基于氣動(dòng)閥的高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)分析

金麗瓊，毛京兵，邢志勝，張志恒，張成彥

(合肥通用機(jī)械研究院有限公司，安徽 合肥 230031)

高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)正常工作是保證其穩(wěn)定工作的前提，因此在高壓空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)占有重要的位置。如果排污系統(tǒng)不能夠及時(shí)排污，壓縮空氣中含有的油或雜質(zhì)有可能會(huì)使氣閥產(chǎn)生積碳，嚴(yán)重時(shí)會(huì)產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，最終導(dǎo)致壓縮機(jī)故障，甚至有著火或爆炸的危險(xiǎn)，因此，針對(duì)高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的研究、分析引起了不少學(xué)者的關(guān)注。李奇等分析了高壓壓縮機(jī)排污過程壓縮機(jī)負(fù)荷的變化特性，提出了在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中排污系統(tǒng)的重要作用以及排污系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，總結(jié)了排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理論。梁璞玉設(shè)計(jì)了氣動(dòng)閥來代替高壓級(jí)的電磁閥，解決了高壓級(jí)油污水的排放問題。繆忠輝等介紹了高壓空壓機(jī)油污分離收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)效果，并例證了具體的移動(dòng)站、空壓站排污收集裝置應(yīng)用情況。王慶豐等針對(duì)公司空壓站排污系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行分析，并詳細(xì)闡述了排污系統(tǒng)的改造原理和措施。目前，高壓空氣壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)通常采用4 種方式。一是手動(dòng)截止閥排污；二是低壓級(jí)的排污利用疏水閥，高壓級(jí)的排污利用手動(dòng)截止閥；三是利用電磁閥排污；四是低壓級(jí)(排氣壓力一般小于6MPa)排污利用電磁閥，高壓級(jí)排污則利用氣動(dòng)閥。電磁閥排污自動(dòng)化程度較高，但其價(jià)格較為昂貴；氣動(dòng)閥排污穩(wěn)定可靠，但通常用于高壓環(huán)境?；谏鲜霰容^分析，本文選用電磁閥與氣動(dòng)閥聯(lián)動(dòng)方式進(jìn)行排污處理，在空壓機(jī)低壓級(jí)配置電磁閥排污系統(tǒng)，高壓級(jí)配置氣動(dòng)閥排污系統(tǒng)。

1 排污系統(tǒng)描述

高壓空氣壓縮機(jī)常規(guī)的排污控制單元主要分為兩類，一類是利用手動(dòng)方式進(jìn)行排污的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)操作簡單，且性能可靠，但通常均會(huì)涉及到多級(jí)壓縮，各級(jí)排污較繁瑣，特別是高壓下手動(dòng)排污時(shí)不可避免的存在一定風(fēng)險(xiǎn)，并且常常伴隨有較大的勞動(dòng)強(qiáng)度；一類是利用自動(dòng)方式進(jìn)行排污的結(jié)構(gòu)，電磁閥或氣動(dòng)閥在這類結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用一定程度上提高了排污系統(tǒng)的安全性和自動(dòng)化水平。目前，高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)多采用前述兩類控制單元通過不同組合實(shí)現(xiàn)排污，以保證高壓空氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

以某型號(hào)五級(jí)高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)為例，如圖1 所示，前面三級(jí)采用手動(dòng)閥和電磁閥排污，第IV 級(jí)和第V 采用手動(dòng)閥和氣動(dòng)閥排污，為了防止排污噴濺現(xiàn)象，降低高壓級(jí)排污產(chǎn)生的噪聲，保護(hù)環(huán)境，通常采用集污器將各級(jí)的排

污物通過各自的排污管進(jìn)行收集，再統(tǒng)一利用總管將其排放到安全地方。值得注意的是，在各級(jí)自動(dòng)排污閥前均串聯(lián)有1 個(gè)備用截止閥，在系統(tǒng)正常工作時(shí)，截止閥處于全開狀態(tài)，自動(dòng)閥失靈時(shí)，可以應(yīng)用手動(dòng)截止閥進(jìn)行人工排污。

圖1 典型高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)

2 排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

以圖1 所示排污系統(tǒng)為例，第I、II 級(jí)采用電磁閥直接排污，III 級(jí)、IV 級(jí)、V 級(jí)采用電磁閥和氣動(dòng)閥進(jìn)行排污，通過PLC 控制各級(jí)排污閥的開啟和關(guān)閉，排污的間隔和各排污閥開啟時(shí)間均依據(jù)季節(jié)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)排污系統(tǒng)的自動(dòng)控制，其中氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注。

