杭玉宏 王崇祿

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2. 蘭州寰球工程公司)

6M16-110/31.4氮?dú)錃饣钊綁嚎s機(jī)四級(jí)氣閥的改造

杭玉宏*1王崇祿2

(1.天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司；2. 蘭州寰球工程公司)

闡述了對(duì)某型號(hào)氮?dú)錃饣钊綁嚎s機(jī)四級(jí)氣閥設(shè)計(jì)方案的選擇過程。通過對(duì)環(huán)狀閥、網(wǎng)狀閥、菌狀閥和小片狀氣閥特點(diǎn)的對(duì)比，提出一種具有彈簧及閥片工作應(yīng)力小、流量系數(shù)大、氣流阻力小、節(jié)能、噪音低以及壽命長(zhǎng)等優(yōu)點(diǎn)的小片狀氣閥的改造設(shè)計(jì)思路。

活塞式壓縮機(jī) 氣閥 改造

山西某化工廠的6M16-110/31.4氮?dú)錃饣钊綁嚎s機(jī)四級(jí)氣閥在使用過程中經(jīng)常出現(xiàn)閥片、彈簧斷裂，有時(shí)甚至出現(xiàn)閥座斷裂的情況，使用壽命一般在兩個(gè)月左右(該機(jī)原配氣閥為環(huán)狀閥)。該化工廠先后使用網(wǎng)狀閥和菌狀閥進(jìn)行改造，但情況均未好轉(zhuǎn)。筆者對(duì)此問題進(jìn)行分析并提出解決方案。

1 基本要求

氣閥是壓縮機(jī)中最重要的部件，也是易損部件之一，其質(zhì)量直接影響壓縮機(jī)的排氣量、功率消耗和運(yùn)轉(zhuǎn)的可靠性。氣閥的基本要求是： 阻力損失小、壽命長(zhǎng)、余隙容積小、關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性，以減少氣體的泄漏量。

2 失效原因

活塞式壓縮機(jī)運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)轉(zhuǎn)速很高，閥片在啟閉時(shí)的側(cè)傾產(chǎn)生的撞擊以及閥片旋轉(zhuǎn)時(shí)承受的沖擊應(yīng)力、彎曲疲勞應(yīng)力過大時(shí)就會(huì)使其出現(xiàn)裂紋或斷裂而發(fā)生損壞。經(jīng)常會(huì)看到閥座密封面被閥片整個(gè)“打下去”的現(xiàn)象，導(dǎo)致氣閥對(duì)應(yīng)環(huán)的升程加大而加快氣閥的損壞。閥片落在閥體上后由于撞擊產(chǎn)生的自振現(xiàn)象也加劇了閥片的損壞速度。

在環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥中，每個(gè)彈簧受力不均導(dǎo)致閥片對(duì)閥體和彈簧的撞擊力加大以及彈簧受到軸向的彎曲應(yīng)力作用，都會(huì)加劇彈簧和閥片的損壞。

當(dāng)閥片撞擊升程限制器時(shí)必然也與彈簧發(fā)生撞擊，使得彈簧在很高的變形速率下達(dá)到最大變形量，因此也就很容易損壞。事實(shí)上，大多數(shù)情況下是由于彈簧的斷裂或彈性的減小(或消失)導(dǎo)致并加劇了閥片的損壞。

彈簧與彈簧孔壁之間、彈簧和彈簧底座之間存在的偏磨對(duì)彈簧的使用壽命影響很大。

在環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥中，閥座氣流通道采用環(huán)形槽造成閥座強(qiáng)度較低而發(fā)生閥座的斷裂破壞。

