淺析某型艦用高壓空壓機(jī)排污裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

梁璞玉

（中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶246001）

淺析某型艦用高壓空壓機(jī)排污裝置的設(shè)計(jì)與計(jì)算

梁璞玉

（中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶246001）

排污裝置是高壓空壓機(jī)中必不可少的重要組成部分，常使用隔膜閥或電磁閥等來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)排污。近年來(lái)，工廠使用的隔膜閥逐漸減少，而用戶反饋高壓級(jí)使用的電磁閥故障不斷增多，為了解決這個(gè)問(wèn)題，有的已逐步使用氣動(dòng)閥來(lái)代替高壓級(jí)的電磁閥，經(jīng)耐久性試驗(yàn)和裝機(jī)使用，運(yùn)行靈敏可靠，已取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益，值得推廣應(yīng)用。

高壓空壓機(jī)；排污裝置；聯(lián)動(dòng)；電磁閥；氣動(dòng)閥

1 引言

隨著艦船及軍港、軍械等場(chǎng)所對(duì)高壓氣源的需求越來(lái)越多，同時(shí)，為了獲得良好的氣源品質(zhì)，并減輕后置干燥機(jī)的處理負(fù)荷，進(jìn)一步提高干燥機(jī)處理后的氣體品質(zhì)，一般在空壓機(jī)的各級(jí)冷卻器后均設(shè)置一個(gè)液氣分離器，以處理掉氣體中包含的大部分的潤(rùn)滑油和水分等，這就需要在各級(jí)液氣分離器的下方設(shè)置一個(gè)定時(shí)排污閥，以便及時(shí)排掉貯存在分離器腔體內(nèi)的油污水等。

目前，一般使用隔膜閥或電磁閥來(lái)實(shí)現(xiàn)定時(shí)排污，因隔膜閥體積大且維修性不高，工廠已逐漸棄用，現(xiàn)在普遍選用常開(kāi)或常閉式的電磁閥來(lái)控制排污。而高壓級(jí)場(chǎng)合使用的電磁閥，隨著近些年反饋的質(zhì)量問(wèn)題不斷增多，同時(shí)考慮現(xiàn)階段國(guó)產(chǎn)高壓電磁閥的技術(shù)現(xiàn)狀，其暫不適合高壓級(jí)場(chǎng)合的使用，在工廠已逐步達(dá)成共識(shí)。為了解決高壓級(jí)油污水的排放問(wèn)題，工廠已逐漸采用氣動(dòng)閥來(lái)代替高壓級(jí)的電磁閥，這就涉及到高壓空壓機(jī)排污裝置即氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)與計(jì)算等問(wèn)題。

2 分離方法及排污的作用

為了減少或消除壓縮氣體中的油、水及其它冷凝液，必須經(jīng)過(guò)有效分離才能被排出，一般根據(jù)空壓機(jī)的各級(jí)壓力及排氣量等參數(shù)，選用慣性式、過(guò)濾式及吸附式3種分離方法，實(shí)際使用過(guò)程中往往是3種或其中的2種進(jìn)行組合應(yīng)用。對(duì)于含濕量較高的場(chǎng)所，則可以借鑒兩級(jí)氣液分離裝置的方法[1]，進(jìn)行多次循環(huán)分離，以達(dá)到最優(yōu)的分離效果。

大氣是由一定量的干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，空壓機(jī)工作時(shí)，隨著氣體不斷被壓縮升壓，蒸氣的分壓力也將提高，而后在冷卻器中冷卻，當(dāng)壓縮后的蒸氣分壓超過(guò)冷卻器氣體出口溫度下水的飽和蒸氣壓時(shí)，氣體中的蒸氣將冷凝而析出水分。此時(shí)，若不及時(shí)進(jìn)行分離和排除，油污水等就會(huì)伴隨著壓縮氣體進(jìn)入到后面的高壓級(jí)氣缸內(nèi)，如此，不僅會(huì)降低氣體的品質(zhì)，而且可能會(huì)發(fā)生液擊現(xiàn)象，發(fā)生非常嚴(yán)重的質(zhì)量事故[2]。

