劉小婷，任曉輝，彭 陽(yáng)，胡明陽(yáng)，趙寶祿，李 壯

(河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司技術(shù)中心，河南 洛陽(yáng) 471039)

1 引言

為提升我國(guó)的能源開(kāi)采水平，河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司進(jìn)行了某型壓縮機(jī)工程化研制，研發(fā)了天然氣燃?jí)阂惑w抽采機(jī)組，解決我國(guó)頁(yè)巖氣、煤層氣及低壓天然氣的開(kāi)采難題，其不受工業(yè)動(dòng)力電源限制、自帶壓縮驅(qū)動(dòng)動(dòng)力、安全防爆、可實(shí)現(xiàn)變工況運(yùn)行、環(huán)保、能效高，且體積小、重量輕、易于快速搬遷。在用于開(kāi)采末期的天然氣抽采時(shí)，通過(guò)降低井口氣壓力、提高氣體流速的方法，不僅可以增加天然氣的抽采效率，還可以排出井底的液態(tài)水，解決液封現(xiàn)象，增加氣井的開(kāi)采壽命，對(duì)于緩解我國(guó)北方冬季天然氣使用緊張情況具有重要意義。

壓縮機(jī)缸頭組件(簡(jiǎn)稱：缸頭組件)是壓縮介質(zhì)進(jìn)、出壓縮機(jī)的零部件，是與缸套構(gòu)成氣缸壓縮空間的零部件，并承載著氣閥、壓閥罩、密封件等零部件。缸頭組件設(shè)計(jì)制造技術(shù)是影響壓縮機(jī)制造的關(guān)鍵技術(shù)，其包含缸頭組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)技術(shù)、壓縮氣閥設(shè)計(jì)制造技術(shù)、缸頭結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)制造技術(shù)、密封件設(shè)計(jì)制造技術(shù)等。

缸頭組件設(shè)計(jì)制造的要點(diǎn)是：

(1)應(yīng)具有足夠的強(qiáng)度和剛度；

(2)具有良好的冷卻；

(3)結(jié)合部分的連接和密封可靠；

(4)保證介質(zhì)流通順暢。

本文根據(jù)某型壓縮機(jī)的使用特點(diǎn)，自主進(jìn)行缸頭組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，研究一種具有典型結(jié)構(gòu)的缸頭組件；根據(jù)該型壓縮機(jī)理論計(jì)算工況進(jìn)行氣閥的選型、設(shè)計(jì)；借助有限元分析軟件進(jìn)行密封件的設(shè)計(jì)；使用螺栓強(qiáng)度計(jì)算公式計(jì)算連接件的強(qiáng)度等。本文所設(shè)計(jì)的壓縮機(jī)缸頭組件結(jié)構(gòu)、氣閥結(jié)構(gòu)、密封件結(jié)構(gòu)等零部件結(jié)構(gòu)型式，應(yīng)能推廣應(yīng)用至其它型號(hào)的壓縮機(jī)；本文所使用的壓縮機(jī)缸頭組件設(shè)計(jì)流程，具有借鑒意義，可供其它型號(hào)的壓縮機(jī)缸頭組件設(shè)計(jì)所采用。

2 缸頭組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

某型壓縮機(jī)采用分體式缸頭組件，即缸頭組件由獨(dú)立的缸頭、氣閥、氣閥罩、氣閥蓋、密封件等組件組裝而成。缸頭組件的結(jié)構(gòu)力求具有結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、安裝方便、強(qiáng)度高、空間小等特點(diǎn)。

缸頭是承載氣閥的部件，壓縮介質(zhì)經(jīng)過(guò)氣閥進(jìn)出氣缸壓縮空間，而缸頭內(nèi)的零部件是為了氣閥的固定、密封而設(shè)計(jì)的，因此缸頭的結(jié)構(gòu)與氣閥的結(jié)構(gòu)有著密切的聯(lián)系。該型壓縮機(jī)缸頭組件結(jié)構(gòu)緊湊，空間有限，因此選用組合式氣閥(同心氣閥)，即進(jìn)、排氣閥呈同心圓結(jié)構(gòu)，進(jìn)氣閥居于中心側(cè)，排氣閥居于外側(cè)。氣閥由壓閥罩、氣閥蓋等輔助部件固定在缸頭內(nèi)，由氣閥墊、氣閥進(jìn)氣口墊、氣閥蓋墊等進(jìn)行各腔室、部件間的隔斷、密封。

