新型結(jié)構(gòu)帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥的緩沖片中心無(wú)彈性臂，自身設(shè)計(jì)成為一彈性體，因而緩沖片工作過(guò)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(yùn)用有限元法計(jì)算自彈緩沖片剛性系數(shù)、工作過(guò)程應(yīng)力及等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量，并建立相應(yīng)的氣閥工作過(guò)程數(shù)學(xué)模型。帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥應(yīng)用于一系列大!中型壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)或改造，效果良好。

        氣閥是往復(fù)式壓縮機(jī)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(jī)普遍采用的閥型。傳統(tǒng)無(wú)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(guò)程應(yīng)力較大，而自身剛性系數(shù)較小。很多場(chǎng)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(shí)緩沖片工作過(guò)程應(yīng)力又不能太大，以免導(dǎo)致緩沖片可靠性下降，這時(shí)，傳統(tǒng)緩沖片彈性臂很難設(shè)計(jì)[2]。為此，本文提出一種帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥[3]。

１　帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)

帶自彈緩沖片壓縮機(jī)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?jī)?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(jī)網(wǎng)狀閥與傳統(tǒng)無(wú)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(méi)有彈性臂，緩沖片自身設(shè)計(jì)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(guò)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(jì)算

圖1所示壓縮機(jī)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(jì)算緩沖片工作過(guò)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(diǎn)數(shù)學(xué)模型分析氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，緩沖片的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量則需采用等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量[4]。自彈緩沖片等效運(yùn)動(dòng)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(dòng)形狀[5]，采用有限元方法計(jì)算時(shí)，自彈緩沖片的等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量Med為式中，ρ為自彈緩沖片的密度；Wi為第i個(gè)單元的平均撓度；△Vi為第i個(gè)單元的體積。

對(duì)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(shí)，通過(guò)ANSYS軟件進(jìn)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(yùn)動(dòng)質(zhì)量為01318kg。當(dāng)緩沖片的最大撓度為1mm時(shí)，緩沖片最大拉應(yīng)力為4416MPa。

與傳統(tǒng)存在彈性臂的無(wú)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(yùn)動(dòng)的幅度小；最大撓度相同時(shí)，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(jìn)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(zhǎng)度等。

３　帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型包括閥片的運(yùn)動(dòng)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(jī)網(wǎng)狀閥工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型。

閥片在開啟過(guò)程中，與緩沖片碰撞前，或在關(guān)閉過(guò)程中，與緩沖片脫離后，其運(yùn)動(dòng)方程為式中，Mv為閥片及閥片彈簧的等效運(yùn)動(dòng)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(duì)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(yùn)動(dòng)時(shí)，其運(yùn)動(dòng)方程為式中，Md為自彈緩沖片及緩沖片彈簧的等效運(yùn)動(dòng)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(jiǎn)化為理想氣體，流過(guò)吸氣閥的氣流可簡(jiǎn)化為一維、穩(wěn)定、絕熱流時(shí)，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(guò)吸氣閥的氣體質(zhì)量。

流過(guò)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(guò)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(zhǎng)度比。

帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥工作過(guò)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(guò)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(zhǎng)進(jìn)行數(shù)值計(jì)算，hiH1時(shí)，則式中，H1為氣閥升程減去靜止?fàn)顟B(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(jī)網(wǎng)狀閥工作過(guò)程的數(shù)學(xué)模型中，初始條件與環(huán)狀閥一樣[1]，此時(shí)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(guò)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(guò)四階龍格-庫(kù)塔法求解[1]，這樣能獲得氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律、通流能力以及能量損失。其中運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)氣閥的經(jīng)濟(jì)性及可靠性影響很大。為驗(yàn)證上述數(shù)學(xué)模型，本文在LW-22/8無(wú)油空壓機(jī)上采用帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥。測(cè)得的一級(jí)蓋側(cè)吸氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律與模擬的氣閥運(yùn)動(dòng)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(yùn)動(dòng)規(guī)律基本上能反映氣閥的實(shí)際運(yùn)動(dòng)規(guī)律。

良好的氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律要求氣閥能夠及時(shí)開啟、及時(shí)關(guān)閉以及有較長(zhǎng)的全開期，同時(shí)氣閥運(yùn)動(dòng)元件碰撞速度小，可靠性高。

對(duì)帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律進(jìn)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(duì)傳統(tǒng)無(wú)摩擦帶緩沖片網(wǎng)狀閥而言，帶自彈緩沖片壓縮機(jī)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(shí)開啟、及時(shí)關(guān)閉，同時(shí)也有利于降低閥片與升程限制器、閥座的碰撞速度。

通過(guò)對(duì)帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥進(jìn)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(jī)網(wǎng)狀閥應(yīng)用

帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥已經(jīng)應(yīng)用于一系列大中型壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)或改造，效果良好。下面以H22Ⅲ-165/320氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)氣閥改造為例說(shuō)明。

H22Ⅲ-165/320氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)是為單機(jī)年產(chǎn)2萬(wàn)噸合成氨設(shè)計(jì)的四列對(duì)稱平衡型壓縮機(jī)，它是目前中型合成氨裝置中氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)的主要機(jī)型，占中型合成氨企業(yè)氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)總數(shù)的1/3以上。據(jù)統(tǒng)計(jì)，這種壓縮機(jī)原第一級(jí)氣閥的平均使用壽命約為一個(gè)月，第二級(jí)至第四級(jí)氣閥平均使用壽命約為兩個(gè)月。采用帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥改造后，第一級(jí)氣閥使用壽命平均超過(guò)4個(gè)月，第二級(jí)至第四級(jí)氣閥平均使用壽命超過(guò)6個(gè)月。第一級(jí)至第四級(jí)氣閥自彈緩沖片經(jīng)過(guò)長(zhǎng)時(shí)間運(yùn)行，未出現(xiàn)斷裂。帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥目前已在全國(guó)20余家主要H22Ⅲ-165/320氮?dú)錃鈮嚎s機(jī)運(yùn)行企業(yè)推廣[7]。 #p#分頁(yè)標(biāo)題#e#

通過(guò)帶自彈緩沖片壓縮機(jī)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(jī)網(wǎng)狀閥具有較高的可靠性。

壓縮機(jī) 網(wǎng)狀閥 應(yīng)用