3 氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)原理

氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)原理是利用空壓機(jī)各級(jí)壓力的不同，在氣動(dòng)閥兩端產(chǎn)生壓力差，并通過(guò)閥活塞的上、下移動(dòng)，實(shí)現(xiàn)某一低壓級(jí)氣源間接地控制高壓級(jí)氣源油污的泄放和關(guān)閉。

為便于說(shuō)明，以本文下一節(jié)的實(shí)例進(jìn)行闡述。在高壓空壓機(jī)正常運(yùn)轉(zhuǎn)時(shí)，二級(jí)壓力應(yīng)能推動(dòng)氣動(dòng)閥中的閥活塞向下移動(dòng)，并能使密封面與其下的三級(jí)排污孔口d3緊密接觸而實(shí)現(xiàn)密封。四級(jí)的密封過(guò)程與三級(jí)類似，當(dāng)四級(jí)的壓力建立起來(lái)后，就可以對(duì)外供氣了。

當(dāng)二級(jí)電磁閥排污時(shí)（設(shè)定的排污間隔時(shí)間可調(diào)），圖1上端的“接二級(jí)壓力表管路”中的壓力將降低，當(dāng)二級(jí)壓力p2降到最低值時(shí)，其氣動(dòng)閥下端的三級(jí)壓力p3將克服上端的二級(jí)壓力、閥活塞的摩擦力及重力，推動(dòng)閥活塞上移，從而使下端“接三級(jí)排污管”內(nèi)的污水介質(zhì)按圖示箭頭方向流出，實(shí)現(xiàn)三級(jí)排污。同理，當(dāng)三級(jí)進(jìn)行排污時(shí)，其壓力也必然下降，當(dāng)其壓力降到最低值時(shí)，也滿足四級(jí)壓力能夠推開(kāi)閥活塞向上移動(dòng)而實(shí)現(xiàn)排污。

當(dāng)二級(jí)電磁閥排污時(shí)長(zhǎng)結(jié)束后（設(shè)定的排污時(shí)長(zhǎng)也可調(diào)），二級(jí)排污電磁閥隨即關(guān)閉，二級(jí)壓力表管中的壓力將快速升高，反過(guò)來(lái)把三級(jí)閥活塞向下推動(dòng)而密封住三級(jí)的排污孔口，此時(shí)，三級(jí)關(guān)閉而停止泄放，其管內(nèi)的壓力也將逐漸升高。同理，升高后的三級(jí)壓力則會(huì)把四級(jí)閥活塞向下推動(dòng)而密封住四級(jí)的排污孔口，使四級(jí)停止泄放，這樣四級(jí)壓力就重新建立起來(lái)，繼續(xù)對(duì)外供氣了 [3]。

到了設(shè)定的排污間隔時(shí)間后，各級(jí)將依次再進(jìn)行排污，其排污過(guò)程就是上一個(gè)排污動(dòng)作的循環(huán)。

現(xiàn)以二級(jí)壓力控制三級(jí)排污為列，給出了氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)原理圖，如圖1所示，其中圖示箭頭表示排污介質(zhì)的流向。

4 氣動(dòng)閥設(shè)計(jì)實(shí)例

4.1 總體方案設(shè)計(jì)

現(xiàn)以某型艦用高壓空壓機(jī)排污裝置中氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)為例，簡(jiǎn)述其設(shè)計(jì)過(guò)程。所述高壓空壓機(jī)的排污裝置，其低壓級(jí)的一級(jí)和二級(jí)選用PLC自動(dòng)控制的電磁閥排污，高壓級(jí)的三級(jí)和四級(jí)采用氣動(dòng)閥排污，并利用低壓級(jí)的二級(jí)壓力作為聯(lián)動(dòng)氣動(dòng)閥工作的壓力源。即當(dāng)二級(jí)電磁閥排污、泄壓后，滿足二級(jí)聯(lián)動(dòng)三級(jí)、三級(jí)聯(lián)動(dòng)四級(jí)的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)逐級(jí)聯(lián)動(dòng)、有序排污。

4.2 設(shè)計(jì)參數(shù)