根據(jù)同心氣閥設(shè)計(jì)的典型缸頭組件結(jié)構(gòu)包含缸頭、氣閥墊、壓閥罩、氣閥進(jìn)氣口墊、氣閥蓋墊、氣閥蓋、同心氣閥等。缸頭組件結(jié)構(gòu)圖見(jiàn)圖1。

缸頭是承載氣閥、壓閥罩、氣閥蓋、密封件的零件，缸頭組件即是通過(guò)缸頭上的螺柱孔固定在機(jī)體上，密封氣缸壓縮空間的。同時(shí)缸頭上加工有缸頭冷卻水出水通道，用于缸頭、氣缸的冷卻。壓閥罩和氣閥蓋是將氣閥固定在缸頭內(nèi)的零件，氣閥蓋通過(guò)螺栓與缸頭連接。壓閥罩除了固定氣閥的作用外，還有隔離進(jìn)、排氣口的作用。密封件的作用是隔斷、密封進(jìn)排氣口。

如圖1所示，氣閥被壓閥罩、氣閥蓋固定在氣缸頭內(nèi)。氣閥墊用于密封氣缸壓縮空間，防止在進(jìn)氣階段，壓縮后高壓氣體經(jīng)氣閥與缸頭間隙進(jìn)入氣缸內(nèi)。氣閥進(jìn)氣口墊用于密封進(jìn)、排氣口，防止排氣口處壓縮后高壓氣體經(jīng)壓閥罩下端進(jìn)入進(jìn)氣口。氣閥蓋墊是二維密封墊，負(fù)責(zé)軸向(氣閥同心軸)密封以及壓閥罩與氣閥蓋端面密封。

圖1 缸頭組件結(jié)構(gòu)圖

當(dāng)活塞下行的進(jìn)氣階段，壓縮介質(zhì)經(jīng)進(jìn)氣口、進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸內(nèi)，在活塞上行壓縮后經(jīng)排氣閥、壓閥罩外圓的排氣口排出缸頭，完成一個(gè)循環(huán)的壓縮作業(yè)。

3 氣閥選型、設(shè)計(jì)

3.1 氣閥的工作循環(huán)

當(dāng)壓縮機(jī)曲軸旋轉(zhuǎn)時(shí)，通過(guò)連桿的傳動(dòng)，活塞便做往復(fù)運(yùn)動(dòng)，由氣缸內(nèi)壁、缸頭組件和活塞頂面所構(gòu)成的工作容積則會(huì)發(fā)生周期性的變化。活塞從上止點(diǎn)向下止點(diǎn)開(kāi)始運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)的工作容積逐漸增大，這時(shí)，氣體即沿進(jìn)氣管，推開(kāi)進(jìn)氣閥進(jìn)入氣缸，而工作容積變到最大為止，進(jìn)氣閥關(guān)閉；活塞反向運(yùn)動(dòng)時(shí)，氣缸內(nèi)工作容積縮小，氣體壓力升高，當(dāng)氣缸內(nèi)壓力達(dá)到并略高于排氣壓力時(shí)，排氣閥打開(kāi)，氣體排出氣缸；當(dāng)氣缸內(nèi)壓力略低于排氣壓力時(shí)，排氣閥關(guān)閉。曲軸旋轉(zhuǎn)一周，活塞往復(fù)一次，氣缸內(nèi)相繼實(shí)現(xiàn)進(jìn)氣、壓縮、排氣過(guò)程一次，即完成一個(gè)工作循環(huán)。

3.2 氣閥的結(jié)構(gòu)

氣閥是活塞式壓縮機(jī)的重要部件之一，它的工作直接關(guān)系到壓縮機(jī)運(yùn)行的經(jīng)濟(jì)性和可靠性。對(duì)氣閥的基本要求如下：

