防止舌簧閥片斷裂的研究和節(jié)能型氣閥的開發(fā)

顧曉寧，顧余舜

（南京尚愛機械制造有限公司，江蘇南京 210000）

1 引言

氣閥是壓縮機的重要部件，其性能直接影壓縮機的可靠性與經(jīng)濟性，素有壓縮機心臟之稱。閥片是氣閥的啟閉元件，其品質(zhì)決定了氣閥的性能。在種類繁多的閥片中，條形舌簧閥片與彈簧合為一體，結(jié)構(gòu)最簡單，動態(tài)特性最好，響應速度最快，節(jié)能效果優(yōu)良，但是容易斷裂的問題，在業(yè)內(nèi)幾乎形成共識。因此，舌簧閥片多見于微型壓縮機，或小型角度式壓縮機的一級吸氣閥。然而，這種閥片的優(yōu)勢很誘人，如能克服易斷裂的問題，對研制節(jié)能型氣閥，提升小型角度式壓縮機的技術(shù)性能，意義重大。為此，廣泛收集斷裂的各種舌簧閥片進行分類、觀察、分析、研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，舌簧閥片斷裂的成因，除了材質(zhì)和制作工藝有缺陷外，大多與設計不當有關。在弄清了舌簧閥片各種斷成因的基礎上，總結(jié)出“舌簧閥片防斷裂設準則”并用于新型氣閥的研發(fā)，設計成功節(jié)能、長壽命氣閥。進一步將這種新型氣閥用于小型角度式壓縮機，使壓縮機的技術(shù)性能大幅度提升。

2 舌簧閥片斷裂的成因

（1）閥片升程高度H與閥片長度L的取值對閥片根部的彎曲應力有直接影響。閥片工作時根部的彎曲應力最大。當舌簧閥片的長度L值確定后，H值越大則根部的彎曲變形越大，彎曲應力也越大。舌簧閥根部的彎曲變形程度，用相對升程h=H/L表示。收集的斷裂閥片中，凡從根部斷裂的閥片大多L較短，雖然絕對升程H看似不大，但相對升程h較大。試驗與長期運行實踐證明，相對升程h取值在0.025～0.03范圍內(nèi)，可大大降低閥片根部斷裂的幾率。

（2）升程限位的結(jié)構(gòu)設計不當。例如，吸氣閥片利用氣缸內(nèi)孔邊緣上銑出的缺口限制舌簧閥片自由端的升程，而閥片中段無限位依托的結(jié)構(gòu)在微型、小型壓縮機上較為多見。通常吸氣閥片厚度較薄，中部自由升起呈凸起的弧形；使根部彎曲變形過度，彎曲應力過大，斷裂的幾率特別高。

（3）閥板通流孔形狀與面積大小設計不當，導致閥片失效。收集的失效閥片，都有一個共同的特征，閥片與閥板接觸的平面上有灰白色帶狀圖形，其形狀與閥板的通流孔吻合。其中有一個奇怪的失效吸氣閥片，見圖1。此閥片是一臺國產(chǎn)W-1.6/10風冷空氣壓縮機2個直徑130 mm一級氣缸的吸氣閥片。閥片平面上有一個破損的圓形孔洞，邊緣裂開和4個白色圓圈形狀斑痕，都與閥板上對應的通流孔吻合。用放大鏡觀察白色圓圈，是一群微小凹坑。這是閥片在氣流的推力、閥片的彈力與閥片運動沖擊能量相結(jié)合作用下與閥板撞擊瞬間，閥片在閥孔中產(chǎn)生類似球面凸起的微量變形，與閥板通流孔邊緣處形成的局部接觸，產(chǎn)生峰值接觸應力，致使閥片局部材料發(fā)生的疲勞性點蝕。疲勞性點蝕進一步深入，導致閥片損壞。顯然，設計者希望降低閥隙流速，也不希望加大閥片升程H，因此采用了較大直徑的閥孔，因為是吸氣閥片，其厚度設計得較薄;這使閥片在閥孔面積內(nèi)的微量變形增大。由于接觸處位于閥孔口邊緣，近似一圈線，面積很小，故局部峰值應力很高，致使閥片對應表面產(chǎn)生局部疲勞性點蝕。圖1上的灰白色圓圈，就是點蝕凹坑群，在放大鏡下觀察清晰可見。舌簧閥片的此類失效原因，至今鮮為人知。筆者在不少故障率較高的小型機上都發(fā)現(xiàn)類似的設計缺陷，只是程度不同而已。

