新型結(jié)構(gòu)帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥的緩沖片中心無彈性臂，自身設(shè)計成為一彈性體，因而緩沖片工作過程應(yīng)力小，自身剛性系數(shù)大，緩沖片彈簧力大，氣閥的可靠性較高。運用有限元法計算自彈緩沖片剛性系數(shù)、工作過程應(yīng)力及等效運動質(zhì)量，并建立相應(yīng)的氣閥工作過程數(shù)學(xué)模型。帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥應(yīng)用于一系列大!中型壓縮機氣閥設(shè)計或改造，效果良好。

        氣閥是往復(fù)式壓縮機中最重要也是最易損壞的部件之一[1]。網(wǎng)狀閥是大中型往復(fù)式壓縮機普遍采用的閥型。傳統(tǒng)無摩擦帶緩沖片網(wǎng)狀閥其緩沖片靠中心固定部位有彈性臂，緩沖片在彈簧力作用下的彈性變形主要是彈性臂的變形。這種緩沖片彈性臂工作過程應(yīng)力較大，而自身剛性系數(shù)較小。很多場合下，需要緩沖片自身有較高的剛性系數(shù)，從而能采用較大的緩沖片彈簧力，以增大緩沖效果，但同時緩沖片工作過程應(yīng)力又不能太大，以免導(dǎo)致緩沖片可靠性下降，這時，傳統(tǒng)緩沖片彈性臂很難設(shè)計[2]。為此，本文提出一種帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥[3]。

１　帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)

帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)見圖1，其中從上至下依次為閥座、閥片、升程墊片、自彈緩沖片及升程限制器。升程限制器上有彈簧孔，其中靠外側(cè)略小的彈簧孔內(nèi)裝有壓在緩沖片上的彈簧，稱之為緩沖片彈簧；靠內(nèi)側(cè)略大的彈簧孔內(nèi)裝有壓在閥片上的彈簧，稱之為閥片彈簧。帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥與傳統(tǒng)無摩擦帶緩沖片網(wǎng)狀閥不同的是，其緩沖片靠中心固定部位沒有彈性臂，緩沖片自身設(shè)計成為一彈性體，因而這種緩沖片稱之為自彈緩沖片。自彈緩沖片各環(huán)之間由筋連接，其在緩沖片彈簧力作用下的彈性變形主要是指各連接筋的變形。自彈緩沖片除最外環(huán)外，里面各環(huán)由直槽斷開。這樣，一方面閥片彈簧可以從這些槽中穿過壓在閥片上，另一方面可以降低緩沖片自身的剛度。

２　自彈緩沖片計算

圖1所示壓縮機網(wǎng)狀閥自彈緩沖片俯視圖見圖2，自彈緩沖片中心緊貼升程墊片的部位為固定部位，最外環(huán)外圓為自由端，圖2中A~H處壓有緩沖片彈簧。顯然，在緩沖片彈簧力的作用下，緩沖片存在變形與應(yīng)力。緩沖片的最大撓度在最外環(huán)外圓處，最大拉應(yīng)力在連接筋根部與中心固定環(huán)接合部位。


由于緩沖片形狀較為復(fù)雜，故采用有限元方法計算緩沖片工作過程變形及應(yīng)力。自彈緩沖片的剛性系數(shù)Ks為式中，F(xiàn)s為壓在緩沖片上的總彈簧力；Wmax為自彈緩沖片最大撓度。

自彈緩沖片各環(huán)撓度不一樣，用單質(zhì)點數(shù)學(xué)模型分析氣閥的運動規(guī)律時，緩沖片的運動質(zhì)量則需采用等效運動質(zhì)量[4]。自彈緩沖片等效運動質(zhì)量可由瑞利法求得。以自彈緩沖片的靜態(tài)撓曲面作為振動形狀[5]，采用有限元方法計算時，自彈緩沖片的等效運動質(zhì)量Med為式中，ρ為自彈緩沖片的密度；Wi為第i個單元的平均撓度；△Vi為第i個單元的體積。

對于圖1所示自彈緩沖片，其最外環(huán)外徑為332mm，筋寬為16mm，中心固定環(huán)外徑為74mm升程墊片外徑為52mm，最外環(huán)寬為13mm，中間各環(huán)寬為10mm，環(huán)與環(huán)間槽寬為5mm，緩沖片厚為2mm，緩沖片彈簧中心所在圓直徑為312mm各環(huán)切開槽寬為30mm時，通過ANSYS軟件進行有限元分析[6]，得到自彈緩沖片的剛性系數(shù)為3214kN/m，等效運動質(zhì)量為01318kg。當(dāng)緩沖片的最大撓度為1mm時，緩沖片最大拉應(yīng)力為4416MPa。

與傳統(tǒng)存在彈性臂的無摩擦網(wǎng)狀閥緩沖片相比而言，自彈緩沖片的剛性系數(shù)大許多，因而可以承受較大的緩沖片彈簧力，緩沖效果好，氣閥傾側(cè)運動的幅度小；最大撓度相同時，自彈緩沖片最大應(yīng)力卻小得多，因而自身有良好的可靠性[2]。

自彈緩沖片的剛性系數(shù)容易按要求進行調(diào)整，如改變自彈緩沖片的厚度、連接筋的數(shù)目、寬度以及長度等。

３　帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥工作過程的數(shù)學(xué)模型 #p#分頁標題#e#

帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥工作過程的數(shù)學(xué)模型包括閥片的運動方程、能量守恒方程、連續(xù)性方程以及相應(yīng)的邊界條件及初始條件。下面以蓋側(cè)吸氣閥為例，建立帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥工作過程的數(shù)學(xué)模型。