(1)使用期限長(zhǎng)(指閥片和彈簧的壽命長(zhǎng))，不能由于閥片或彈簧的損壞造成壓縮機(jī)的非計(jì)劃停車；

(2)氣體通過(guò)氣閥時(shí)的能量損失小，以減小壓縮機(jī)的動(dòng)力損耗；

(3)氣閥關(guān)閉時(shí)具有良好的密封性，減少氣體的泄漏量；

(4)閥片起、閉動(dòng)作及時(shí)、迅速，以提高壓縮效率和延長(zhǎng)使用期；

(5)氣閥所引起的余隙容積要小，以提高氣缸的容積效率。

目前常采用的氣閥有環(huán)閥(包括環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥)、孔閥、直流閥、條狀閥、錐形閥等。

環(huán)狀閥是較常用的一種氣閥，由閥座、閥環(huán)、閥片、彈簧、螺母、升程限制器等組成，閥座是由一組直徑不同的同心圓環(huán)構(gòu)成，各環(huán)之間用筋連接在一起；環(huán)狀閥的閥片呈圓環(huán)狀薄片，平面為精密加工的密封面，當(dāng)與閥座上圓環(huán)貼緊時(shí)即可實(shí)現(xiàn)密封作用。網(wǎng)狀閥與環(huán)狀閥的不同之處在于，各組網(wǎng)狀閥閥環(huán)可以組裝成一個(gè)閥片，呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)。環(huán)閥制造簡(jiǎn)單，可靠性高，適用范圍寬；缺點(diǎn)是閥片質(zhì)量大、氣體流通能力差、額外能量損失高、開(kāi)閉不及時(shí)、不適用于無(wú)油潤(rùn)滑壓縮機(jī)(閥片、閥環(huán)的緩沖作用差)。

直流閥的閥座通道是許多截面呈矩形的槽，閥座的背面有寬度很大的凹槽作為升程限制器，閥環(huán)(閥片)位于升程限制器內(nèi)；閥片是用彈性材料制成的薄片，即是閥環(huán)，又是彈簧片。氣體通過(guò)直流閥時(shí)，氣流幾乎沒(méi)有轉(zhuǎn)折，所以直流閥具有最低的阻力系數(shù)，允許有比其它種類氣閥更高的氣體流速；直流氣閥閥片質(zhì)量較輕，適用于高轉(zhuǎn)速、高活塞速度的低壓壓縮機(jī)；而且適合于制作成進(jìn)、排氣一體的組合式氣閥。但是直流閥制造、加工精度高，結(jié)構(gòu)復(fù)雜。

圖2 網(wǎng)狀閥的閥片

氣閥在工作時(shí)，閥環(huán)(閥片)受到彈性元件和氣體壓力的影響，可以向著閥座上圓環(huán)通道運(yùn)動(dòng)，也可以背離閥座運(yùn)動(dòng)。閥環(huán)在運(yùn)動(dòng)時(shí)受到升程限制器的導(dǎo)向作用和升程限制作用的影響。閥環(huán)受到氣體的壓力和彈簧作用力，與閥座上的圓環(huán)通道緊密貼合即可阻斷氣體通道(活塞下行，排氣閥在壓縮機(jī)進(jìn)氣階段；活塞上行，進(jìn)氣閥在壓縮機(jī)排期階段)；反之當(dāng)閥環(huán)遠(yuǎn)離閥座圓環(huán)通道時(shí)，氣體通道打開(kāi)(活塞上行，排氣閥在壓縮機(jī)排氣階段；活塞下行，進(jìn)氣閥在壓縮機(jī)進(jìn)期階段)。

氣閥多為專利產(chǎn)品，其制造技術(shù)屬于精密加工技術(shù)。賀爾碧格(HOERBIGER)是壓縮機(jī)領(lǐng)域的優(yōu)質(zhì)供應(yīng)商，涉及氣閥、密封環(huán)、單向閥、卸荷閥、填料函、活塞桿等多個(gè)零部件，具有石油壓縮機(jī)行業(yè)準(zhǔn)入資質(zhì)和優(yōu)良信譽(yù)。因此選擇賀爾碧格作為該型壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)、生產(chǎn)商。

