往復(fù)式壓縮機自動氣閥動態(tài)建模與分析

鄭靈杰

摘 要：往復(fù)壓縮機氣閥的設(shè)計對其可靠性影響很大，為了使氣閥設(shè)計達到穩(wěn)定的密封特性，有必要在設(shè)計時考慮其所有的影響因素。本文通過建立并簡化通用氣閥的數(shù)學(xué)模型，對影響壓縮機氣閥的工作性能的因素進行動態(tài)仿真。仿真結(jié)果表明該模型簡單且易于計算，可對氣閥的基本參數(shù)進行預(yù)測和描述，可用于檢驗影響氣閥性能的關(guān)鍵因素。

關(guān)鍵詞：往復(fù)壓縮機；氣閥；動態(tài)建模；仿真；預(yù)測

中圖分類號：TH16；TB652 文獻標(biāo)識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0028-02

1 引言

往復(fù)式壓縮機是一種廣泛應(yīng)用于各種工業(yè)和運輸行業(yè)的設(shè)備，并發(fā)揮著至關(guān)重要的作用。特別是對于一些需要獲得壓縮氣體或產(chǎn)生低密度氣體的應(yīng)用，壓縮機的高可靠性使其成為整個機組安全性和實用性的關(guān)鍵。最近進行的一項工業(yè)調(diào)查明確指出[1]，壓縮機氣閥是因壓縮機故障而發(fā)生生產(chǎn)流程中斷的主要原因，因此而產(chǎn)生的停機成本對企業(yè)的生產(chǎn)造成嚴重影響。此外，氣閥故障最常見的原因是工作過程中受高沖擊速度，磨損或應(yīng)用環(huán)境。為此，在氣閥設(shè)計時適當(dāng)考慮這些影響因素是非常必要的。

目前，往復(fù)式壓縮機主要配備自動氣閥，由氣閥前后的壓差驅(qū)動。因此，為了預(yù)測氣閥的工作性能，需要研究其在整個壓縮機循環(huán)過程中的狀況。理論上對氣閥工作性能的分析可采用兩種方法，一種是基于CFD軟件進行，另一種是利用簡化分析模型[2]。利用CFD可以提供非常精確的分析結(jié)果，但同時由于閥體結(jié)構(gòu)的復(fù)雜性及工作環(huán)境的影響，對氣閥工作過程的分析需要進行復(fù)雜的網(wǎng)格創(chuàng)建和大量的模型運算。而在氣閥的早期開發(fā)階段，使用簡化模型即可進行快速，準確地對氣閥行為進行預(yù)測。本文建立往復(fù)壓縮機氣閥的簡化模型，描述了影響氣閥工作的諸多影響因素，并對氣閥的工作行為進行了分析。

2 壓縮機和氣閥物理模型

圖1所示為一個單缸及單作用壓縮機模型，用于對氣閥工作特性進行預(yù)測。該模型包括曲軸連桿機構(gòu)的運動學(xué)模型，壓縮機缸體，氣閥經(jīng)管道系統(tǒng)與吸氣和排氣增壓室相連。

不失其一般性，該模型包括了普通壓縮機完整的主要構(gòu)成部分，可完整的應(yīng)用于對氣閥動態(tài)特性和壓縮機性能的分析。壓縮機氣閥的基本結(jié)構(gòu)如圖2所示，由可移動的密封元件和閥座組成，密封元件兩側(cè)產(chǎn)生的力壓差可驅(qū)動閥門開關(guān)動作。在閥板上安裝驅(qū)動的執(zhí)行元件——質(zhì)量彈簧系統(tǒng)。

3 氣閥數(shù)學(xué)模型的建立與仿真

3.1 氣閥數(shù)學(xué)模型的建立

在建立氣閥的數(shù)學(xué)模型之前，需要對氣閥的動態(tài)工作條件進行一定的簡化，以避免在數(shù)值計算時時間變量的數(shù)值相關(guān)性。如圖3所示，假設(shè)如下：

（1）壓縮機的工作介質(zhì)為理想氣體；（2）執(zhí)行元件為只具有一個自由度的質(zhì)量彈簧系統(tǒng)；（3）單氣缸工作，通過氣閥的流量穩(wěn)定；

由于通過氣閥的流動介質(zhì)的復(fù)雜性，不能直接分析介質(zhì)流量。因此，通過氣閥的介質(zhì)流量在計算時經(jīng)常被當(dāng)作不可壓縮流量通過管道，其模型如下所示：

3.2 各參數(shù)的計算

根據(jù)牛頓第二定律，通常氣閥的動力學(xué)模型可表達為：

其中表示運動介質(zhì)質(zhì)量，x表示閥板距離閥座的距離，表示氣體力，表示介質(zhì)摩擦力，表示彈簧彈力。

方程2中的質(zhì)量應(yīng)包括閥板質(zhì)量、彈簧的質(zhì)量和閥板偏轉(zhuǎn)時周圍的介質(zhì)質(zhì)量。然而，由于工作介質(zhì)的密度較低，且遠小于彈簧及閥板本身的質(zhì)量，因此可將其忽略，系統(tǒng)質(zhì)量可以表達為：

4 分析

將上述公式帶入方程1和2，設(shè)壓縮機氣缸直徑為150mm，總行程為100mm，壓縮介質(zhì)的進出口壓力分別為1pa和3pa，吸氣閥與排氣閥的閥板直徑分別為36mm和38mm，壓縮機轉(zhuǎn)速為340轉(zhuǎn)/分，用matlab進行仿真可得到曲柄作圓周運動過程中閥板運動與壓力，如圖4所示。

由于模型進行了簡化，相對于實際壓縮機氣閥動態(tài)性能，該結(jié)果有一定的誤差，但氣閥運動與壓力之間的對應(yīng)關(guān)系與真實情況是對應(yīng)的。

5 結(jié)語

本文提出了一種用于往復(fù)式壓縮機及其氣閥的簡化數(shù)學(xué)模型，相對于CFD法該模型雖在模型的完整性有一定的局限性，但由于建模簡單，易于計算，且可對氣閥的基本參數(shù)進行預(yù)測和描述，在壓縮機及氣閥的功能設(shè)計中可用于檢驗影響氣閥性能的關(guān)鍵因素，對壓縮機關(guān)鍵部件的設(shè)計與仿真具有重要參考價值。

參考文獻

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