（4）自由升程模式不可取。所謂自由升程，就是取消升程限位器，閥片升程處于自由狀況態(tài)。這種設計極為罕見，筆者只見過一臺，是3 m3/min，二級壓縮，額定輸出壓力1.0 MPa，而且是進口著名品牌。為增大吸氣量，該機一級吸氣采用條狀舌簧閥片，自由升程，閥片有長有短（最短僅43 mm，與一般的舌簧閥片相比，均偏短），呈扇形分布；一級排氣閥采用環(huán)狀閥片。該機吸氣舌簧閥片工作壽命很短，平均工作壽命不超過360 h，即一班制工作不超過一個月，均從根部斷裂。這是因為自由升程的簧片，在氣吸氣流推開簧片時，簧片的自由端產(chǎn)生不穩(wěn)定顫振。由于氣流的流速是變化的，一旦掃描到共振頻率將引發(fā)共振。這時簧片的振幅大增，根部彎曲應力增大，導致根部疲勞斷裂。

圖1 舌簧閥片失效、在閥板通流孔內(nèi)變形示意圖

（5）舌簧閥片的制造工藝有缺陷導致簧片斷裂。收集的斷裂舌簧片中，有一類斷裂的部位具有一定的隨機性，但多發(fā)生在閥片中段至懸伸端。仔細觀察研究發(fā)現(xiàn)，其斷裂的原因與閥片邊緣缺陷有關。閥片在沖裁時邊緣產(chǎn)生撕裂缺口，后繼的振動光蝕處理不能完全消除較大的缺口，工作中在缺口處形成應力集中，產(chǎn)生裂紋并逐步擴大導致閥片沿缺口處斷裂。由于閥片工作中與升程限位板及閥板撞擊能量較大的部位，主要在閥片的懸伸端到中段，故此區(qū)段閥片邊緣的缺口對應力集中較為敏感，發(fā)生斷裂幾率高。

（6）閥片的材質(zhì)缺陷造成閥片斷裂。眾所周知，任何一種閥片，如果材質(zhì)有缺陷都會導致早期失效。因此閥片的選材，也是保證閥片工作壽命的重要環(huán)節(jié)。

3 舌簧閥片防斷裂設計準則

上述分析說明，導致舌簧閥片斷裂的原因是多方面，必須在設計時針對性地逐一采取對策加以避免。我們稱之為“舌簧閥片防斷裂設計準則”。要點如下：

（1）控制相對升程h在合理的范圍內(nèi)。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，裝機耐久試驗是最可靠的方。h=H/L=0.025～0.03 就是經(jīng)過長期運行得出的結(jié)果。這使閥片根部彎曲應力控制在安全范圍內(nèi)。

（2）對于在氣缸孔口銑缺口的僅控制閥片端部升程的吸氣閥，設計應注意如下幾點：①僅用于直徑很小的氣缸；②閥片的厚度度不能太??；③盡量采用單個圓形通流孔，慎用長槽形通流孔，因長槽形通流孔靠近氣閥板中部，吸氣流引起閥片中段的弧形凸起增大，在根部形成較大的彎曲應力；④最好設置升程限位板固定于氣閥板下面，復蓋吸氣閥片全長，并在活塞頂對應部位銑出可容納升程限位板的凹槽，氣缸孔口的槽僅用于容納升程限位板。