賀爾碧格為該型壓縮機(jī)設(shè)計(jì)、制造的氣閥是進(jìn)、排氣呈同心布置的組合式直流閥(無(wú)油、同心結(jié)構(gòu))，其中排氣閥布置在外側(cè)，進(jìn)氣閥布置在中心側(cè)。賀爾碧格所設(shè)計(jì)、制造的閥環(huán)(閥片)僅具有密封作用，并無(wú)彈性，而是需要借助彈性元件(波形彈簧和正弦彈簧)提供形變量和力；閥片、波形彈簧呈網(wǎng)狀結(jié)構(gòu)，閥環(huán)、正弦彈簧呈圓環(huán)結(jié)構(gòu)；閥片、波形彈簧構(gòu)成進(jìn)氣閥彈性、密封元件；閥環(huán)、正弦彈簧構(gòu)成排氣閥彈性、密封元件；閥環(huán)、正弦彈簧由閥座截面呈矩形的槽限位；閥片、波形彈簧由定位銷以及中心的凸臺(tái)限位。

表1 氣閥主要技術(shù)要求

賀爾碧格組合式直流閥采用氣冷模式，即：使用進(jìn)氣冷卻排氣閥。

氣閥閥片、閥環(huán)采用馬氏體3CR13加工制造，具有耐磨損、耐高溫、表面密封性好的特性。

3.3 氣閥的技術(shù)參數(shù)

河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司作為該型壓縮機(jī)的自主研發(fā)單位，根據(jù)研發(fā)、設(shè)計(jì)需求，向賀爾碧格提出氣閥技術(shù)要求。由賀爾碧格依據(jù)技術(shù)要求，設(shè)計(jì)、制造，并經(jīng)河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司認(rèn)可。

經(jīng)賀爾碧格計(jì)算獲取的氣閥技術(shù)參數(shù)見(jiàn)表2。

表2 氣閥主要性能參

4 結(jié)構(gòu)件設(shè)計(jì)

缸頭、壓閥罩、氣閥蓋等承載、固定氣閥的零件稱為結(jié)構(gòu)件。

4.1 缸頭設(shè)計(jì)

缸頭的作用為承載缸頭組件的部件，并提供相關(guān)的介質(zhì)通道。

為了保證強(qiáng)度，利用45#鋼切削加工的方法完成缸頭加工。

缸頭結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖3。

圖3 氣缸頭結(jié)構(gòu)示意圖

為了滿足缸套、氣缸內(nèi)壓縮氣體冷卻的要求，防止缸套水對(duì)缸套造成氣蝕，需要將缸套水經(jīng)氣缸頭中的水道導(dǎo)出。缸頭水道示意圖見(jiàn)圖4、5。

圖4 氣缸頭水道剖視圖

圖5 氣缸頭殼體與機(jī)體結(jié)合面水道示意圖

使用缸頭固定螺栓孔將缸頭組件固定到機(jī)體上，密封氣缸；使用氣閥蓋固定螺栓孔將氣閥蓋固定到缸頭殼體上，以固定氣閥。

缸頭的中心為與氣閥呈間隙配合(H10/d10)的圓柱形空腔，以安放氣閥、壓閥罩、氣閥蓋等部件。

4.2 壓閥罩設(shè)計(jì)

壓閥罩的作用是將氣閥固定于缸頭內(nèi)，并且隔離進(jìn)、排氣區(qū)域。壓閥罩結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖6。

圖6 壓閥罩結(jié)構(gòu)示意圖

4.3 氣閥蓋設(shè)計(jì)

氣閥蓋的作用是固定壓閥罩，并且提供進(jìn)氣通道。氣閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖見(jiàn)圖7。