3 環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥特點(diǎn)分析

閥片對(duì)閥座的撞擊力為[1]：

式中h——?dú)忾y升程，m；

m——閥片與1/3彈簧質(zhì)量之和；

n——壓縮機(jī)的轉(zhuǎn)速，r/min；

qa——?dú)饬鲏毫λ俣冉档椭担?/p>

t——沖擊時(shí)間，s。

對(duì)公式進(jìn)行分析，可以得出：

a. 環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥的閥片尺寸很大而截面尺寸較小，其質(zhì)量較菌狀閥塑料閥片要大得多(尤其是氣閥外側(cè)的閥片)，所以環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥對(duì)彈簧和閥體最終的沖擊力和閥片承受的最大彎曲應(yīng)力值也比菌狀閥的閥片大很多，因此采用環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥的結(jié)構(gòu)是不可取的。

b. 環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥的彈簧之間受力不均勻，造成閥片不能很好地與升程限制器貼合而產(chǎn)生振蕩，增加了能量的總損失。

c. 升程大時(shí)，沖擊力也大。因此應(yīng)盡可能地減小升程。但對(duì)改造氣閥來說，通過大幅度減小閥片質(zhì)量使得其與升程的乘積大幅度減小的方法也能極大地降低沖擊力。

從以上分析來看，環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥不是最佳的選擇。

4 菌狀閥片的特點(diǎn)

現(xiàn)在使用的比較典型的菌狀閥片有兩種，如圖1a、b所示。

圖1 菌狀閥片

菌狀閥片存在著以下缺陷：

a. 菌狀閥片的直徑較大，整個(gè)菌狀閥片的厚度達(dá)20mm左右，由此決定了其質(zhì)量較大，氣閥關(guān)閉會(huì)相對(duì)比較遲緩，沖擊力也比較大；

b. 圖1a形式的菌狀閥的密封面與閥片軸線呈45°或60°角，密封面磨損或損壞后不易修復(fù)；

c. 四段的使用場(chǎng)合下要達(dá)到要求的比較大彈簧力時(shí)只能通過增加彈簧的絲徑、減小彈簧中徑或加大彈簧的壓縮量等措施來實(shí)現(xiàn)。

對(duì)菌狀閥而言，如采取增加彈簧絲徑和加大彈簧的壓縮量增大彈簧力而又要實(shí)現(xiàn)氣閥全開時(shí)，彈簧各圈之間有一定的間隙以避免壓緊，這就必然要增加彈簧的自由高度，這對(duì)于改造氣閥來說受到升程限制器厚度的極大限制，是不可取的。而采取減小彈簧絲徑的方法必然使彈簧承受較大的剪切應(yīng)力造成損壞。所以只有在提高彈簧中徑的情況下，才能提高彈簧鋼絲直徑，從而降低彈簧的最大剪切應(yīng)力。

5 方案選取和改造措施

經(jīng)過分析得到以下結(jié)論：

a. 為提高閥座的強(qiáng)度，采用每個(gè)閥片能單獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)的結(jié)構(gòu)形式；

b. 采用氣墊閥的結(jié)構(gòu)形式(圖2)可以緩沖閥片對(duì)氣閥的沖擊從而減小沖擊載荷；

c. 采用非金屬閥片，最好能在結(jié)構(gòu)上使閥片尺寸較小以減小閥片質(zhì)量，減輕閥片對(duì)閥座、升程限制器和彈簧的撞擊力，而菌狀閥的閥片尺寸仍比較大，故不采用菌狀閥的結(jié)構(gòu)。

圖2 氣墊閥結(jié)構(gòu)示意圖

基于以上分析，筆者開發(fā)并采用小片狀閥片(圖3)氣墊閥。

圖3 小片狀閥片

與菌狀閥片相比，小片狀閥片的優(yōu)點(diǎn)有：

a. 小片狀閥片的質(zhì)量比菌狀閥小很多，小片狀閥的升程比菌狀閥的小或相同，所以升程與質(zhì)量的乘積比菌狀閥的小得多，因此，小片狀閥片的沖擊力也比菌狀閥的沖擊力小得多；