該型高壓空壓機(jī)采用單作用活塞式，末級(jí)壓力40 MPa，排氣量3.5 m3/min，共計(jì)4級(jí)，各級(jí)壓力表的公稱壓力值如下表1所示。

氣動(dòng)閥活塞的推開(kāi)距離，活塞上部直徑及三級(jí)排污孔口、四級(jí)排污孔口直徑等參數(shù)值見(jiàn)表2所示。

4.3 設(shè)計(jì)條件關(guān)系式

二級(jí)壓力的變化將聯(lián)動(dòng)三級(jí)氣動(dòng)閥關(guān)閉或排污，且在二級(jí)不排污和排污二種工況下應(yīng)滿足的條件關(guān)系式為：

p2·Sd2＞p3·Sd3（二級(jí)不排污時(shí)，二級(jí)能推動(dòng)閥活塞下移而使三級(jí)關(guān)閉）

p2·Sd2＜p3·Sd3（二級(jí)排污時(shí)，三級(jí)能推開(kāi)閥活塞上移而實(shí)現(xiàn)三級(jí)排污）

因閥活塞的摩擦力和重力遠(yuǎn)小于氣體力，故忽略不計(jì)。為了提高氣動(dòng)閥的靈敏度及可靠性，同時(shí)結(jié)合不排污和排污兩種工況下，二級(jí)壓力p2和三級(jí)壓力p3均會(huì)有變化的情況（受氣閥泄漏等影響，其壓力會(huì)略有波動(dòng)），故要合理設(shè)計(jì)閥活塞的外徑d2和排污孔口的直徑d3，才能滿足二級(jí)壓力出現(xiàn)波動(dòng)時(shí)，均能適時(shí)控制三級(jí)油污的泄放與關(guān)閉。同時(shí)，根據(jù)油污水量及排污的速度，以及各排污管的通徑，綜合設(shè)定閥活塞的推開(kāi)距離h值。

其中，在組合式氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)原理圖上，為了提高四級(jí)排污時(shí)的響應(yīng)速度，圖2左側(cè)視圖下端的“接三級(jí)排污管”與右側(cè)視圖上端的“接三級(jí)壓力表管路”是通過(guò)一個(gè)三通接頭相連的，故兩處的三級(jí)壓力時(shí)刻相等，即p3=p3′。

4.4 設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程

根據(jù)以上的原理和關(guān)系式，某型艦用高壓空壓機(jī)排污裝置中氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程如下：即根據(jù)二級(jí)排污電磁閥的通徑（DN15），以及二級(jí)排污管子的規(guī)格（φ18×2），設(shè)定二級(jí)電磁閥的排污時(shí)長(zhǎng)為5 s，兩次排污間隔時(shí)間為15 min?？諌簷C(jī)啟動(dòng)后，二級(jí)壓力快速上升到p2=1.8 MPa左右，其對(duì)應(yīng)閥活塞上部的有效直徑為d2=25 mm，閥活塞下部的三級(jí)排污孔口的有效直徑為d3=8.5 mm，而空壓機(jī)啟動(dòng)初期，三級(jí)壓力還沒(méi)有完全建立起來(lái)，約p3=4 MPa（由后面計(jì)算可知，當(dāng)二級(jí)壓力升起來(lái)后，無(wú)論三級(jí)壓力建立與否，均滿足關(guān)系式），此時(shí)滿足關(guān)系式p2·Sd2＞p3·Sd3，式中10.2為單位換算系數(shù)，下同，即有

由計(jì)算可知，二級(jí)對(duì)閥活塞向下產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于三級(jí)向上的壓力，因此，二級(jí)壓力建立起來(lái)后，將使三級(jí)排污氣動(dòng)閥關(guān)閉而升壓。同理，三級(jí)升壓后，會(huì)把四級(jí)排污氣動(dòng)閥關(guān)閉而升壓。這樣，各級(jí)壓力就先后建立起來(lái)了，隨著末級(jí)壓力的升高，就可以對(duì)外供氣了。