圖7 氣閥蓋結(jié)構(gòu)示意圖

氣閥蓋墊起密封作用的預(yù)緊力來(lái)自于氣閥蓋固定螺栓所施加的殘余預(yù)緊力，因?yàn)闅忾y蓋墊為二維方向密封墊，因此所施加的預(yù)緊力應(yīng)能分解到二維方向上。因此氣閥蓋與氣閥蓋墊接觸密封部位采用45°倒角結(jié)構(gòu)，以便分解力。接觸密封部位結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖8。

圖8 接觸密封部位結(jié)構(gòu)示意圖

根據(jù)氣閥蓋結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)了8個(gè)10.9級(jí)的M10的螺栓作為氣閥蓋固定螺栓。需要根據(jù)氣閥蓋的承載力進(jìn)行螺栓強(qiáng)度校核。校核過(guò)程如下：

由《GB/T 3098.1 緊固件機(jī)械性能 螺栓、螺釘和螺柱》可知10.9級(jí)M10螺栓參數(shù)為：抗拉強(qiáng)度為了防止螺栓松動(dòng)，固定螺栓需要預(yù)壓預(yù)緊力。預(yù)緊力計(jì)算過(guò)程如下：σ0=(0.5～0.7)σs=(450～630)N/mm2；F0=σ0×As=(26100～36540)N。

螺栓的安裝扭矩N計(jì)算

N=kF0d

其中k——擰緊力矩系數(shù)

d——螺栓的公稱直徑，取10 mm

k與螺栓接觸面的摩擦系數(shù)有關(guān)，對(duì)于鋼結(jié)構(gòu)件無(wú)油潤(rùn)滑的一般加工面，k取0.13～0.15。因此螺栓的最大安裝扭矩為54.8 Nm。

σb=1000 N/mm2、屈服強(qiáng)度σs=900 N/mm2、公稱應(yīng)力截面As=58 mm2、許用應(yīng)力[σ]=300 N/mm2、最小拉力載荷60300 N、保證載荷48100 N。

螺栓旋進(jìn)長(zhǎng)度與其材料有關(guān)，鑄鐵材料的螺栓旋進(jìn)長(zhǎng)度為螺栓直徑的1.25～1.5倍，因此氣缸頭固定螺栓旋進(jìn)長(zhǎng)度為12.5～15 mm。

氣閥蓋所受缸內(nèi)氣體壓力計(jì)算：F=p×S=3.5 MPa×(125/2)2×π mm2=42952 N。

其中F——?dú)忾y蓋所受缸內(nèi)氣體壓力

p——?dú)忾y所受壓強(qiáng)

S——?dú)忾y受力面積

殘余預(yù)緊力F′校核：殘余預(yù)緊力為預(yù)緊力和氣閥蓋所受缸內(nèi)氣體壓力的差值，該值的大小決定了墊片類密封件的密封效果。F′=8×F0-F=165848 N。根據(jù)相關(guān)規(guī)范《機(jī)械設(shè)計(jì) 高等教育出版社 第四版》，為了保證壓力容器的緊密聯(lián)接，所需殘余預(yù)緊力F′=(1.5～1.8)F=(66425～77313)N。

通過(guò)最小拉力載荷、保證載荷、殘余預(yù)緊力等參數(shù)校核，使用8個(gè)10.9級(jí)的M10螺栓可以滿足氣閥蓋固定要求。

5 密封件設(shè)計(jì)

密封件設(shè)計(jì)主要有2個(gè)性能指標(biāo)：(1)密封性能；(2)壓潰性能。密封性能主要由形狀結(jié)構(gòu)、材質(zhì)、預(yù)緊力等三要素決定。在確定密封三要素后，本文使用有限元仿真的方法進(jìn)行應(yīng)力、形變計(jì)算，以判斷壓潰性能。

5.1 結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

在缸頭與同心氣閥、壓閥罩與同心氣閥、壓閥罩與氣閥蓋之間分別設(shè)計(jì)有氣閥墊、氣閥進(jìn)氣口墊、氣閥蓋墊等三道密封墊。因?yàn)楦最^有散熱不良的可能性，并且拆解頻率較高，因此密封墊采用軟金屬(銅或軟鐵芯Q235A)材質(zhì)制造。

