CFA34空壓機(jī)三級(jí)進(jìn)氣閥損壞故障分析及改進(jìn)

袁宗澤，聶 方，王福維，鄧 斌

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心技術(shù)勤務(wù)站，四川綿陽(yáng) 621000）

CFA34空壓機(jī)三級(jí)進(jìn)氣閥損壞故障分析及改進(jìn)

袁宗澤，聶 方，王福維，鄧 斌

（中國(guó)空氣動(dòng)力研究與發(fā)展中心技術(shù)勤務(wù)站，四川綿陽(yáng) 621000）

針對(duì)CFA34空壓機(jī)三級(jí)進(jìn)氣閥頻繁出現(xiàn)閥座斷裂、閥片破裂及密封面磨損等故障，分別從閥片材料、氣閥流通性、彈簧載荷3要素進(jìn)行分析，設(shè)計(jì)新型氣閥，采用新型PEEK非金屬材料，改進(jìn)密封面設(shè)計(jì)，優(yōu)化彈簧性能。實(shí)驗(yàn)證明，新氣閥改善了機(jī)組性能，設(shè)備故障率、生產(chǎn)和維護(hù)成本降低。

空壓機(jī)；進(jìn)氣閥；PEEK材料；流通性能；彈簧載荷

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.33

0 引言

高壓空氣站5套美國(guó)卡麥?。–AMERON）CFA34型活塞式空壓機(jī)組，前級(jí)經(jīng)阿特拉斯GR200W-20型螺桿機(jī)增壓至1.9 MPa，四級(jí)壓縮，流量45 m3/min，排氣壓力32 MPa，2012年7月陸續(xù)投入運(yùn)行?？諌簷C(jī)所用氣閥均為進(jìn)口賀爾碧格氣閥，自投運(yùn)以來(lái)三級(jí)進(jìn)氣閥的使用壽命平均僅有數(shù)十臺(tái)時(shí)，損壞頻率較高，出現(xiàn)了閥座損壞、閥桿斷裂、閥片徑向斷裂等問(wèn)題，增加了保運(yùn)維護(hù)工作的復(fù)雜性。

1 CFA34型空壓機(jī)簡(jiǎn)介

1.1 技術(shù)參數(shù)

CFA34型空壓機(jī)為四列對(duì)稱平衡式結(jié)構(gòu)（圖1），主要技術(shù)參數(shù)：排氣量（入口狀態(tài)）45 m3/min；氣缸分布，1列（螺桿1 3/4級(jí)，3英寸/1.5英寸），2列（螺桿2 2級(jí)，3.875英寸），3列（螺桿3 3/4級(jí)，3英寸/1.5英寸），4列（螺桿4 1級(jí)，5.125英寸）1級(jí)吸氣壓力1.9 MPa；各級(jí)排氣壓力3.9/8.6/21/32 MPa；各級(jí)排氣溫度142/140/ 148/92℃；電機(jī)10 kV，355 kW，1490 r/min。

圖1 CFA34壓縮機(jī)機(jī)身結(jié)構(gòu)

1.2 空壓機(jī)氣閥

氣閥是壓縮機(jī)的重要部件，作用是控制氣體及時(shí)吸入與排出氣缸[1]。氣閥分為進(jìn)氣閥、排氣閥及組合閥，一般由閥座、閥片、中心螺栓、彈簧片及升程限位器等組成。閥座上有可以被閥片覆蓋的氣流通道，可以與閥片共同閉鎖進(jìn)氣通道；閥片根據(jù)兩側(cè)壓力差自動(dòng)交替開(kāi)啟關(guān)閉閥座通道；彈簧在關(guān)閉時(shí)推動(dòng)閥片落向閥座，開(kāi)啟時(shí)抑制閥片撞擊限位升程器[2]?；钊客鶑?fù)運(yùn)動(dòng)1次，吸氣閥、排氣閥各開(kāi)閉1次，從而控制活塞機(jī)完成吸氣、壓縮、排氣等工作過(guò)程。

氣閥中任何一個(gè)零件的損傷均會(huì)影響其性能。研究實(shí)踐表明：①在高壓、高溫、高頻下使用，氣閥閥片與閥座撞擊壓力及顫振應(yīng)力，極易造成閥片斷裂；②閥座與閥片的密封面磨損造成氣閥漏氣，影響機(jī)組壓縮氣體溫度；③氣閥的彈簧力直接影響閥片的運(yùn)動(dòng)規(guī)律和氣閥的能量損失，彈簧力的過(guò)大過(guò)小都會(huì)影響閥片的壽命[3]。文獻(xiàn)總結(jié)，影響氣閥可靠性的因素主要有3個(gè)，氣閥材料、氣閥流通性、閥片及彈簧載荷[4]。

2 故障原因分析

三級(jí)進(jìn)氣閥（52RLX型）為金屬網(wǎng)狀閥，運(yùn)維中因三級(jí)進(jìn)氣閥導(dǎo)致機(jī)組報(bào)警或停機(jī)的故障主要有閥片碎裂、密封面磨損、中心螺栓破損及閥座損壞等（圖2）。可分別從氣閥材料、氣閥流通性、閥片及彈簧載荷對(duì)氣閥進(jìn)行分析及計(jì)算。