到了設(shè)定的15 min排污間隔時(shí)間后，二級(jí)電磁閥打開(kāi)排污，二級(jí)壓力將迅速降低至p2=0.5 MPa左右，此時(shí)三級(jí)壓力仍為最高值p3=8.2 MPa（受上一級(jí)排污的影響，本級(jí)壓力會(huì)略降一點(diǎn)，但不影響分析和計(jì)算，下同），此時(shí)滿足關(guān)系式p2·Sd2＜p3· Sd3，即

經(jīng)計(jì)算，壓差為47.5-25.0=22.5 kgf，故三級(jí)壓力能夠推開(kāi)閥活塞上移而打開(kāi)排污。因三級(jí)壓力高，排污速度快，泄壓迅速，在1～2 s內(nèi)壓力即由8.2 MPa降至1.0 MPa左右。同理，右側(cè)上端的三級(jí)壓力p3′同步下降，此時(shí)由三級(jí)壓力控制的四級(jí)排污氣動(dòng)閥也滿足條件關(guān)系式p3′·Sd2＜p4·Sd4，即有

經(jīng)計(jì)算，壓差為115.4-50.1=65.3 kgf，故由二級(jí)聯(lián)動(dòng)的三級(jí)開(kāi)始排污而壓力下降后，四級(jí)壓力也同樣能夠及時(shí)推開(kāi)閥活塞上移而排污。

通過(guò)比較有無(wú)動(dòng)態(tài)特性補(bǔ)償反應(yīng)過(guò)程仿真結(jié)果,對(duì)絕熱加速量熱儀測(cè)試系統(tǒng)中的影響因素進(jìn)行分析。追蹤階段爐體溫度是跟蹤樣品溫度變化的隨動(dòng)控制,兩者之間的差值越小,絕熱性能越高,越滿足式(2)。仿真結(jié)果顯示高濃度樣品反應(yīng)后期溫度劇烈變化,補(bǔ)償后樣品與爐體之間的差值較補(bǔ)償前小,如表3所示,反應(yīng)全過(guò)程差值趨勢(shì)如圖4所示,表明對(duì)反應(yīng)過(guò)程動(dòng)態(tài)特性進(jìn)行補(bǔ)償,系統(tǒng)響應(yīng)更快,絕熱程度更高。

當(dāng)設(shè)定的二級(jí)電磁閥排污時(shí)長(zhǎng)5 s結(jié)束后，將立即關(guān)閉而停止排污，其壓力將快速上升到正常壓力值1.8 MPa，此時(shí)又因滿足了關(guān)系式p2·Sd2＞p3· Sd3，其中三級(jí)壓力p3按最高值帶入公式計(jì)算，即有

經(jīng)計(jì)算，壓差為90.1-47.5=42.6 kgf，即二級(jí)壓力上升后，三級(jí)壓力即使處于最高值，二級(jí)壓力依然能夠推動(dòng)閥活塞下移而密封住三級(jí)的排污孔口，實(shí)現(xiàn)密封。

當(dāng)三級(jí)排污孔口被密封而停止泄放時(shí)，其三級(jí)壓力表管內(nèi)的壓力也將逐步上升到正常的壓力值8.2 MPa，此時(shí)四級(jí)排污氣動(dòng)閥也滿足了條件關(guān)系式p3′·Sd2＞p4·Sd4，其中四級(jí)壓力p4也按最高值帶入公式計(jì)算，即有

經(jīng)計(jì)算，壓差達(dá)411-115.4=295.6 kgf，也即三級(jí)壓力上升后，即使四級(jí)處于最高壓力狀態(tài)，三級(jí)壓力也能夠推動(dòng)閥活塞下移而密封住四級(jí)的排污孔口，實(shí)現(xiàn)密封。

以上設(shè)計(jì)計(jì)算過(guò)程也即電磁閥與氣動(dòng)閥聯(lián)動(dòng)時(shí)的工作過(guò)程，在到了下一個(gè)15 min的排污間隔時(shí)間后，各級(jí)又將依次進(jìn)行排污，保障了持續(xù)供氣。

