4M12－45／210空氣壓縮機(jī)四級(jí)氣閥改造

潘仲高

（成都市博磊化工機(jī)械有限公司，四川 溫江 611130）

4M12－45／210空氣壓縮機(jī)為國(guó)產(chǎn)大型5級(jí)4列對(duì)稱平衡型壓縮機(jī)，單機(jī)設(shè)計(jì)年供高壓空氣達(dá)2000×104m3，目前國(guó)內(nèi)多家大型科研機(jī)構(gòu)采用該型號(hào)壓縮機(jī)。四川安縣風(fēng)洞中心裝備有2臺(tái)該型號(hào)壓縮機(jī)，正常生產(chǎn)情況下，一開一備。該壓縮機(jī)具有結(jié)構(gòu)緊湊、檢修方便等優(yōu)點(diǎn)，但通過調(diào)研發(fā)現(xiàn)，這種壓縮機(jī)也存在不少不足之處，如排氣溫度偏高、氣閥使用壽命較短等。其中最主要的是，該型號(hào)壓縮機(jī)的四級(jí)氣閥，特別是四級(jí)吸氣閥頻繁出現(xiàn)短時(shí)間內(nèi)閥片、彈簧斷裂，閥座密封面出現(xiàn)眾多凹坑等問題。據(jù)統(tǒng)計(jì)，四級(jí)吸氣閥的平均使用壽命不到l5d。氣閥的頻繁損壞，導(dǎo)致壓縮機(jī)需要經(jīng)常倒車檢修，高壓空氣輸送量不穩(wěn)定，高壓空氣儲(chǔ)氣系統(tǒng)壓力波動(dòng)大，壓縮機(jī)維修費(fèi)用上升。此外，該壓縮機(jī)四級(jí)排氣溫度偏高，表明能耗偏大，經(jīng)濟(jì)性較差。壓縮機(jī)排氣溫度過高，往往是氣流流經(jīng)氣閥阻力損失過大造成的。為提高氣閥與壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，確保吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定進(jìn)行，應(yīng)四川安縣風(fēng)洞中心的邀請(qǐng)，我們對(duì)該壓縮機(jī)四級(jí)氣閥進(jìn)行改造。

1 問題分析

4M12－45／210壓縮機(jī)四級(jí)基本情況如下。

壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速為333r／min，行程為320mm，四五級(jí)同為一列，四級(jí)為軸側(cè)單作用氣缸，缸徑為φ185mm；五級(jí)為蓋側(cè)單作用氣缸，缸徑為φ90mm?；钊麠U直徑為φ70mm，四五級(jí)缸間為平衡段，平衡壓力為五級(jí)排氣壓力，四級(jí)氣缸軸側(cè)配置1個(gè)吸氣閥、1個(gè)排氣閥。每個(gè)閥蓋上配有3個(gè)M20頂絲，見圖1。設(shè)計(jì)工況下，壓縮機(jī)四級(jí)吸氣壓力（表壓）為2.5MPa，吸氣溫度為50℃，排氣壓力（表壓）為8.1MPa，排氣溫度為164℃。4M12－45／210壓縮機(jī)隨機(jī)配備的四級(jí)吸氣閥結(jié)構(gòu)如圖2，為閉式氣墊閥。氣閥閥座主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：凸緣高度為19mm，總厚度為36mm；通流環(huán)槽數(shù)為3，各環(huán)槽中徑分別為φ130mm、φ95mm、φ60mm，環(huán)槽上部分寬為7mm、深為8mm，環(huán)槽底部部分寬為10mm、深為28mm，并設(shè)有加強(qiáng)筋。升程限制器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：總厚度為29mm，通流環(huán)槽數(shù)為3，通流環(huán)槽上部分寬為4.5mm、深7mm，下部分寬為7mm、深22mm，并設(shè)有加強(qiáng)筋。氣閥閥片共3片，各片規(guī)格分別為φ140／φ120mm、φ105／φ85mm 及φ70／φ50mm，各閥片厚度均為3mm。氣閥升程為1.5mm。

圖1 四級(jí)吸氣閥安裝示意圖

圖2 隨機(jī)配備的四級(jí)吸氣閥結(jié)構(gòu)圖

根據(jù)上述數(shù)據(jù)，計(jì)算4M12－45／210氣閥的功能參數(shù)如表1。

表1 4M12－45／210氣閥的功能參數(shù)