根據(jù)河南柴油機(jī)重工有限責(zé)任公司使用金屬接觸密封的經(jīng)驗(yàn)，使用軟鐵芯(Q235A)鍍銅的方式制作金屬密封墊具有優(yōu)良的密封效果，而且形變較小，密封墊可以重復(fù)使用。而使用純銅時(shí)，密封面的接觸部位具有較大的形變量，壓潰性能不好；使用Q235A時(shí)密封性能不良。因此該型壓縮機(jī)缸頭組件密封部件使用Q235A鍍銅的材質(zhì)、工藝。

氣閥墊、氣閥進(jìn)氣口墊均只有一個(gè)維度的密封(端面)，因此其形狀采用截面為矩形的圓環(huán)結(jié)構(gòu)。而氣閥蓋墊為二維接觸密封(軸向與端面)，因此采用45°錐面結(jié)構(gòu)，將力進(jìn)行二維分解，以獲取二維的形變。所設(shè)計(jì)的氣閥蓋墊結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。

圖9 氣閥蓋墊結(jié)構(gòu)示意圖

5.2 壓潰仿真

本為使用有限元仿真分析軟件對(duì)氣閥墊、氣閥進(jìn)氣口墊、氣閥蓋墊進(jìn)行仿真分析，以確定密封環(huán)的變形量以及應(yīng)力范圍。

氣閥墊、氣閥進(jìn)氣口墊、氣閥蓋墊所受力主要為氣閥蓋固定螺栓所施加的預(yù)緊力，最大208800 N。

將預(yù)緊力施加到氣閥蓋墊接觸密封面上，獲得氣閥蓋墊的仿真結(jié)果見(jiàn)圖10、11。

從圖10可以看出，氣閥蓋墊的形變最大值為3.8×10-7m。從圖11可以看出，氣閥蓋墊的最大應(yīng)力為24.5 MPa，小于Q235A的屈服強(qiáng)度235 MPa。

圖10 氣閥蓋墊的形變結(jié)果

圖11 氣閥蓋墊的應(yīng)力分布

因?yàn)闅忾y進(jìn)氣口墊、氣閥墊受載荷一致，截面一致，形狀類似(僅圓柱直徑有差別)，且氣閥進(jìn)氣口墊受力面積小于氣閥墊，因此本文只進(jìn)行氣閥進(jìn)氣口墊的仿真計(jì)算。

圖12 施加氣閥進(jìn)氣口墊受力載荷

將載荷208800 N均勻施加到氣閥進(jìn)氣口墊與同心閥接觸面上，進(jìn)行形變和應(yīng)力仿真計(jì)算。仿真結(jié)果見(jiàn)圖13、14。

圖13 氣閥進(jìn)氣口墊的形變結(jié)果

圖14 氣閥進(jìn)氣口墊的應(yīng)力分布

從圖14可以看出，氣閥進(jìn)氣口墊最大形變量為1.56×10-6m。從圖14可以看出，氣閥進(jìn)氣口墊的最大應(yīng)力為189 MPa，小于Q235A的屈服強(qiáng)度235 MPa。

6 結(jié)語(yǔ)

本文以某型壓縮機(jī)缸頭組件結(jié)構(gòu)、氣閥、結(jié)構(gòu)件、密封件等零部件的設(shè)計(jì)、校核、制造過(guò)程為具體對(duì)象，研究了壓縮機(jī)缸頭組件設(shè)計(jì)流程、方法、典型結(jié)構(gòu)及關(guān)鍵技術(shù)。通過(guò)某型壓縮機(jī)缸頭組件設(shè)計(jì)、制造技術(shù)研究，不僅獲得了適合該型壓縮機(jī)的缸頭組件，更為重要的是為其它型號(hào)的壓縮機(jī)缸頭組件設(shè)計(jì)提供了可供參考的行之有效的方法、流程。本文所提出的壓縮機(jī)缸頭組件結(jié)構(gòu)、氣閥結(jié)構(gòu)、密封墊結(jié)構(gòu)等可供其它型號(hào)的壓縮機(jī)參考、使用。