圖2 三級(jí)進(jìn)氣閥常見(jiàn)故障

2.1 材料方面

52RLX型閥閥片為金屬鋼片，為平面密封形式。鋼制閥片有2個(gè)明顯缺點(diǎn)：①對(duì)雜質(zhì)敏感，采用平面密封形式時(shí)極易造成小顆?？ㄔ诿芊饷鎸?dǎo)致密封不嚴(yán)而竄氣，甚至撞擊碎裂；②金屬閥片與金屬閥座之間沖擊頻繁，易造成損壞。閥座與中心螺栓為固定連接，閥片開(kāi)啟時(shí)，彈簧運(yùn)動(dòng)受到升程限位器的限制，中心螺栓與閥座連接處承受作用力較大，長(zhǎng)期運(yùn)行易造成疲勞損壞。三級(jí)氣缸為有油潤(rùn)滑方式，運(yùn)行中潤(rùn)滑油附著于閥片和閥座表面、產(chǎn)生粘滯力，平面密封的形式又進(jìn)一步加大了粘滯力。當(dāng)閥片開(kāi)啟吸氣時(shí)，閥片必須克服潤(rùn)滑油的粘滯力，導(dǎo)致開(kāi)啟延遲，影響進(jìn)氣量。此外，閥片與閥座均為金屬材料，在高轉(zhuǎn)速下兩者頻繁沖擊極易造成疲勞碎裂。

2.2 流通性方面

通過(guò)賀爾碧格氣閥專業(yè)氣閥設(shè)計(jì)軟件ITKK對(duì)52RLX進(jìn)行測(cè)算，得到部分氣動(dòng)數(shù)據(jù)：Pfo/Pfc，0.51/0.19；彈簧承載T90，1.5；固有頻率281.8 Hz；q值4.71；壓力損失率4.74%；功率損失率1.52%；壓力損失208 kPa；dpmax=4.29；ΔT=3.01；其中q為氣閥閥損綜合因子。據(jù)此得出閥有效流通面積2.62 cm2，壓力損失208 kPa，損失率4.74%，耐沖擊速度2.5 m/s。壓縮機(jī)中氣體通過(guò)氣閥時(shí)有消耗，損失的功率約為每一級(jí)功率的5%～20%，因此在設(shè)計(jì)時(shí)應(yīng)盡減少閥損失，以提高經(jīng)濟(jì)效益。根據(jù)氣閥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)，壓力損失應(yīng)控制在3%～5%。

2.3 彈簧載荷方面

通過(guò)ITKK對(duì)彈簧進(jìn)行動(dòng)態(tài)模擬仿真（圖3），發(fā)現(xiàn)在180°曲柄轉(zhuǎn)角時(shí)彈簧尚未關(guān)閉，即存在明顯延遲現(xiàn)象。延遲關(guān)閉會(huì)導(dǎo)致在閥片尚未到達(dá)閥座密封面時(shí)，后面就有高壓氣體直接推動(dòng)閥片以更高的速度撞向閥座，撞擊力增加，閥片更易斷裂。此外，金屬閥片的撞擊速度超出其允許值的70%。據(jù)此分析，52RLX彈簧存在延遲關(guān)閉問(wèn)題，導(dǎo)致氣閥閥片撞擊速度大幅升高，造成閥片碎裂及閥座損壞。

圖3 改進(jìn)前氣閥彈簧動(dòng)態(tài)模擬圖

3 改進(jìn)措施

分別對(duì)閥片材料、閥型及彈簧進(jìn)行重新選型及設(shè)計(jì)，開(kāi)發(fā)出新型非金屬環(huán)狀堿級(jí)進(jìn)氣閥（CPS閥）。

3.1 改變閥片材料

針對(duì)金屬閥片易損壞及易密封不嚴(yán)的缺點(diǎn)，選用非金屬材料-增強(qiáng)型聚醚醚酮（Power PEEK），熱變形溫度250～300℃、柔韌性好、對(duì)交變應(yīng)力的優(yōu)良耐疲勞性可與合金媲美[6]。同時(shí)，該材料熱膨脹系數(shù)低、不易變形、密封性好且穩(wěn)定性高。由于PEEK材料密度、彈性模量比金屬小，可用接觸應(yīng)力公式（1）計(jì)算[5]。

式中σ——接觸應(yīng)力

v——撞擊速度

E——彈性模量

ρ——撞擊物密度

增強(qiáng)型PEEK閥片與閥座、升程限位器接觸應(yīng)力小。據(jù)賀爾碧格提供的閥片耐沖擊性試驗(yàn)結(jié)果，增強(qiáng)型PEEK和常規(guī)PEEK的耐沖擊速度分別為10 m/s和4 m/s，金屬閥片的耐沖擊速度僅2.5 m/s?？梢?jiàn)，改進(jìn)后閥片的耐沖擊性為改進(jìn)前的4倍。