b. 由于結(jié)構(gòu)尺寸較小，小片狀閥彈簧中徑和絲徑比菌狀閥的要大，而彈簧的自由高度也比菌狀閥的增加至少4mm以上，使彈簧在最大壓縮量下，各圈之間的間隙增大，改善了彈簧的受力狀況，減小了彈簧承受的最大剪切力強(qiáng)度；

c. 由于每個(gè)閥片單獨(dú)獨(dú)立運(yùn)動(dòng)不受其他閥片的影響，不會(huì)發(fā)生像環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥里的彈簧受力不均勻的現(xiàn)象，避免和改善了彈簧承受附加軸向彎曲應(yīng)力的作用和偏磨現(xiàn)象，彈簧壽命大幅度提高；

d. 小片狀閥片承受的最大彎曲應(yīng)力雖然比菌狀閥大但卻在其材料的強(qiáng)度范圍內(nèi)，而且不會(huì)出現(xiàn)菌狀閥片在上下運(yùn)動(dòng)時(shí)彈簧座外側(cè)與升程限制器之間以及彈簧與閥片彈簧座孔之間的刮擦磨損現(xiàn)象，這種刮擦和磨損影響了閥片的及時(shí)關(guān)閉同時(shí)對(duì)閥片的壽命和彈簧的正常使用有很大的影響；

e. 從氣閥阻力來看，小片狀氣閥也比環(huán)狀閥、網(wǎng)狀閥和菌狀閥有很大的優(yōu)勢(shì)。

氣閥相對(duì)壓力損失可以表示為[1]：

式中Cm——活塞平均速度，m/s；

fv——閥隙通流面積，m2；

F——活塞面積，m2；

g——重力加速度，m/s2；

R——?dú)怏w常數(shù)，J/(mol·K)；

T——進(jìn)氣閥絕對(duì)溫度，K；

z——同時(shí)作用的氣閥數(shù)目，個(gè)；

αv——?dú)忾y的流量系數(shù),無量綱。

對(duì)于同一壓縮機(jī)同一級(jí)的同名側(cè)氣閥來講，F(xiàn)、Cm、g、z、R、T、fv均為定值，不同結(jié)構(gòu)的氣閥只需要進(jìn)行αv的對(duì)比。 由于菌狀閥片的尺寸比小片狀閥片的尺寸大，為同時(shí)保證閥隙通流面積和升程限制器的通流面積，在排列時(shí)其數(shù)量比小片狀閥片要少，菌狀閥片之間的間距和升程比小片狀閥片的大，其流量系數(shù)一定比小片狀閥片的小，那么它的相對(duì)壓力損失就一定比小片狀閥要大。同樣，環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥更無法與小片狀閥片氣閥相比。

除此以外, 由于閥座和升程限制器的氣流通道均采用圓柱形孔，尺寸較小，小片狀氣墊閥比環(huán)狀閥、網(wǎng)狀閥和菌狀閥的余積容積都有一定的降低。

6 結(jié)束語

通過對(duì)影響氣閥使用壽命因素的討論,并對(duì)比各種氣閥的特點(diǎn)，最終采用設(shè)計(jì)了非金屬閥片和小片狀閥片的氣墊閥結(jié)構(gòu)，在φ190mm的升程限制器上共布置50個(gè)小片狀閥片，其外徑φ18mm、厚度6mm、升程3mm，彈簧中徑φ10mm、絲徑φ1.0mm、自由高度19mm，總?cè)?shù)10.5圈。裝機(jī)連續(xù)運(yùn)行8個(gè)月后在使用單位停車大修時(shí)拆下氣閥檢查，發(fā)現(xiàn)閥片、彈簧、閥座及其密封面均完好。

[1] 西安交通大學(xué)壓縮機(jī)教研室.活塞式壓縮機(jī)[M].西安：西安交通大學(xué)，1972.

*杭玉宏，男，1966年11月生，高級(jí)工程師。甘肅省蘭州市，730060。

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2014-10-08，

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