多工况下气体减压阀特性试验研究

doi:10.3969/j.issn.1004-132X.2025.11.001

摘要/Abstract

摘要：

气体管路系统中常使用减压阀来控制下游压力，目前常规小型减压阀的降压幅度较小，难以满足超高压下的降压需求。提出了一种超高压条件下输出压力可调的小型减压阀，其输入压力为19~60 MPa，输出压力为7~13 MPa。通过建立试验平台、设置不同的减压阀上游压力和下游阻力，研究了减压阀在四类工况下工作性能的稳定性以及特性参数的变化。经过试验验证，该减压阀可以在超高压使用场景下维持下游压力稳定，管路接通后减压阀的响应时间为0.5~6.0 s，响应后10 s内的压力波动幅度为0.12%~4.49%。结果表明：减压阀阀后压力变化趋势与上游压力有关，上游压力减小时输出压力先减小再增大，上游压力稳定时输出压力有减小的趋势。研究结果可指导该型减压阀在气体管路系统中的应用。

关键词: 高压气体减压阀, 氮气, 压力, 流量

Abstract:

Pressure reducing valves were often used in gas pipeline systems to control the downstream pressure. At present， the pressure reduction range of conventional small pressure reducing valves was small， and it was difficult to meet the pressure reduction demands under ultra-high pressure. A small pressure reducing valve with adjustable output pressure under ultra-high pressure was proposed， with an input pressure of 19~60 MPa and an output pressure of 7~13 MPa. By establishing a test platform and setting different upstream pressure and downstream resistance of the pressure reducing valves， the stability of the performance of the pressure reducing valves and the characteristic change were studied under four types of working conditions. Through experimental validation， the pressure reducing valve may maintain stable downstream pressure in ultra-high pressure usage scenarios. The response time of the valves after the pipeline connection is between 0.5 and 6.0 seconds， with pressure fluctuations within 10 seconds after response being between 0.12% and 4.49%. The results indicate that the trend of pressure changes after the reducing valves are related to the upstream pressure： when the upstream pressure decreases， the output pressure first declines and then rises， while when the upstream pressure is stable， the output pressure tends to decrease. The results may guide the applications of the pressure reducing valves in hydraulic systems.

Key words: high-pressure gas pressure reducing valve, nitrogen, pressure, flow rate

中图分类号:

U173.4

秦斌, 郝嘉旭, 林静雯, 张泉. 多工况下气体减压阀特性试验研究[J]. 中国机械工程, 2025, 36(11): 2477-2485.

Bin QIN, Jiaxu HAO, Jingwen LIN, Quan ZHANG. Experimental Study of Characteristics of Gas Pressure Reducing Valves under Different Working Conditions[J]. China Mechanical Engineering, 2025, 36(11): 2477-2485.