從表1的計(jì)算可以看出，原氣閥設(shè)計(jì)存在以下不合理之處。

（1）氣流流經(jīng)閥隙時(shí)速度過大。氣流流經(jīng)氣閥時(shí)，將經(jīng)過三處橫截面較小的通道，分別為閥座通道、閥隙通道（即升程截面）和升程限制器通道。其中，升程限制器通道面積比其余二處通道面積大，氣流流經(jīng)該處時(shí)的速度最小，因此，該通道對(duì)氣閥的工作效率影響較小，設(shè)計(jì)氣閥時(shí)可以不考慮。其次是閥座通道，它的通流截面小于限制器的通流截面，同時(shí)，氣流流經(jīng)該處的速度與閥片的使用壽命息息相關(guān)，所以，在氣閥設(shè)計(jì)中應(yīng)盡量選用較低的閥座通道流速。至于閥隙通道，其通流截面通常最小，氣流流經(jīng)該處的速度最大，是氣閥設(shè)計(jì)中應(yīng)優(yōu)先控制的流速，特稱為閥隙速度。其值決定了氣流流經(jīng)氣閥時(shí)能量損失的大小，也決定了氣閥比彈簧力的大?。ǜ脑烨昂髿忾y比彈簧力的計(jì)算見表2、3）。閥隙速度越小，氣流流經(jīng)氣閥時(shí)的能量損失越小，氣閥的比彈簧力越小，但其大小受氣閥的安裝尺寸制約，考慮到氣閥設(shè)計(jì)的經(jīng)濟(jì)性，對(duì)不同壓力下的環(huán)狀閥和網(wǎng)狀閥的閥隙流速，我們推薦按表4的數(shù)值選取。

表2 改造前4M12－45／210氣閥閥片比彈簧力計(jì)算

表3 改造后4M12－45／210氣閥閥片比彈簧力計(jì)算

圖3 進(jìn)氣閥μ值的選用范圍（壓力單位為105 N／m2）

圖4 排氣閥μ值的選用范圍（壓力單位為105 N／m2）

圖5 流量系數(shù)av

圖6 推力系數(shù)β

原氣閥的平均閥隙速度計(jì)算值為44.8m／s，顯然超過了推薦值（20～35m／s）。

（2）氣閥全開時(shí)閥座通道單位面積上的彈簧力（簡(jiǎn)稱比彈簧力）遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過推薦值，氣閥彈簧力是影響氣閥能量損失和閥片壽命的主要因素。它分為氣閥全閉彈簧力和氣閥全開彈簧力。氣閥全閉彈簧力，主要關(guān)系到氣閥開啟的時(shí)間；氣閥全開彈簧力，主要關(guān)系到閥片關(guān)閉的及時(shí)性和閥片對(duì)升程限制器的沖擊。氣閥全閉時(shí)的彈簧力以小為宜，但不能過大和過小。彈簧力過小，導(dǎo)致閥片滯后關(guān)閉，使閥片沖向閥座速度增加，從而降低閥片的使用壽命，而且還使得氣體 “回流”，影響壓縮機(jī)效率。氣閥全開時(shí)的彈簧力則要大，同樣也不能過大；若彈簧力過大，大到氣流壓力不足以克服彈簧力將閥片 “貼于”升程限制器上時(shí)閥片便在閥座與升程限制器之間來回振動(dòng)，使有限的氣閥縫隙面積不能充分利用，增加氣閥額外的能量損失，降低壓縮機(jī)效率，而且在關(guān)閉時(shí)，閥片以較大的速度沖向閥座，會(huì)大大縮短閥片的使用壽命。理想的情況是，隨著閥片的開啟，彈簧力呈非線性增大，在氣閥全開時(shí)有最大值，保證閥片開啟、關(guān)閉的及時(shí)性和迅速性。

由此可見，正確選擇彈簧力是很重要的，彈簧力的大小與壓縮機(jī)轉(zhuǎn)數(shù)、氣閥工作壓力、氣閥中氣體的流速、氣閥運(yùn)動(dòng)零件質(zhì)量、閥片升程等因素有關(guān)，很難用計(jì)算方法來確定。目前已有的計(jì)算方法，其結(jié)果與實(shí)際要求相差也較大。在統(tǒng)計(jì)和分析了我國(guó)現(xiàn)在壓縮機(jī)氣閥彈簧力的范圍和閥的使用情況后，對(duì)于大、中型固定式多級(jí)機(jī)（轉(zhuǎn)數(shù)低于500r／min），推薦按表5選取。

表4 閥隙通道的平均氣流速度

表5 氣閥全開時(shí)的彈簧力

原氣閥全開時(shí)閥座通道單位面積上的彈簧力為36760N／m2，而推薦值為9807～19614N／m2，顯然，該值遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過了推薦值。