2.1 氣動(dòng)閥的設(shè)計(jì)

氣動(dòng)閥的典型結(jié)構(gòu)如圖2 所示，氣動(dòng)閥主要由閥體、閥芯、閥座、升程限制器、密封圈和連接件組成。其工作原理是利用閥芯相對(duì)于閥體的運(yùn)動(dòng)來控制閥口的通斷及開度的大小，實(shí)現(xiàn)對(duì)介質(zhì)方向、壓力和流量的控制，為便于說明，以圖2 所示氣動(dòng)閥為例，圖2 中高壓氣體P2通過氣動(dòng)閥閥座作用于閥芯的底部，低壓氣體P1從氣動(dòng)閥上端作用于閥芯上部。在壓縮機(jī)正常工作過程中，P1和P2的共同作用使整個(gè)閥體處于密封狀態(tài)；當(dāng)電磁閥控制的低壓級(jí)進(jìn)行排污時(shí)，P1的作用力會(huì)降低，閥芯會(huì)在壓力P2的作用下逐漸脫離閥座而最終實(shí)現(xiàn)排污，在整個(gè)排污過程中，壓力P1和P2會(huì)逐漸降至排污背壓Pb1和Pb2，排污結(jié)束后，低壓級(jí)排污電磁閥會(huì)快速閉合，壓力P1增加，在P1的作用下，閥芯逐漸向閥座方向運(yùn)動(dòng)，直到整個(gè)閥體實(shí)現(xiàn)密封；壓力P2會(huì)迅速增加，P1和P2逐漸恢復(fù)至正常工作狀態(tài)時(shí)的壓力，整個(gè)排污循環(huán)完成，壓縮機(jī)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.2 氣動(dòng)閥力學(xué)分析

氣動(dòng)閥在工作過程中，僅考慮4 個(gè)力對(duì)閥芯的作用，其受力分析情況如圖3示。

圖2 氣動(dòng)閥典型結(jié)構(gòu)

圖3 中，F(xiàn)1為 低壓氣體P1從氣動(dòng)閥頂部作用于閥芯頂端的作用力，F(xiàn)2為高壓氣體P2從氣動(dòng)閥閥座作用于閥芯底部的作用力，F(xiàn)m為閥體和閥芯之間的摩擦力，該摩擦力方向與閥芯運(yùn)動(dòng)的趨勢(shì)相反；G 為閥芯的重力。壓縮機(jī)在工作過程中，排污系統(tǒng)中的氣動(dòng)閥動(dòng)作可劃分為4個(gè)階段：

圖3 閥芯受力分析圖

（1）密封階段，該階段是壓縮機(jī)正常輸氣時(shí)的工作狀態(tài)，且有下列式子成立，即

式中：α 為密封壓力系數(shù)，當(dāng)選用金屬與非金屬之間的密封時(shí)，α值通常取1 ～1.2；當(dāng)選用金屬與金屬之間的密封時(shí)，α 值通常取1.5 ～2。由于閥芯重力G 遠(yuǎn)小于F1，所以可忽略閥芯重力對(duì)系統(tǒng)的影響，式(1)可簡化為：

結(jié)合圖3閥芯受力情況可知：F1=P10D02π/4，F(xiàn)2=P20d02π/4，式(2)可進(jìn)一步改寫為：

式中，D0為低壓氣體P10作用于在閥芯頂端的作用面直徑；d0為閥座通徑。P10和P20分別為低壓和高壓級(jí)正常工作(非排污)時(shí)的工作壓力，式(3)即為氣動(dòng)閥密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓力的關(guān)系。

（2）氣動(dòng)閥開啟過程階段，該過程中，低壓級(jí)的壓力作為聯(lián)動(dòng)氣動(dòng)閥工作的壓力源，即低壓級(jí)壓力控制高壓級(jí)氣動(dòng)閥的開啟，此時(shí)有下式成立，即

經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式(3)可簡化為以下經(jīng)驗(yàn)公式，即

結(jié)合圖3 的閥芯受力情況，同時(shí)考慮閥芯所承受的壓力，式(4)可進(jìn)一步改寫為：

值得注意的是，當(dāng)0.833×(d0/D0)2·P20＜P1＜P10，低壓級(jí)排污系統(tǒng)電磁閥打開開始排污時(shí)，高壓級(jí)排污系統(tǒng)的氣動(dòng)閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng)P1接近或等于0.833×(d0/D0)2·P20時(shí)，氣動(dòng)閥才開啟。

