樣隨著安全閥排放時開啟高度的增加，升力系數ρ值迅速增加，動壓力也隨之增加，從而更好的克服安全閥開啟高度增加時彈簧增加的壓縮力，而在安全閥回座的過程中，隨著開啟高度的減小，升力系數ρ值迅速減小，在彈簧力的作用下可以實現有力的關閉從而建立有效的密封。與此同時安全閥的排量系數或阻力幾乎不變。

通過對安全閥流道部分結構進行的研究表明：

（1）如圖2.5-3所示，當安全閥的閥座和閥瓣外緣上有傾角Ψ1和閥座密封面內傾角Ψ 2時會是的升力系數ρ值降低，由此從增加升力的角度出發，平面密封由于錐面密封。

       (a)閥座和閥瓣外邊緣帶有傾斜角  (b)閥座密封面帶有內傾斜角

(2)反沖盤式的閥瓣上帶有轉向凸邊時,依靠流束對閥瓣的反作用力可以使得p值增加到兩倍以上。 凸邊使得流束發生轉向。 很顯然采用凸邊的設計能使閥門的開啟高度較大,如圖2.5-4所示,通過實驗表明,以凸邊斜角為30-45 度的錐形轉向結構,且凸邊高度△/=0.2-0.3時最佳,閥瓣中間帶圓錐體與無錐體結構比較,在H=0.4時,其升力系數大約能提高約7%。

圖2.5-3 閥座與閥瓣的傾角

圖2.5-4錐形反沖盤結構和閥瓣中央有錐體

(3)升力系數p值隨著閥座噴嘴的錐角的增大而增加,在相對開啟高度H=0.4時,采用噴嘴形閥座可以使得升力系數增加約 20%,通常把全啟式安全閥的閥座進口直徑設計成流道直徑的1.5倍以上。

通過對一系列參數的比值研究表明,全啟式安全閥最適宜的結構尺寸通常為:

/≈2.0   /≥1.5   8/≈3-0.5  △/≈0.18-0.20

2,用閥瓣升力來計算彈簧剛度

彈簧載荷力的變化決定于彈簧剛度,為了獲得要求的動作性能,應根據升力系數來確定彈簧剛度,其主要方法有以下兩種:

(1)計算法

為達到規定的開啟高度(開高)h,在開高h下的閥瓣升力應大于或等于此時的彈簧力，據此確定彈簧剛度的最大值為:

                           式2.5-2

式中:——彈簧計算剛度,N/mm:

H——閥瓣開啟高度,mm:

——流道直徑,mm:

——關閉件密封面平均直徑,mm;

——額定排放壓力,MPa;

P——整定壓力(開啟壓力),MPa;

——開啟高度為h時的閥瓣升力系數。

這種計算法的缺點是沒有考慮開啟的全過程,僅僅考慮了達到規定升高,而且也沒有考慮回座過程,所以計算的彈簧剛度常常偏小。

(2)用圖解法計算

為保證安全閥在不高于額定排放壓力時達到規定開啟高度,并在壓力不低于規定回座壓力時回座,在開啟高度為零到規定升高范圍內的彈簧力曲線,應位于額定排放壓力和回座壓力下的閥瓣升力曲線之間。下面介紹的圖算法就是利用這個原理。

圖2.5-2是用作圖法確定彈簧剛度的示例。圖中曲線Ⅰ是閥進口壓力為整定壓力Ps時的升力曲線(將如圖2.5-1所示的升力系數p的曲線圖的縱坐標乘以

π'/4,就得到曲線I),即：

='             式2.5-3

曲線II是閥進口壓力額定排放壓力時的升力曲線(將按比例/放大,即得)，即：

='           式2.5-4

曲線Ⅲ是閥進口壓力為回座壓力 Pr時的升力曲線(將按比例 pr/ps縮小,即得),即：

='             式2.5-5

以縱坐標軸上數值為Dm2/do2(（π'/4)÷(π/4)）的點(相當于h=0時的彈簧預壓縮力)為起點作彈簧特性線,使這位于曲線II和Ⅲ之間,并度量其傾角.

以圖2.5-5為例,圖中橫坐標軸h上每格表示升高(即彈簧壓縮量)為1mm,縱坐標軸上同樣長度表示的彈簧力為0.1×π/4，

彈簧剛度為: =0.1× πtan/4.

以不同的值代入,即可求得不同整定壓力下的彈簧剛度。

3、用動作性能參數來計算剛度。

(1)微啟式安全閥:由于微啟式沒有反沖機構,可以認為在規定的開啟高度內,閥瓣的升程和壓力增加成正比

(2)全啟式安全閥:由于全啟式有合理的反沖機構,或設置有雙調節圈的機構,因此閥瓣開啟速度很快,閥瓣的升程和壓力增加不成比例。確定彈簧剛度時,應考慮閥瓣開啟后，閥瓣受介質作用的面積有所增加,但此時的介質壓力已不是排放壓力，而比要大大減小了,這個減小值,對帶有雙調節圈的安全閥取0.3，對帶有反沖盤的安全閥取0.1。

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