閥片在開啟過程中，與緩沖片碰撞前，或在關(guān)閉過程中，與緩沖片脫離后，其運動方程為式中，Mv為閥片及閥片彈簧的等效運動質(zhì)量之和；ω為曲軸旋轉(zhuǎn)角速度；h為閥片位移；γ為曲軸轉(zhuǎn)角；Ap為有效受力面積；β為相對于Ap的推力系數(shù)[4]；ps為吸氣腔內(nèi)氣體壓力；p為氣缸內(nèi)氣體壓力；Fv為閥片彈性臂及閥片彈簧產(chǎn)生的彈力之和[4]。

當(dāng)閥片與緩沖片貼合，一起運動時，其運動方程為式中，Md為自彈緩沖片及緩沖片彈簧的等效運動質(zhì)量之和；Fd為自彈緩沖片及緩沖片彈簧產(chǎn)生的彈力之和。

當(dāng)被壓縮氣體可簡化為理想氣體，流過吸氣閥的氣流可簡化為一維、穩(wěn)定、絕熱流時，可得到如下能量守恒方程式中，K為等熵指數(shù)；V為氣缸工作容積[1]；Ms為吸氣內(nèi)氣體比容；m為流過吸氣閥的氣體質(zhì)量。

流過吸氣閥的氣體質(zhì)量由連續(xù)性方程可得式中，N為同側(cè)同名氣閥數(shù)；Aef為氣閥有效通流面積[4]；R為氣體常數(shù)；Ts為吸氣腔內(nèi)氣體溫度。

蓋側(cè)吸氣閥工作過程能量損失W1為式中，γ0為氣閥開啟角[1]；Vh為氣缸行程容積；λ為曲柄半徑連桿長度比。

帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥工作過程中，閥片與閥座、升程限制器存在碰撞，碰撞前后的速度關(guān)系為式中，CR為反彈系數(shù)，可取為0125[4]。

閥片開啟過程中，還存在與自彈緩沖片的碰撞，把閥片與自彈緩沖片的碰撞當(dāng)作完全非彈性碰撞[4]，可得如下邊界條件：

采用較小步長進行數(shù)值計算，hiH1時，則式中，H1為氣閥升程減去靜止狀態(tài)下自彈緩沖片在彈簧力作用下的最大撓度。

帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥工作過程的數(shù)學(xué)模型中，初始條件與環(huán)狀閥一樣[1]，此時曲軸轉(zhuǎn)角為開啟角，相應(yīng)的氣缸內(nèi)氣體壓力由閥片所受氣體力與閥片彈簧力相等這一關(guān)系確定，閥片初始狀態(tài)下位移、速度、流過氣閥的氣體質(zhì)量、氣閥能量損失均為0。

上述數(shù)學(xué)模型通過四階龍格-庫塔法求解[1]，這樣能獲得氣閥的運動規(guī)律、通流能力以及能量損失。其中運動規(guī)律對氣閥的經(jīng)濟性及可靠性影響很大。為驗證上述數(shù)學(xué)模型，本文在LW-22/8無油空壓機上采用帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥。測得的一級蓋側(cè)吸氣閥運動規(guī)律與模擬的氣閥運動規(guī)律見圖3。從圖3可知，采用上述數(shù)學(xué)模型模擬的氣閥運動規(guī)律基本上能反映氣閥的實際運動規(guī)律。

良好的氣閥運動規(guī)律要求氣閥能夠及時開啟、及時關(guān)閉以及有較長的全開期，同時氣閥運動元件碰撞速度小，可靠性高。

對帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥運動規(guī)律進行分析，顯然，自彈緩沖片及緩沖片彈簧的存在能有效降低閥片與升程限制器的碰撞速度。相對傳統(tǒng)無摩擦帶緩沖片網(wǎng)狀閥而言，帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥可以適當(dāng)提高自彈緩沖片的剛性系數(shù)及緩沖片彈簧力，相應(yīng)把閥片彈簧力略微降低，更有利于氣閥及時開啟、及時關(guān)閉，同時也有利于降低閥片與升程限制器、閥座的碰撞速度。

通過對帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥進行優(yōu)化[4]，自彈緩沖片在彈簧力作用下的最大靜態(tài)撓度為升程的40%左右較為合適。

４　帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥應(yīng)用

帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥已經(jīng)應(yīng)用于一系列大中型壓縮機氣閥設(shè)計或改造，效果良好。下面以H22Ⅲ-165/320氮氫氣壓縮機氣閥改造為例說明。

H22Ⅲ-165/320氮氫氣壓縮機是為單機年產(chǎn)2萬噸合成氨設(shè)計的四列對稱平衡型壓縮機，它是目前中型合成氨裝置中氮氫氣壓縮機的主要機型，占中型合成氨企業(yè)氮氫氣壓縮機總數(shù)的1/3以上。據(jù)統(tǒng)計，這種壓縮機原第一級氣閥的平均使用壽命約為一個月，第二級至第四級氣閥平均使用壽命約為兩個月。采用帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥改造后，第一級氣閥使用壽命平均超過4個月，第二級至第四級氣閥平均使用壽命超過6個月。第一級至第四級氣閥自彈緩沖片經(jīng)過長時間運行，未出現(xiàn)斷裂。帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥目前已在全國20余家主要H22Ⅲ-165/320氮氫氣壓縮機運行企業(yè)推廣[7]。 #p#分頁標題#e#

通過帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥的大量應(yīng)用及應(yīng)用效果分析表明，帶自彈緩沖片壓縮機網(wǎng)狀閥具有較高的可靠性。

壓縮機 網(wǎng)狀閥 應(yīng)用