由計(jì)算的壓差可知，雖然帶入關(guān)系式中的數(shù)值為每一級(jí)壓力的極限值，但只要?dú)鈩?dòng)閥兩端產(chǎn)生的壓差能夠克服閥活塞的摩擦力和重力，各級(jí)無(wú)需泄壓或升壓到極限值時(shí)，就能聯(lián)動(dòng)氣動(dòng)閥工作，因此，實(shí)際工作過(guò)程中，各級(jí)的排污過(guò)程在時(shí)間上是有重疊的。

5 耐久性試驗(yàn)情況

按照GJB1491-92艦用電動(dòng)高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)通用規(guī)范[4]和GB12929-2008船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)[5]中的相關(guān)要求，該空壓機(jī)進(jìn)行了1000 h的耐久性試驗(yàn)。在試驗(yàn)期間，一級(jí)和二級(jí)排污電磁閥先行排污，聯(lián)動(dòng)三級(jí)氣動(dòng)閥排污，最后四級(jí)氣動(dòng)閥排污，所述排污動(dòng)作和順序周期性地重復(fù)執(zhí)行，且排污動(dòng)作靈敏、可靠，實(shí)現(xiàn)了逐級(jí)聯(lián)動(dòng)，有序排污。

在耐久性試驗(yàn)考核期間，為了驗(yàn)證電磁閥和氣動(dòng)閥在選用、設(shè)計(jì)及時(shí)間設(shè)定上的正確性和合理性。逐級(jí)拆掉各級(jí)排污分管路進(jìn)行檢查。經(jīng)目測(cè)觀察排出的污水，可以看到呈乳白色狀的污水連續(xù)排出，同時(shí)在污水接近排盡時(shí)（可目測(cè)，在氣壓的作用下，呈流線狀的乳白色污水逐漸減弱），各級(jí)的電磁閥和氣動(dòng)閥可以及時(shí)關(guān)閉，不僅滿足了排污的需要，而且避免了高壓氣源的浪費(fèi)。

6 氣動(dòng)閥設(shè)計(jì)注意事項(xiàng)

為了提高氣動(dòng)閥工作時(shí)的靈敏度、及時(shí)性和可靠性，在設(shè)計(jì)氣動(dòng)閥時(shí)，要合理選用和設(shè)計(jì)各個(gè)零部件的參數(shù)，其中，設(shè)計(jì)過(guò)程中要重點(diǎn)注意以下幾點(diǎn)：

（1）選用的低壓級(jí)排污電磁閥不僅關(guān)系到自身工作的可靠性，而且關(guān)聯(lián)到高壓級(jí)氣動(dòng)閥工作的可靠性，故要合理選用電磁閥的類型（如常開(kāi)或常閉型），同時(shí)選用國(guó)產(chǎn)或進(jìn)口質(zhì)量可靠的電磁閥。

（2）為了減少氣量的損耗，應(yīng)盡可能地縮短排污時(shí)長(zhǎng)或者油污水即將排盡時(shí)能及時(shí)關(guān)閉排污閥。即要根據(jù)各級(jí)壓力的大小，合理設(shè)計(jì)氣動(dòng)閥中的活塞直徑d2，三級(jí)和四級(jí)排污孔口的直徑d3和d4，以及閥活塞的推開(kāi)距離h等，這些參數(shù)都將關(guān)系到排污時(shí)間的設(shè)定和工作時(shí)的靈敏度，而減少耗氣量，就意味著增加了排氣量，降低了比功率。

（3）氣動(dòng)閥中的閥活塞，其下方的密封面要使用硬度高的聚酰亞胺（或硬度相當(dāng)?shù)模┎牧?，否則氣動(dòng)閥工作時(shí)極易失效。作者曾經(jīng)使用尼龍66做過(guò)對(duì)比試驗(yàn)，在經(jīng)過(guò)幾次排污后，氣動(dòng)閥的排污過(guò)程表現(xiàn)的越來(lái)越遲緩，最后徹底失效而不動(dòng)作了。經(jīng)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)閥活塞在高壓的沖擊下，經(jīng)歷幾次上、下運(yùn)動(dòng)后，其下方的金屬排污孔口已嵌入到尼龍66的密封面內(nèi)，導(dǎo)致閥活塞“拔不出來(lái)”了。