（3）氣動(dòng)閥完全開啟階段，此時(shí)有下式成立，即

經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式(8)可簡化為以下經(jīng)驗(yàn)公式，即

氣動(dòng)閥在完全開啟后，P1和P2分別等于排污背壓Pb1和Pb2，結(jié)合圖3 的閥芯受力情況，考慮閥芯所受的壓力，式(9)可進(jìn)一步改寫為：

（4）氣動(dòng)閥關(guān)閉過程階段，此時(shí)有下式成立，即

經(jīng)多次現(xiàn)場試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式(9)可簡化為以下經(jīng)驗(yàn)公式，即：F1≥3F2(11)

在低壓級(jí)電磁閥和氣動(dòng)閥均未關(guān)閉前，P1和P2分別等于排污背壓Pb1和Pb2；低壓級(jí)電磁閥關(guān)閉，高壓氣動(dòng)閥未關(guān)閉前，P1逐增加且高于背壓Pb1，P2則等于排污背壓Pb2，結(jié)合圖3 的閥芯受力情況，同時(shí)考慮閥芯所承受的壓力，式(11)可進(jìn)一步改寫為：

值得注意的是，當(dāng)Pb1＜P1＜3·(d0/D0)2·Pb2時(shí)，低壓級(jí)排污系統(tǒng)電磁閥已開始關(guān)閉，但高壓級(jí)排污系統(tǒng)氣動(dòng)閥仍未關(guān)閉；只有當(dāng)P1接近或等于3·(d0/D0)2·Pb2時(shí)，高壓氣動(dòng)閥才開始關(guān)閉。從上述對(duì)電磁閥及氣動(dòng)閥排污過程的介紹及分析可以知道，要實(shí)現(xiàn)高壓空氣壓縮機(jī)正常排氣工作，并且實(shí)現(xiàn)排污正常，上面推導(dǎo)的式(3)、式(6)和式(12)須滿足，這三式分別保證了氣動(dòng)閥密封、開啟及關(guān)閉等工作，這三式反映了氣動(dòng)閥工作壓力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。已知排污系統(tǒng)的工作壓力，可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)；同理，已知?dú)鈩?dòng)閥的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可核驗(yàn)氣動(dòng)閥的工作壓力、開啟壓力和關(guān)閉壓力，以確定氣動(dòng)閥用于高壓排污系統(tǒng)的合理性。

3 設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)以某型船用高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)為例，所述高壓空氣壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)運(yùn)行及排污工作參數(shù)如表1 所示，其低壓級(jí)的I 級(jí)、II 級(jí)和III 級(jí)均采用PLC 控制的電磁閥進(jìn)行排污，高壓級(jí)的IV 級(jí)則利用氣動(dòng)閥的方式進(jìn)行排污。

表1 某型高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)運(yùn)行和排污工作情況

基于上述參數(shù)的排污系統(tǒng)經(jīng)過可靠性和耐久性試驗(yàn)，均能達(dá)到GB12929-2008 船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)中的相關(guān)要求。目前，上述排污系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多種型號(hào)的船用高壓空氣壓縮機(jī)組的排污系統(tǒng)中，且經(jīng)長期續(xù)航試驗(yàn)，排污系統(tǒng)動(dòng)作靈敏，工作可靠，且壓縮機(jī)工作正常，能實(shí)現(xiàn)逐級(jí)聯(lián)動(dòng)，有序排污，值得推廣應(yīng)用。

4 結(jié)語

（1）高壓空壓機(jī)的排污系統(tǒng)中，低壓級(jí)排污電磁閥的選擇要合理，這關(guān)系到其自身工作的可靠性，還關(guān)系到聯(lián)動(dòng)高壓氣動(dòng)閥工作的可靠性，因此在設(shè)計(jì)時(shí)，要同時(shí)考慮氣動(dòng)閥和電磁閥設(shè)計(jì)的合理性。

（2）在高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)中，高壓級(jí)采用氣動(dòng)閥排污可增加排污系統(tǒng)的靈敏性，可根據(jù)壓力及排污需求，調(diào)整氣動(dòng)閥的相關(guān)參數(shù)，即可用于不同壓力及排量的高壓空氣壓縮機(jī)組中，使其適用范圍更加廣泛。

（3）低壓級(jí)采用電磁閥排污，高壓級(jí)采用氣動(dòng)閥排污可有效解決高壓排污的可靠性問題。