往复压缩机气量调节工况阀片侧倾分析

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部分行程顶开进气阀无级调节系统是往复压缩机节能流量调节的重要装置，在石油化工行业大型往复压缩机中得到广泛应用，取得了很好的经济效益。然而部分行程顶开进气阀无级气量调节极大的改变了原有压缩机气阀阀片的运动规律，气阀工作状况也不同 l1]。另外，气阀弹簧的损坏，夹渣等因素，都会因为受力不均而出现阀片侧倾现象。因此有必要分析顶开进气阀压叉对阀片和无级气量调节系统的影响。

本文建立了往复压缩机气阀阀片在不同工作状况下的运动模型，对比分析了顶开进气阀调节工况下阀片侧倾与无侧倾撞击过程，揭示了顶开进气阀无级气量调节方法对压缩机气阀的影响，为压缩机无级气量调节机构及其液压系统的设计和改进提供理论参考。

收稿 日期：2013-01-012 无级气量调节系统的原理与机构2.1 调节原理压缩机部分行程顶开进气阀调节是利用-个液压顶开装置 (卸荷器)，在压缩行程开始之前强制把吸气阀压开，顶开并在延迟-定时间后撤销液压力使其关闭，部分已经进入气缸的气体未经压缩又回流回进气腔中，仅压缩剩余气体的体积，减少了压缩机做功 (如图1所示)，从而达到节能调节气量的目的 3I 4]。

P气l2-3-4-1满负荷工作的示功图 ll 1-5-6-3-4-1气量调节时的示功图l、2节省的功图 1 无级气量调节原理示功图2013年01期(总第237期)-设计研究Dc 印 ＆R㈣ Kh2.2 调节机构压缩机无级气量调节系统 由液压油站 、油压分配机构、执行机构 (卸荷器)、回油装置以及管路组成，如图2所示。卸荷器是实现压缩机顶开进气阀的核心装置，由油压分配机构提供的高压脉冲液压油，瞬时作用到液压缸，推动活塞和顶杆，进而顶开进气阀。

1.液压油缸 2.活塞 3.压叉 4.压爪 5.升程限制器6.阀片 7.阀座图2 卸荷器结构示意图3 有限元模型部分形成顶开进气阀气量调节系统，在运行过程中气阀中液压顶开力大于气体力对阀片的作用力。由于液压系统的设计偏差，往往会出现顶开阀片的液压顶开力远大于气体力的情况，长久以往会造成阀片的倾斜和断裂。典型的环状进气阀阀片破损如图3所示，图中阀片产生明显的断裂破坏。

图 3 PEEK材料气阀阀片破损图表1 卸荷器结构参数部件名称 尺寸阀片厚度，mm 5阀片内圈 /外圈直径，mE 37/141阀片升程。mnl 2弹簧刚度(压叉)，N/m 9800弹簧刚度(阀片)，N/m 971-2013年01期(总第237期)对于目前常用的PEEK复合材料阀片，文献认为各相同性材料模型能够很好的模拟复杂结构的复合材料构件。因此，本文通过ANSYS/LS-DYNA非线性显式动力学分析软件，对气量调节工况压叉作用下的气阀阀片的力学性能进行仿真。

表2 各部件的材料属性名称 l 压叉 阀片 阀座材料 l 45#钢 PEEK 450CA30 45#钢表 3 材料参数45#钢密度P，kg/m3 7850弹性模量E，MPa 2.1×10屈服强度 ，MPa 220泊松比 0-31PEEK 450CA30密度P，kg/m 1400拉伸模量E，MPa(23C) 2.5×10拉伸强度or，MPa(23qC) 260泊松比 0.45顶开进气阀压叉作用工况下，仅计算顶开进气阀进气阶段。以 3L-10/8压缩机气量调节结构为研究对象，进气阀的结构参数见表 1，各部件材料属性见表 2。

由于气阀结构对称，假设阀片材料性能均匀，故建立 1/2有限元模型进行计算。采用线弹性材料模拟 45#钢 ，双线性各向同性材料模拟 PEEK复合材料阀片。单元总数为53438，设置作用在压又顶部液压力为 4 MPa，压叉、阀片和阀座接触类型为面面接触，摩擦系数为0.2，材料参数见表 3。

4 计算结果分析使用有限元模型模拟了气量调节工况下气阀侧倾和无侧倾 2种状况阀片的运动。分析该运动过程中复合材料气阀阀片的受力情况及其对压缩机气阀的影响。

B图4 无侧倾顶开气阀阀片等效应力云图设计研究Design&Research图5 阀片有效应力时间历程图4表示了无侧倾顶开气阀阀片等效应力云图，可知 ，在 0.00227 S时阀片在 A点产生最大等效应力 44.912 MPa。图 5所示 A点应力明显大于外圈压叉作用位置 B、C点的应力。表明在此工况下 ，内圈压叉位置阀片产生更大的应力。内圈压叉位置容易产生疲劳损坏。

真实阀片实际使用后的情况，压叉内圈位置阀片的凹痕明显大于外圈位置。

压又作用工况下阀片侧倾的情况，如图6所示 ，阀片在 0.001545 s时阀片受到最大有效应力 ，其值为 48.324 MPa。由图7可以看出 A点产生与压叉和阀座 2次碰撞后和压叉-同运动，并且阀片由于侧倾碰撞，阀片在压叉作用下，侧倾碰撞的最大应力超过了气阀无侧倾状况，说明气阀阀片侧倾会使阀片更容易产生疲劳损坏。

图8为气阀阀片在有压叉阀片无侧倾。为气阀阀片在有压叉阀片无侧倾 (图4，B点)、有压叉阀片有侧倾 (图 7，A点)和正常工况下气阀阀片有侧倾时阀片 A点的位移图。从图中曲线斜率B图6 有侧倾顶开气阀阀片等效应力云图50霎。4：01.0X 10-3 3.0X 10～ 5.0X 10-时间/s图7 侧倾阀片等效应力时间历程A- a-有压叉无侧倾(B点)- o-正常有侧倾1 0X 1O 2.0X 1O～3.0X 1O 4.0×l0 5.0X 1O～6.0X 10。

时间/s图8 压叉作用下阀片有无侧倾位移图可知，压叉作用下气阀侧倾时的速度大于阀片无侧倾时的速度，但小于正常阀片侧倾工况。由此说明有压又作用下 ，气阀阀片速度明显降低 ，压叉对减缓阀片侧倾运动的作用显著。

5 结论建立了考虑气阀侧倾气阀运动有限元模型，并进行了仿真计算。计算结果表明，气阀内圈压叉对阀片的作用力明显大于外圈压叉；阀片侧倾时阀片受应力更大 ，更易产生疲劳▲-步分析可知进气阶段有压叉作用的阀片，其撞击速度小于无压叉作用时阀片撞击速度；阀片侧倾撞击产生的速度将大于无侧倾状态下的速度。综上所述，无级气量调节工况下，压叉对降低缓解侧倾影响有明显作用。阀片无侧倾将对气阀更加有利，在实际设计安装加工中应当尽量避免阀片侧倾。