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图/表 12

参考文献 21

[1]	JANUS T， ULANICKI B. Improving Stability of Electronically Controlled Pressure-reducing Valves through Gain Compensation［J］. Journal of Hydraulic Engineering， 2018， 144（8）： 04018053.
[2]	KHAN H A， YUN S N， JEONG E A， et al. A Novel Design and Performance Evaluation Technique for a Spool-actuated Pressure-reducing Valve［J］. Actuators， 2021， 10（9）： 232.
[3]	XU Enle， NIE Chenglei， JIANG Xiaofeng， et al. Theoretical Investigation on the Throttle Pressure Reducing Valve through CFD Simulation and Validating Experiments［J］. Korean Journal of Chemical Engineering， 2021， 38（2）： 400-405.
[4]	GAD O. Modeling of Impact of the Poppet Element on Its Seat Body in Pressure Relief Valves［J］. Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers， Part I： Journal of Systems and Control Engineering， 2021， 235（5）： 703-720.
[5]	QIAN Jinyuan， WEI Lin， ZHANG Ming， et al. Flow Rate Analysis of Compressible Superheated Steam through Pressure Reducing Valves［J］. Energy， 2017， 135： 650-658.
[6]	DESAI S， DESAI A， KARANDE V. Design and Weight Optimization of Buffer Relief Valve Using FEA with Experimental Validation［J］. Materials Today： Proceedings， 2020， 27： 1466-1472.
[7]	ZHANG Yanhong， LIU Bin， SHE Xiaohui， et al. Numerical Study on the Behavior and Design of a Novel Multistage Hydrogen Pressure-reducing Valve［J］. International Journal of Hydrogen Energy， 2022， 47（32）： 14646-14657.
[8]	GUPTA A， BOKDE N， KULAT K， et al. Nodal Matrix Analysis for Optimal Pressure-reducing Valve Localization in a Water Distribution System［J］. Energies， 2020， 13（8）： 1878.
[9]	LIU J R， JIN B， XIE Y J， et al. Research on the Electro-hydraulic Variable Valve Actuation System Based on a Three-way Proportional Reducing Valve［J］. International Journal of Automotive Technology， 2009， 10（1）： 27-36.
[10]	SONG Yanhe， BA Kaixian， CHEN Xin， et al. Polynomial Excitation Current Compensation Control for Dead Zone and Hysteresis of Three-way Proportional Pressure Reducing Valve［J］. International Journal of Control， Automation and Systems， 2024， 22（7）： 2142-2157.
[11]	王涛，姚蘅，彭光正. 气动减压阀流量特性连续测量方法的研究［J］. 中国机械工程， 2011， 22（6）： 636-641.
	WANG Tao， YAO Heng， PENG Guangzheng. Study on Continuous Measurement Method of Flow Rate Characteristics for Pneumatic Regulator［J］. China Mechanical Engineering， 2011， 22（6）： 636- 641.
[12]	彭育辉，吴智洲，黄育鹏，等. 基于试验设计方法的双级CNG减压阀结构改进［J］. 中国机械工程， 2019， 30（20）： 2512-2519.
	PENG Yuhui， WU Zhizhou， HUANG Yupeng， et al. Structure Improvement on Two-stage CNG Pressure Regulators Based on Method of DOE［J］. China Mechanical Engineering， 2019， 30（20）： 2512- 2519.
[13]	郑文明，雷振尧，张维中. 三通减压阀试验方法的研究［J］. 液压气动与密封， 2023， 43（7）： 108-110.
	ZHENG Wenming， LEI Zhenyao， ZHANG Weizhong. Research on Test Method of Three-way Pressure Reducing Valve［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2023， 43（7）： 108-110.
[14]	姜一通，赵玲，费一尘，等. 气室加载式先导减压阀动态特性分析与参数影响研究［J］. 液压与气动， 2022， 46（12）： 160-167.
	JIANG Yitong， ZHAO Ling， FEI Yichen， et al. Dynamic Characteristic and Parameter Influence Analysis of Chamber-loaded Pilot Pressure Regulator［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2022， 46（12）： 160-167.
[15]	程庄，张君，徐士彪，等. 某型发动机用减压阀性能建模研究［J］. 机床与液压， 2023， 51（14）： 195-201.
	CHENG Zhuang， ZHANG Jun， XU Shibiao， et al. Research on Performance Modeling of Pressure Reducing Valve for a Certain Engine［J］. Machine Tool & Hydraulics， 2023， 51（14）： 195-201.
[16]	秦新亚，王学生，刘延斌，等. 某型导弹高压正向式减压阀静态特性分析［J］. 液压与气动， 2021， 45（11）： 121-127.
	QIN Xinya， WANG Xuesheng， LIU Yanbin， et al. Static Characteristics Analysis of a Missile High-pressure Positive Pressure Reducing Valve［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2021， 45（11）： 121-127.
[17]	刘文彩，许勇. 自来水减压阀结构分析与优化设计［J］. 液压气动与密封， 2018， 38（9）： 20-25.
	LIU Wencai， XU Yong. Analysis and Optimization Design of Pressure Reducing Valve for Tap Water［J］. Hydraulics Pneumatics & Seals， 2018， 38（9）： 20-25.
[18]	童成彪，周志雄，周源. 支持矢量回归机的参数优化及在智能减压阀压力预测中的应用［J］. 中国机械工程， 2016， 27（14）： 1931-1935.
	TONG Chengbiao， ZHOU Zhixiong， ZHOU Yuan. Parameter Optimization of Support Vector Regression and Its Applications to Pressure Prediction of Intelligent Pressure Reduce Valves［J］. China Mechanical Engineering， 2016， 27（14）： 1931-1935.
[19]	刘斌，李帅访，刘钊. 活塞式减压阀出口压力波动及控制导阀改造［J］. 人民长江， 2022， 53（）： 165-169.
	LIU Bin， LI Shuaifang， LIU Zhao. Outlet Pressure Fluctuation of Piston-type Pressure Relief Valve and Controlling Guide Valve Transformation［J］. Yangtze River， 2022， 53（S2）： 165-169.
[20]	张明，臧辉，郭志海，等. 火箭增压输送系统减压阀出口压力性能改进研究［J］. 液压与气动， 2022， 46（12）： 168-176.
	ZHANG Ming， ZANG Hui， GUO Zhihai， et al. Improvement of Rocket Pressurization System Pneumatic Reducing Valve Pressure Performance［J］. Chinese Hydraulics & Pneumatics， 2022， 46（12）： 168-176.
[21]	郭才冬，邓真，康喜华. 发动机减压阀异常噪声的分析及解决方案［J］. 内燃机， 2023， 39（2）： 24-27.
	GUO Caidong， DENG Zhen， KANG Xihua. Analysis and Solution of Noise of Pressure Reducing Valve of an Engine［J］. Internal Combustion Engines， 2023， 39（2）： 24-27.

参数	数值
入口压力/MPa	19~60
出口压力/MPa	7~13
工作温度/℃	-40~50
壳体强度/MPa	≥105
质量/kg	1.07
过滤精度/μm	30

参数	数值
入口压力/MPa	19~60
出口压力/MPa	7~13
工作温度/℃	-40~50
壳体强度/MPa	≥105
质量/kg	1.07
过滤精度/μm	30

工况	压力条件	上游压力	下游压力
工况1	上游压力减小，下游背压不变
工况2	上游压力减小，下游背压不变
工况3	上游压力减小，下游背压增大
工况4	上游压力减小，下游背压减小

工况	压力条件	上游压力	下游压力
工况1	上游压力减小，下游背压不变
工况2	上游压力减小，下游背压不变
工况3	上游压力减小，下游背压增大
工况4	上游压力减小，下游背压减小

试验	工况	上游初始压力/MPa	减压阀设置	下游初始背压/MPa
试验1	工况1	40.5	挡位1
试验2	工况1	40.4	挡位2
试验3	工况2	19.0	挡位2
试验4	工况2	18.7	挡位5
试验5	工况3	35.1	挡位1	1.2
试验6	工况3	34.9	挡位2	1.2
试验7	工况3	35.2	挡位3	1.2
试验8	工况4	52.1	挡位4
试验9	工况3	32.0	挡位4
试验10	工况3	32.0	挡位5