當然，這增加了結(jié)構(gòu)的復雜性，多見于氣缸直徑較大，閥板通流孔為長槽形的場合。否則，閥片易從根部斷裂。

（3）閥板通流孔的面積大小與形狀和閥片的厚度如果設計不當，也會引起閥片的斷裂。設計時不僅要考慮閥隙流速在合理的范圍內(nèi)，還應考慮閥片閉合時在閥板通流孔內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形也就是在閥閥板通流孔邊緣形成的峰接觸應力最小化。這不僅與閥片厚有關，也與閥板通流孔的面積和形狀有關。如果用6-φ6一組小孔取代單個相等面積的較大孔，經(jīng)計算大孔直徑為φ14.7，大孔的直徑是小孔直徑或槽寬的2.45倍。參看圖2。圖2（a），是直徑14.7圓形孔；圖2（b），為長槽形孔；圖2（c），是6-φ6一組小圓形孔；三者孔的通流面積相等。閥片在閥板通流孔面積內(nèi)的變形，可簡化為受均布載荷的簡支梁。兩支撐點距離越近則變形量越小。顯然，長槽孔的寬度遠小于較大圓孔直徑。因此當閥片借助氣流作用力與自身彈力相結(jié)合拍擊閥板瞬間，閥片在較大圓形孔內(nèi)產(chǎn)生的微量變形遠大于在長槽形形孔內(nèi)的變形。相應地閥片在通流口邊緣形成的峰值接觸應力，前者遠高于后者。圖2（c）是圖2（b）的變形。用一組直徑與槽寬相等小圓孔，取代長槽形孔，不僅工藝成本低，閥隙通流面也能保證，閥片與閥板的總接觸面也有較大增加；同時適當增加閥片的厚度，閥片拍擊閥板時在通流孔面積內(nèi)形成的局部微量變形變得微不足道，閥片與閥孔口邊的峰值接觸應力達到最小化，由此引起的閥片局部疲勞性點蝕現(xiàn)象大大弱化，從而避免了此類斷裂現(xiàn)象。在收集的斷裂舌簧閥片中，這類約占四成，這說明舌簧閥片的這種斷裂的機理鮮為人知。從避免這種斷裂機理出發(fā)，較大的圓形孔效果最差，一組小圓形孔取代單個長槽形孔的效果最好。一組小圓孔用做一個閥片的通流孔，使閥片與閥板接觸面積增大，減輕了接觸應力，有利于延長閥片使用壽命，但要求閥板有較好的平面精度，整機不要竄油，否則產(chǎn)生粘遲效應。即使這樣，只要能克服這種高效的舌簧閥片易斷裂問題都是值得的。何況提高閥板平面精度和解決竄油問題，并非難事。適當增加閥片厚度，雖然對防止閥片斷裂是有利的，但同時增大了閥片的彈力。閥片全開時的彈力Fs與氣流最大推力Fgmax之比值為μ，則有：μ=Fs/Fgmax。Fs的大小應根據(jù)壓縮機轉(zhuǎn)速的高低、氣流最大推力Fgmax的大小和升程的取值等因素來決定。μ值應在合理范圍內(nèi)。首先應滿足：0＜μ＜1。當μ＞1時，閥片不能貼緊升程限位板，導致自由端顫抖，即使不發(fā)生顫抖，較大的彈力也會加大氣閥開啟的阻力，增加能耗；還應滿足μ＞0。當μ值接近0時，簧片的彈力亦接近0。彈力過小則閥片閉合時的遲后效應嚴重，導致容積效率下降，功耗增加。為化解此矛盾，將舌簧閥片設計成具有變剛度特性的組合閥片，如圖3所示。圖3（a）中的一組虛線小孔是閥板上的通流孔。主閥片圖3（b）較厚，根部寬度縮小，具有變截面積，使開啟彈力（Fs）較低，易于打開。圖3（c）彈簧壓片短而薄，有少量預彎曲，使主閥片與閥板表面貼合。組合閥片開啟時彈簧剛度較小，開啟后隨著閥片的升起，彈簧壓片著力，組合彈簧片剛度上升。變剛度組合舌簧閥片具有開啟阻力小、關閉迅速、遲延效應小、懸伸端不易顫抖、能耗低、壽命長等優(yōu)點。試驗證明，μ的取值在0.7～0.8內(nèi)為宜。

圖2 面積相等的3 種不同形狀閥板通流孔

（4）任何情況下都不要采用自由升程的模式。理論與實踐都證明這不可取。

（5）閥片的周邊不允許有任何沖裁殘留痕跡，所有銳邊都應加工成R狀，周邊及R的粗糙度應達到Ra0.8。為此要有相應的工藝措施：

圖3 變剛度組合舌簧閥片

（a）設計小間隙精密沖裁模與模架，沖裁力的中心與導向柱的分布中心重合度好；（b）調(diào)整好沖床的導軌，保持良好的導向精度；（c）及時修磨沖頭的刃口平面，保持模具刃口的鋒利性。否則沖裁下來的閥片，會出現(xiàn)翻邊狀毛刺，這是不允許的；（d）充分的振動光蝕處理（通常要經(jīng)歷48 h），使閥片邊緣的銳邊呈R狀（R約0.05），無任何沖裁殘留的痕跡。

（6）正確選材的重要性眾所周知，無須贅述。瑞典生產(chǎn)的鉻鉬系列專用不銹鋼閥片鋼帶7C27Mo2經(jīng)我公司長期使用證明效果很好。

（7）壓縮機應避免出現(xiàn)結(jié)碳現(xiàn)象。結(jié)碳不僅對舌簧閥片，對其他類型的氣閥的可靠性都是致命性的威脅。而要避免結(jié)碳，就必須克服形成結(jié)碳的物理條件與物質(zhì)基礎：高溫與竄油。因此高效、節(jié)能型、閥頭溫度較低的氣閥是不可或缺的前提。

4 應用“舌簧閥片防斷裂設計準則”

