天然氣壓縮機(jī)氣閥的動態(tài)分析

張鑫磊

【摘要】本文主要基于往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)，并對其氣閥進(jìn)行全程動態(tài)化分析，并建立了相應(yīng)的動力學(xué)模型。在氣閥運(yùn)動進(jìn)行多次彈力取值，通過數(shù)據(jù)信息的精確計(jì)算，研究得出氣閥彈力與閥片運(yùn)動之間存在相對應(yīng)的特殊關(guān)系，并利用氣閥設(shè)計(jì)原理，更好的實(shí)現(xiàn)流通性，將該特性與動力學(xué)原理進(jìn)行有機(jī)結(jié)合，發(fā)現(xiàn)二者之間存在的特殊規(guī)律。此外，還解釋了壓縮機(jī)氣閥的彈力性對氣閥的使用壽命和壓縮機(jī)能力的影響，為天然氣壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)提供了新的發(fā)展思路。

【關(guān)鍵詞】往復(fù)式天然氣壓縮機(jī)；氣閥；動力學(xué)模型；動態(tài)化分析

在天然氣壓縮機(jī)中，氣閥的質(zhì)量和性能好壞直接關(guān)系著壓縮機(jī)是否能夠更好的進(jìn)行運(yùn)轉(zhuǎn)，可見，氣閥在天然氣壓縮機(jī)中的重要地位。然而，由于氣閥在整個機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中的工作任務(wù)量較大，工作環(huán)境差，在壓縮機(jī)各個零部件中，氣閥損壞的頻率最高。因此，在天然氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)過程中，要將與氣閥相關(guān)的問題予以充分重視，在研究其工作原理的基礎(chǔ)上，還要對該部件進(jìn)行動態(tài)化分析，為天然氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。

一、天然氣壓縮機(jī)氣閥的動力學(xué)模型

一般來說，在天然氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中，氣閥的選擇主要為環(huán)狀閥，并被設(shè)計(jì)人員廣泛應(yīng)用。具體來說，環(huán)狀閥的主要構(gòu)成包括氣閥的底座、閥片升程限制器以及彈簧等組成，各個部位所起的作用不盡相同。下面，以進(jìn)氣閥為例，其工作原理及流程如下：首先，需要使氣閥進(jìn)行逐漸膨脹，并運(yùn)動至進(jìn)氣口的終點(diǎn)位置，這時，氣缸與閥腔之間會不同程度上產(chǎn)生壓力，并在二者之間形成壓力差，以此來抵消彈簧所發(fā)出了推動力，使閥片離開氣閥底座位置，在使氣缸進(jìn)行吸氣，完成整個吸氣過程。其次，當(dāng)壓力不斷增大時，閥片會隨之向上升高，達(dá)到一定高度時，閥片會撞擊升程限制器，根據(jù)運(yùn)動力學(xué)原理可知，可能會發(fā)生反彈現(xiàn)象的出現(xiàn)。最后，當(dāng)進(jìn)氣閥中的活塞不斷接近止點(diǎn)時，氣閥中的進(jìn)氣速度會不斷減緩，而氣流推力也逐漸減弱，這時，閥片從升程限制器會向下降落，并回到氣閥的底座之上。

根據(jù)牛頓第二定律，閥片的運(yùn)動方程如下：

在方程式中，m表示的是1/3彈簧的質(zhì)量與閥片質(zhì)量的相加； Fg表示的是氣體的推動力；Fs表示為彈力，；k表示的是彈性系數(shù)的大?。槐硎镜臑樽冃瘟康臄?shù)值；h代表的是升程大??； t表示的是時間。

由于Fg與壓力差之間存在正比例關(guān)系，利用熱力學(xué)原理以及流力學(xué)原理推導(dǎo)出來。

在氣閥運(yùn)動過程中，閥片之間會存在沖突和碰撞，會產(chǎn)生相應(yīng)的推動力；而Fg與升程大小和時間之間的約束關(guān)系存在特殊性和復(fù)雜性，由此可見，閥片中獲得的動力學(xué)模型是一種非線性模型，可以進(jìn)行力學(xué)之間的替換。