（4）氣動(dòng)閥工作過(guò)程中，高壓氣體會(huì)從密封用的O型圈（圖中所示位置）處滲漏一點(diǎn)進(jìn)入到閥體的中間部位，從而會(huì)改變氣動(dòng)閥原設(shè)計(jì)的兩端壓力差，故需要在氣動(dòng)閥的某個(gè)側(cè)面預(yù)留一個(gè)泄壓小孔，以及時(shí)釋放掉泄漏過(guò)來(lái)的少量高壓氣體。

（5）本文所述的空壓機(jī)為四級(jí)，氣動(dòng)閥為組合式結(jié)構(gòu)，當(dāng)控制壓力管線較長(zhǎng)而影響管路布局或降低響應(yīng)速度時(shí)，也可以把氣動(dòng)閥獨(dú)立安裝，分開(kāi)使用，以提高氣動(dòng)閥使用的靈活性和維修性。

（6）通過(guò)PLC自動(dòng)控制，設(shè)定一級(jí)和二級(jí)排污電磁閥同步泄放，并合理加大電磁閥和排污管路的通徑，能夠加快二級(jí)排污時(shí)的壓降速度，而二級(jí)壓力下降的越快，三級(jí)和四級(jí)排污時(shí)的響應(yīng)時(shí)間就越短（即可以增加排污重疊時(shí)間），也即可以提高三級(jí)和四級(jí)排污時(shí)的靈敏度和及時(shí)性。

7 結(jié)語(yǔ)

在高壓空壓機(jī)的排污裝置中，使用氣動(dòng)閥來(lái)代替高壓級(jí)的電磁閥，不僅可以解決高壓電磁閥的可靠性問(wèn)題，極大地降低所屬部件的成本，而且可以避免電磁閥損壞后，其不可修復(fù)或修復(fù)周期長(zhǎng)及維修成本高等一系列缺點(diǎn)。而本文設(shè)計(jì)的氣動(dòng)閥，零件加工過(guò)程可控，使用及維修成本低，備品備件更有保障，加上原理運(yùn)用明確，根據(jù)壓力及排污需要，稍加改動(dòng)氣動(dòng)閥的相關(guān)參數(shù)，即可運(yùn)用到各種壓力及排量的空壓機(jī)上，適用范圍廣，值得推廣應(yīng)用。

[1] 梁璞玉，石盧文，朱永嘉.兩級(jí)氣液分離裝置[P].中國(guó)專利，ZL201420142166.2，2014.

[2] 郁永章.容積式壓縮機(jī)技術(shù)手冊(cè)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2000.

[3] 王積偉，章宏甲，黃誼，等.液壓與氣壓傳動(dòng)[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，2005.

[4]GJB1491-92.艦用電動(dòng)高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機(jī)通用規(guī)范[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[5]GB12929-2008.船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)[S].北京：中國(guó)標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Design and Calculation of High Pressure Air Compressor Drainage Device for a Certain Type of Warship

LIANG Pu-yu
(4812 PLA Factory，Anqing 246001，China)

Drainage device is the indispensable important component in high pressure air compressors，which often uses a diaphragm valve or solenoid valve to achieve timing blowdown.In recent years，with the use of diaphragm valve factory gradually reduced，and the users feedback stage high pressure solenoid valve fault more and more,in order to solve this problem,some of which have been gradually use pneumatic valve instead of high pressure stage of solenoid valve.After the durability test and installed to use，sensitive and reliable running,and has achieved good economic benefits,is worth popularization and application.

high-pressure air compressor;drainage device;linkage;solenoid valve;pneumatic valve

TH45

A

1006-2971（2015）06-0039-05

梁璞玉（1981-），男，本科，工程師，現(xiàn)就職于中國(guó)人民解放軍第四八一二工廠技術(shù)中心，主要從事往復(fù)活塞式高壓空壓機(jī)的設(shè)計(jì)和開(kāi)發(fā)工作。E-mail：jzh01334lpy@126.com

2015-07-29