3.2 閥型優(yōu)化

新型CPS閥的閥座及閥片采用斜面槽道設(shè)計(jì)，閥型采用整體閥環(huán)結(jié)構(gòu)，同時(shí)采用非金屬閥片和非金屬緩沖片的雙緩沖結(jié)構(gòu)。新型CPS閥有3個(gè)優(yōu)勢(shì)：①與平面密封相比，斜面槽道設(shè)計(jì)可增強(qiáng)密封性并提高氣流流通性能，降低壓力損失（圖4）；②氣閥整體閥環(huán)結(jié)構(gòu)型式，既摒棄了傳統(tǒng)閥片流道非優(yōu)化結(jié)構(gòu)，同時(shí)避免了單獨(dú)閥環(huán)結(jié)構(gòu)的各個(gè)環(huán)間開(kāi)啟與關(guān)閉不同步問(wèn)題；③非金屬材料的閥片及緩沖片，可大大降低閥片的撞擊速度和粘滯力，減少閥片脫離閥座及閥蓋時(shí)的沖擊力，雙緩沖設(shè)計(jì)可減少和避免閥片與閥座的不平行撞擊[4]。

通過(guò)模擬計(jì)算，改進(jìn)前后氣閥的流通面積對(duì)比見(jiàn)圖5。由圖 5可知，新型CPS閥的有效流通面積提高。通過(guò)ITKK軟件，測(cè)算出改進(jìn)前52RLX型閥與改進(jìn)后CPS閥的關(guān)鍵數(shù)據(jù)（表1）。

圖4 閥片型面密封形式

圖5 改進(jìn)前后流通面積曲線

表1 改進(jìn)前后氣閥參數(shù)對(duì)比

3.3 彈簧載荷優(yōu)化

針對(duì)彈簧的延遲關(guān)閉問(wèn)題，對(duì)彈簧力進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，改進(jìn)后的動(dòng)態(tài)模擬見(jiàn)圖6。從圖6可知，改進(jìn)后氣閥不存在延遲關(guān)閉現(xiàn)象，因閥片未到達(dá)閥座密封面時(shí)被高壓氣體強(qiáng)制推動(dòng)沖擊閥座的概率降低、撞擊力減小，也降低了閥片斷裂的概率。

4 實(shí)驗(yàn)對(duì)比

針對(duì)CFA34空氣機(jī)開(kāi)展開(kāi)機(jī)運(yùn)行實(shí)驗(yàn)（其他任何硬件及工況不變），觀測(cè)二級(jí)排氣壓力與排氣溫度情況和三級(jí)進(jìn)氣閥壽命情況，得到圖7、圖8的實(shí)驗(yàn)結(jié)果。

從圖7可看出，二級(jí)排氣壓力較改造前下降了5.2%，壓力超壓現(xiàn)象得到有效緩解，設(shè)備連續(xù)運(yùn)行的穩(wěn)定性提高，證明三級(jí)排氣閥密封性能有所提升。從圖8可知，改進(jìn)后氣閥的使用壽命大幅提高，設(shè)備故障率和維護(hù)成本降低。

圖6 改進(jìn)后彈簧動(dòng)態(tài)模擬圖

圖7 改進(jìn)前后二級(jí)排氣壓力對(duì)比

5 結(jié)束語(yǔ)

圖8 改進(jìn)前后三級(jí)進(jìn)氣閥使用壽命對(duì)比

針對(duì)CFA34空壓機(jī)三級(jí)進(jìn)氣閥故障率高的問(wèn)題，通過(guò)理論分析及數(shù)值計(jì)算，從采用新型PEEK材料、更換密封形式、優(yōu)化彈簧性能等方面對(duì)氣閥進(jìn)行改進(jìn)和設(shè)計(jì)，提高了氣閥的使用壽命，有效緩解了二級(jí)排氣壓力超壓?jiǎn)栴}，生產(chǎn)成本降低。由于系統(tǒng)內(nèi)的高含油量、碳鋼管道有銹渣等原因，氣閥壽命短于常規(guī)轉(zhuǎn)速往復(fù)活塞空壓機(jī)的壽命，因此提高氣閥壽命是未來(lái)的研究方向。

［1］曾憲山.氣閥在活塞壓縮機(jī)上的應(yīng)用［J］.技術(shù)與市場(chǎng)，2011，18（7）：81.

［2］林梅，吳業(yè)正，吳丹青.壓縮機(jī)環(huán)狀閥原理［M］.北京：化學(xué)工業(yè)出版社，1982.

［3］王德忠，邢萬(wàn)坤.活塞壓縮機(jī)氣閥損壞原因分析［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2008（5）：40-43.

［4］賀運(yùn)初，孫屬愷，潘樹林.氣閥對(duì)往復(fù)壓縮機(jī)主要性能的影響分析［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2010（6）：5-7.

［5］賀運(yùn)初，潘樹林，鄒鶴.閥片材料為聚醚醚酮的壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)與應(yīng)用［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2011（3）：21-24.

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〔編輯 吳建卿〕