二、壓縮機(jī)氣閥中閥片運(yùn)動的數(shù)值計(jì)算

在天然氣壓縮機(jī)中，氣閥內(nèi)部的氣缸與閥座底部的對應(yīng)位置已經(jīng)確定，相對應(yīng)的面積大小也提前固定好，因此，當(dāng)閥片升程在逐漸增加時，氣閥中的流通面積也逐漸增大，這樣一來，更好的降低了閥隙中氣流的流通速度，更高的避免了空氣流通中壓力的損失，進(jìn)一步提高壓縮機(jī)氣閥的工作質(zhì)量和工作效率。然而，當(dāng)升程的增加與閥隙和閥座的截面保持一致時，由于升程過大，在無形中加快了閥片與升程限制器之間的沖突速度，這樣就會大大縮短氣閥的使用壽命，因此，當(dāng)升程的增加與閥隙和閥座的截面保持一致時，沒有必要再進(jìn)行升程的增加。一般來說，氣閥中的閥片質(zhì)量要盡量小，因?yàn)樾≠|(zhì)量的閥片能夠有效提高氣閥運(yùn)動的速度，減少閥片與其他零部件之間的碰撞力度。因此，在氣閥設(shè)計(jì)過程中，對于閥片的選擇要結(jié)合閥片材質(zhì)、大小以及受力等方面的制約，要確保閥片的質(zhì)量盡可能的小。因此，就上述內(nèi)容而言，在閥片運(yùn)動數(shù)值計(jì)算中，將h取值為3mm，m取值為0.3kg.

在氣閥中，其彈簧產(chǎn)生的壓力不能大于氣流推力，這樣做的好處就是避免閥片出現(xiàn)不能完全打開的狀況，甚至可能出現(xiàn)顫振的現(xiàn)象。但彈簧產(chǎn)生的壓力也不能過小，力度過小的話可能會延緩氣閥的關(guān)閉時間，還可能會影響到天然氣排量的變化。因此，基于運(yùn)動學(xué)模型，取不同大小的彈簧力，并進(jìn)行仿真模擬。

根據(jù)參數(shù)的選定，需要對閥片運(yùn)動的相關(guān)數(shù)據(jù)進(jìn)行精確計(jì)算，并根據(jù)計(jì)算結(jié)果，繪制不同狀態(tài)下的曲線圖。計(jì)算結(jié)果如下：第一，在閥片升程曲線圖中，由于彈性系數(shù)過大，彈簧力度也相應(yīng)增加，閥片在運(yùn)動中出現(xiàn)明顯震動現(xiàn)象，無形中延遲了閥片關(guān)閉的時間。第二，在不同狀態(tài)下，通過曲線速度也能明顯發(fā)現(xiàn)閥片處于震動狀態(tài)，在這種狀況下，升程限制器的沖擊力一定大于閥座的沖擊力。第三，通過活塞運(yùn)動循環(huán)變化圖可見，氣缸壓力是隨之變化的。當(dāng)彈簧力較大，壓力波動較為明顯，無形中增加了壓力的損耗和功耗；當(dāng)彈簧力較小時，閥片的關(guān)閉時間會出現(xiàn)一定程度上的延遲，氣流量也逐漸降低，無法滿足應(yīng)有的需氣量。第四，隨著氣閥彈力變化曲線可見，當(dāng)彈力較小，氣量、軸功率也呈下降趨勢，但比功率卻呈上升趨勢，經(jīng)濟(jì)性也被削弱；當(dāng)彈力較大時，比功率呈迅速上升的趨勢，同時，經(jīng)濟(jì)性也在一定程度上被削弱。

結(jié)語

由于氣閥在整個機(jī)械運(yùn)轉(zhuǎn)中的工作任務(wù)量較大，工作環(huán)境差，在壓縮機(jī)各個零部件中，氣閥損壞的頻率最高，而在氣閥中，最易損壞的零部件是閥片和彈簧。因此，在天然氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)過程中，要注重氣閥的質(zhì)量和性能，以此來確保天然氣壓縮機(jī)的正常運(yùn)轉(zhuǎn)，還要充分發(fā)揮氣閥在天然氣壓縮機(jī)中的優(yōu)勢地位，在研究其工作原理的基礎(chǔ)上，還要對該部件進(jìn)行動態(tài)化分析，為天然氣壓縮機(jī)設(shè)計(jì)提供科學(xué)的設(shè)計(jì)依據(jù)。此外，氣閥的設(shè)計(jì)要注重彈力的應(yīng)用，這一點(diǎn)直接關(guān)系著氣閥動力學(xué)的使用壽命。同時，工況的改變，可能導(dǎo)致原本適合的氣閥無法繼續(xù)適用，因此，要將工況作為氣閥設(shè)計(jì)的依據(jù)之一，并通過精確計(jì)算，調(diào)整工況與氣閥之間的配適度，確保氣閥設(shè)計(jì)的科學(xué)性和有效性。

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