2 改造措施及效果

過快的平均閥隙速度導(dǎo)致了遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過推薦值的比彈簧力，超大的比彈簧力就是引起氣閥短時(shí)間內(nèi)閥片、彈簧斷裂，閥座密封面出現(xiàn)眾多凹坑的根本原因。為了從源頭上解決4M12－45／210四級(jí)氣閥壽命短的難題，我們將該壓縮機(jī)的四級(jí)吸、排氣閥閥片結(jié)構(gòu)型式由環(huán)狀改為網(wǎng)狀，并將原來的閥片寬通道改為窄通道，將閥片的通道數(shù)由3變?yōu)?。同時(shí)，將氣閥的升程從1.5mm提高至2mm。改造后四級(jí)吸氣閥結(jié)構(gòu)如圖7。氣閥改造后，氣閥組件的安裝尺寸不變，因此改造后氣閥裝入壓縮機(jī)沒有任何問題。改造后氣閥閥座主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：凸緣高度為19mm，總厚度為36mm，通流環(huán)槽數(shù)為4，各環(huán)槽中徑分別為φ137.5mm、φ112.5mm、φ87.5mm 及φ62.5mm，環(huán)槽上部分寬為4.5mm、深為8mm，環(huán)槽底部部分寬為7mm、深為28mm，并設(shè)有加強(qiáng)筋。升程限制器主要結(jié)構(gòu)參數(shù)如下：總厚度為29mm，通流環(huán)槽數(shù)為4，通流環(huán)槽上部分寬為4.5mm、深7mm，下部分寬為7mm、深22mm，并設(shè)有加強(qiáng)筋。氣閥閥片為網(wǎng)狀，由四環(huán)片組成，見圖8。各環(huán)規(guī)格分別為φ145／φ130mm、φ120／φ105mm、φ95／φ80mm 及 φ70／φ55mm，各閥片厚度均為3mm，氣閥升程為2mm。

圖7 改造后四級(jí)吸氣閥結(jié)構(gòu)圖

圖8 改造后四級(jí)氣閥網(wǎng)狀閥片

將改造后氣閥各參數(shù)代入相關(guān)公式進(jìn)行計(jì)算，計(jì)算結(jié)果見表1。對(duì)比改造前后計(jì)算結(jié)果，可以發(fā)現(xiàn)改造后的氣閥有效避免了原氣閥設(shè)計(jì)的不合理處：① 將氣流流經(jīng)閥隙時(shí)速度由原來的44.8m／s降為32.55m／s，滿足了基本的許用要求；②較大幅度降低了氣閥全開時(shí)閥座通道單位面積上的彈簧力（比彈簧力），原氣閥全開時(shí)閥座通道單位面積上的彈簧力為36760N／m2，改造后氣閥全開時(shí)閥座通道單位面積上的彈簧力為19320N／m2，后者已在推薦范圍 （9807～19614N／m2）內(nèi)。從計(jì)算結(jié)果可以看出，改造氣閥能滿足壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期運(yùn)行。改造后的氣閥在四川安縣風(fēng)洞中心投入使用。同一臺(tái)壓縮機(jī)裝上原隨機(jī)配備的氣閥時(shí)，四級(jí)吸氣壓力（表壓）為2.5MPa、吸氣溫度為43℃，排氣壓力（表壓）為7.9MPa、排氣溫度為173℃；在各進(jìn)氣工況不變的情況下，裝上改造氣閥后，四級(jí)吸氣壓力（表壓）為2.5MPa、吸氣溫度為43℃，排氣壓力（表壓）為8.1MPa、排氣溫度為160℃。眾所周知，壓縮機(jī)各級(jí)排氣溫度同該級(jí)氣體的壓縮比成正比，同時(shí)也與氣流流經(jīng)該級(jí)氣閥的阻力損失成正比，本壓縮機(jī)的四級(jí)氣閥改造后，壓縮比由3.08升為3.15，但排氣溫度反而降低了13℃。這表明，氣流流經(jīng)改造后的氣閥時(shí)，阻力損失明顯下降。改造后四級(jí)氣閥投入運(yùn)行三年后，使用情況統(tǒng)計(jì)如下：氣閥組件整體的使用壽命平均為六個(gè)月，彈簧每六月更換一次，閥片每一年更換一次，限制器和閥座每?jī)赡旮鼡Q一次。顯然，改造后氣閥各零部件使用壽命遠(yuǎn)遠(yuǎn)超過改造前，本次改造取得了顯著的效果。

3 結(jié) 語

通過對(duì)4M12－45／210空氣壓縮機(jī)四級(jí)氣閥結(jié)構(gòu)型式、流道等方面的改進(jìn)，完全解決了四級(jí)氣閥短時(shí)間內(nèi)閥片、彈簧斷裂，閥座密封面出現(xiàn)眾多凹坑等問題，同時(shí)還降低了壓縮機(jī)四級(jí)排氣溫度，確保了壓縮機(jī)的長(zhǎng)周期穩(wěn)定運(yùn)行，大幅度提升了壓縮機(jī)的經(jīng)濟(jì)性與可靠性，從而確保吹風(fēng)實(shí)驗(yàn)長(zhǎng)期穩(wěn)定地進(jìn)行。該項(xiàng)目還被評(píng)為該公司技術(shù)革新一等獎(jiǎng)，參與該項(xiàng)目改造的相關(guān)人員得到了上級(jí)領(lǐng)導(dǎo)的嘉獎(jiǎng)，公司上下對(duì)我們的改造效果給予極高評(píng)價(jià)。同時(shí)，通過行業(yè)交流，云南、河南等企業(yè)同型號(hào)壓縮機(jī)也采用此法改造，同樣產(chǎn)生了很好的效果。