圖4

研發(fā)以舌簧閥片為啟元件的高效節(jié)能型氣閥，是本研究課題的目的。為了節(jié)能和降低閥頭溫度的需要，應盡量降低氣閥的閥隙流速。因為氣流通過閥隙的能量損失，與氣流流速的平方成正比。但是，降低閥隙流速的設計受到結(jié)構(gòu)空間的限制。傳統(tǒng)的回流式氣閥結(jié)構(gòu)，閥片在閥板平面上分布，其數(shù)量受到氣缸孔徑面積的限制，閥板的有效面積利用率低，氣流通過閥隙要有2次近似90°轉(zhuǎn)折、阻力大、能量損耗大、閥頭溫度高。直流式氣閥的閥片在立體空間分布，氣流沿閥片切向近似直線流動，阻力低，閥板有效面利用率高出前者3～5倍。為此，研制多邊形系列管狀直流閥，用于各級吸氣閥成為必要。由于這種直流閥安裝面積利用率高，閥隙通流面積大、流速低、流動阻力小、效率高、能耗低、閥頭溫度低、工作壽命長、氣閥板向活塞的平面上無任何凸起的吸氣閥片，上止點余隙容積小，容積效率高。同時，閥板上平面留有足夠大的面積布置較多的相對升程h合理的回流式舌簧閥片與升程限位板，降低了排氣閥的閥隙流速；吸氣與排氣閥都采用組合變剛度舌簧閥片。參看圖4（a）、（b）、（c）。圖4（a）是氣閥部件的頂視圖，偏離閥板中心的凸起圓形筒是直流式吸氣閥，局部剖開吸氣閥座，可見裝在閥座內(nèi)的10邊形筒狀閥芯，閥芯內(nèi)的導流錐體引導吸氣流從閥筒芯側(cè)壁上的10個斜長條形槽孔推開吸氣閥片，近似直線從閥隙流出；吸氣閥座內(nèi)壁被10個圓缺槽分割成10個弧形邊被銑成條形斜平面與吸氣閥片一一對應，構(gòu)成升程限位。圖4（b）是氣閥部件底視圖，平面上無凸出的吸氣閥片，8組排氣閥孔，均由6個相鄰的小孔組成，與背面的8組排氣閥片及3塊排氣升程限位板相對應。圖4（a）左右2片T形升程限位板及與T形升程限位板垂直分布的覆蓋6組閥片的主升程限位板，共覆蓋8組閥片。圖4（c）是10邊形閥筒芯，設有10個長條形下部斜角與導流錐體一致的槽形吸氣孔，上面復蓋10付組合閥片，每付閥片包含主閥片與彈簧壓片；由于多邊形筒狀閥芯的進氣側(cè)有較大的容積空間，不適用作排氣閥。故這種新型氣閥的排氣閥仍采用回流式結(jié)構(gòu)，進排氣閥片的結(jié)構(gòu)形狀相同，只是排氣閥片厚度略大于吸氣閥片。由于吸氣閥采用了立體空間分布的直流閥，閥板有效面積利用率高，留有足夠的面積布置較多的回流式排氣閥片，其升程小，總的閥隙通流面積大，閥隙流速低。一級吸氣閥的閥隙流速可設計在21～24 m/s范圍內(nèi)，這是傳統(tǒng)的回流式氣閥無法企及的一種高效、節(jié)能、高可靠性氣閥，適應壓力范圍很寬，已系列化定型生產(chǎn)，其多邊形直流閥芯有6、8、10、14邊形4種，可并聯(lián)安裝以滿足較大流量的需要。本公司設計制造的角度式風冷有油潤滑空氣壓縮機，裝機功率7.5～30 kW，壓力范圍從低壓至40.0 MPa高壓，直徑大于等于60 mm氣缸，全部采用上述結(jié)構(gòu)的氣閥，使整機的技術(shù)性能大幅度提升。3種型號的低壓空壓機經(jīng)測試均達到一級能效，在正常情況下氣閥工作壽命大于10000 h。

5 結(jié)語

通過大量收集失效的舌簧閥片，對損壞的不同情況進行分類，分析研究失效的原因，提出防止舌簧閥片斷裂合理設計方案，經(jīng)過裝機耐久運行試驗驗證，最后總結(jié)出“舌簧閥片防斷裂設計準則”并用于節(jié)能型氣閥的開發(fā)，研發(fā)成功以舌簧片為啟閉元件的高效、節(jié)能、長壽命氣閥。進一步將這種新型氣閥用于本公司設計制造的各型風冷卻有油潤滑角度式低、中、高壓空氣壓縮機，大幅度提高了壓縮機的技術(shù)性能。本文重點是研究舌簧閥片斷裂的成因和防止斷裂的設計方法。當然，最終目的是研發(fā)節(jié)能型氣閥以提高壓縮機的性能。由于篇幅所限，對后者未進一步詳細討論。