活塞式压缩机气垫阀设计研究

摘要:主要阐述了气垫阀的性能很大程度上取决于阀隙马赫数、气阀升程、气阀弹簧力和气阀呼吸孔直径等主要性能参数的设计选取。分析了设计气垫阀时选择这些主要参数的基本原理和方法。结合我国目前的实际情况和资料,介绍了气垫阀设计时确定这些主要参数的曲线图和计算公式,为气垫阀的设计计算提供了依据。

关键词:气阀;计算;设计要点;因素

中图分类号:TB652文献标识码:A文章编号:1672-3198(2009)23-0287-02

气阀是压缩机中最重要也是最易损坏的部件之一,压缩机运行的经济性与可靠性很大程度上取决于气阀的完善性,生产质量差的气阀,寿命短,有的只有几十个小时,直接影响压缩机的运转率,给使用带来严重的经济损失。

影响气阀寿命的因素很多,资料表明阀片起落过程中对升程限制器和阀座的冲击和颤振,使阀片局部产生很大的接触应力,导致阀片脆断和疲劳断裂,是阀片损坏的主要形式和基本原因。主要因素是采用气垫阀的结构形式。气垫阀是一种新型的环状阀,与普通环状阀结构基本相同,其特点在于:气垫阀的升程限制器上设有环状凹槽,形成影响阀片运动的气体缓冲室。阀片从全闭到全开整个过程始终被限制在缓冲槽内,或者至少开启后马上进入槽内(这种气垫阀升程稍大于或等于阀片厚)。随着阀片迅速开启,缓冲室内的气体从小孔和环形间隙排出。由于小孔直径较小,环隙也小,气体不可能完全排出,缓冲室内的气体被压缩,产生阻碍阀片以高速冲向升程限制器的反弹力。此力与弹簧力方向相同,作用于阀片背面,并随阀片开启而呈非线性急增,迫使阀片与升程限制器碰撞减轻。

气垫阀在开启过程中受到“气垫力”缓冲,在关闭过程中受到“吸附力”拖拉,从而减弱了阀片对升程限制器阀座的碰击,降低了弹簧的加载速度;同时也削弱了运动元件因碰撞而引起的振动。这样可大大提高气阀的使用寿命,同时也提高了整台压缩机的可靠性。

1主要特性参数的计算与选择

压缩机运转时,阀片在气体推力和弹簧力的作用下,在升程限制器和阀座之间不断运动。阀片运动时还受到其它各种力的作用,但与气体推力和弹簧力相比,它们的影响较小,可暂不考虑。阀片运动规律与压缩机的排气量,效率及可靠性有密切关系,为了获得良好的阀片运动,应选取合适的气体推力和气阀全开时的弹簧力;由于影响气体推力的重要因素是气体流经阀隙时的阀隙马赫数,所以选择合适的阀隙马赫数也是设计气垫阀的主要内容之一。为保证气垫阀寿命,还应选择合适的升程,以控制阀片对升程限制器和阀座的撞击速度。此外,对于气垫阀来说,呼吸孔直径大小对其性能的影响至关重要,直径过大,则不能形成气垫,此时气垫阀无异于普通环状阀;直径过小,气阀开启滞后甚至不能开启。所以,呼吸孔的设计应引起足够的重视。

1.1阀隙马赫数的选择

阀隙马赫数是阀隙气流速度与当地声速的比值,它是影响气流推力和气阀阻力损失的主要参数,设计气垫阀时应严加控制。根据标准规定,工艺用压缩机的气垫阀马赫数应符合下表规定:

表1工作压力――阀隙马赫数对应关系

表中的是对按K=1.4的双原子分子气体确定的,对于K≠1.4的气体,其M值应用表中数值乘以1.4K修正。对于排气阀,其阀隙马赫数允许比表中规定值增加10%。

1.2曲轴转角参数的设计准则

若使一个气垫阀有较长的使用寿命,较高的可靠性和小的相对阻力损失,我们总希望它有正常的,良好的运动规律。图三是典型的阀片位移-时间曲线。图中标有三个曲轴转角参数θ1,θ2,θ3,它们都是从行程止点倒算回去的角度。根据实际生产经验,三个转角参数之间满足下式时,阀片才能具有合理的运动规律和高的可靠性:

θ2/θ1>3,θ2/θ3

式中θ1―为气阀假想的关闭角,即假定无气体推力时,阀片在弹簧力的作用下,从全开位置降落到阀座上所需时间对应的曲轴转角。它可由下式算出:

θ1=6NmZKcos-1(H0H+H0)

其中,N-曲轴转数,(r/min);

m-气阀的当量运动质量,数值上等于阀片质量加上1/3弹簧的质量(Kg);

Z-弹簧个数(个);

K-单个弹簧的刚性系数(N/m);

H0-弹簧预压缩量(m);

H-气阀升程(m)。

计算气垫阀此参数时,可以不考虑任何气体力的存在,同样也不考虑“气垫力”和“吸附力”的影响。

θ2是阀片开始脱离升程限制器直到活塞达到止点所持续的时间对应的曲轴转角,它可由下式计算得出:

(sinθ2±λ2sin2θ2)2=μ

μ是气阀全开时的弹簧力和θ=90o时的气体推力之比。

正负号原则是向轴行程取负号,向盖行程取正号,μ值可按下图的范围选取。

图1进气阀μ值的推荐范围

图2排气阀μ值的推荐范围

由于气阀受“气垫”的影响,阀片从开始开启到全开的时间比相同的环状阀长,以及阀片背面被吸附,气垫阀实际θ2要比按相同普通环状阀计算得到的θ2要小,为了克服阀片被吸附时间过长而引起的“滞后”关闭,应尽可能加大弹簧力,所以上图中的μ值的选取,应尽可能接近上限。

θ3-是阀片到达升程限制器直到活塞到达止点这一段时间对应的曲轴转角。

阀片从开始开启到全开这段时间是很短的,因此,θ3可近似的用阀片开始开启到活塞到达止点所对应的曲轴转角表示,其计算式如下:

吸气阀:θ3=180°-cos-1(1-2α(nε-1))

排气阀:θ3=cos-1(1-2(α+1)nε+2α)

其中,α-相对余隙容积;

ε-压力比;

n-多变过程指数;

k-绝热指数。

对于气垫阀,由于存在“气垫力”阻止阀片迅速开启,气垫阀的实际θ3比按相同的普通环状阀计算得到的θ3要小。虽然气垫阀从开始开启到全开这段时间比相同的普通环状阀长约2倍。但是,相对而言,在活塞整个行程时间上占的比例仍然很小,并且“气垫”作用在阀片接近缓冲槽底部时才突出。所以,气垫阀的θ3仍然可以按相同的普通环状阀作近似计算。

2气垫阀的结构设计要点

2.1升程限制器

气阀阀片的内、外径与缓冲槽侧面形式的间隙直接影响着“气垫力”和“吸附力”的大小,间隙过大对缓冲效果不利,过小则会造成阀片滞后关闭,并且阀片有可能被卡死。根据经验,此间隙值的选择范围在0.1―0.3mm之间,并且间隙值的大小安排应从阀片内环逐渐递增,每环间隙值最好不要超过0.28mm。

为了有效克服阀片延迟关闭,除了增加弹簧力外,可在缓冲槽底部开1―2个环状矩形沟槽,沟通每个弹簧定位孔。开沟后,可使阀片背面气体迅速与升程限制器外面连通,这对压力低、阀片宽、升程大、弹簧力小、弹簧个数少和压缩机转数较低的气垫阀尤其必要。推荐沟槽深0.5―1mm,占阀片宽度的1/5―2/5。

2.2弹簧

气垫阀最好采用小圆柱形弹簧,因为它旋绕比小,刚性系数大,能够满足气垫阀升程小,比弹簧力大的设计要求,设计弹簧外径应尽量取小些,但是当阀片宽,升程也大,弹簧外径必须加大时,最好附加弹簧帽以增强缓冲效果。

2.3阀片

气垫阀阀片运动时始终被限制在缓冲槽内,所以阀片要比普通环状阀的阀片要厚些,建议在2.5―3.5mm内选择。只有当气体压力低,升程大,弹簧力小,并且压缩机转数不高时,阀片的厚度才选小些,但最好不要小于升程。

气垫阀阀片除了要求内、外圆柱面有较高的圆柱度外,相互为同轴度要求也比普通环状阀高。

参考文献

[1]杨永娟.活塞式压缩机结构原理设计[M].北京:高等教育出版社,2007.

[2]容积压缩机技术手册[M].北京:机械工业出版社,2000.

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