隔膜壓縮機缸蓋熱力耦合分析及結構優(yōu)化

摘 要：氫燃料電池加氫站使用的隔膜壓縮機是實現(xiàn)氫氣安全儲存與運輸?shù)暮诵脑O備之一，鑒于此，針對隔膜壓縮機運行時缸蓋易出現(xiàn)失效的問題進行了深入研究。首先，在正常工況下對缸蓋進行受力分析，并應用有限元軟件進行溫度場和靜力分析，探討缸蓋的失效機制；然后，在此基礎上提出一種新型缸蓋結構，優(yōu)化后的設計采用新的排氣孔結構和冷卻水道，與原有結構相比，該結構有效降低了溫度和應力集中，提高了隔膜壓縮機的工作可靠性，延長了其使用壽命，為隔膜壓縮機的優(yōu)化設計提供了科學依據(jù)。

關鍵詞：隔膜式壓縮機；缸蓋；熱力耦合；結構優(yōu)化

中圖分類號：TH45；TK91" " 文獻標志碼：A" " 文章編號：1671-0797（2025）07-0060-04

DOI：10.19514/j.cnki.cn32-1628/tm.2025.07.015

0" " 引言

氫燃料電池汽車作為環(huán)保車輛的一種替代方案，是解決當前環(huán)境污染問題的有效途徑之一。氫燃料電池加氫站是保障氫燃料電池汽車運行的基礎設施，在加氫站系統(tǒng)中，隔膜壓縮機是實現(xiàn)氫氣安全儲存與運輸?shù)暮诵脑O備之一。因此，提高隔膜壓縮機穩(wěn)定性和效率是解決氫燃料電池汽車商業(yè)化受限問題的重要手段。

在隔膜壓縮機運行過程中，由于結構限制，隔膜腔排氣孔內高溫和高工作壓力產(chǎn)生的應力水平較高[1]。隔膜腔體的復雜結構導致其工作時易發(fā)生塑性變形，在運行氫氣介質時會導致氫脆，嚴重影響缸蓋的強度和工作壽命，所以對缸蓋進行分析優(yōu)化非常有必要。國內外學者對隔膜壓縮機結構的優(yōu)化非常重視。劉佳等[2]采用自增強處理分析方法提高了超高壓隔膜壓縮機的承載能力。毛文敏等[3]基于ANSYS綜合靜力學、熱力學對35 MPa超高壓壓縮機氣缸進行了結構有限元計算與分析，得到了氣缸受動態(tài)應力作用的動態(tài)變化規(guī)律。曾健等[4]通過有限元計算為高壓氣缸零件配合提出了合理方案。蔡維新等[5]對往復壓縮機進氣閥閥蓋螺栓斷裂失效的原因進行了分析，并對螺栓的疲勞壽命進行了預測。白剛等[6]采用有限元方法對不同工況下氣缸蓋連接螺栓的應力分布進行了仿真，得到了動態(tài)壓差下螺栓應力的周期變化。以往的研究和案例表明，過大的徑向應力是造成隔膜失效的根本原因，但對隔膜壓氣機隔膜腔空腔廓形的應力產(chǎn)生機理研究甚少。

本文以某型號隔膜壓縮機隔膜腔缸蓋為研究對象，基于隔膜壓縮機的工作原理，分析缸蓋在工作過程中的受力，對缸蓋進行熱力和靜力分析，確定其失效原因，最后對隔膜壓縮機缸蓋進行優(yōu)化。

1" " 缸蓋的建模與受力分析

隔膜壓縮機的工作原理是通過隔膜腔中隔膜的往復運動來壓縮氣體，由于隔膜的存在，氣體不直接與活塞接觸，可實現(xiàn)無油壓縮。

1.1" " 設計參數(shù)的確定

隔膜腔缸蓋是隔膜壓縮機重要的組成部分，因為氣體壓縮過程中，缸蓋必須承受高壓氣體壓力的周期性變化和溫度變化，特別是在高溫和高壓條件下，局部應力集中尤為明顯，這進一步加劇了缸蓋的失效風險。

為了更詳細地分析這一問題，本文采用有限元方法對缸蓋進行數(shù)值模擬。某型號隔膜壓縮機主要參數(shù)如表1所示。

1.2" " 缸蓋建模與受力分析

隔膜機缸蓋的結構建模如圖1所示，現(xiàn)對正常工況下的缸蓋及隔膜腔進行受力分析，并對邊界條件進行確定。缸蓋受氣體通道及隔膜腔內的氣體壓力；與缸體接觸，受缸體施加的作用力；四周采用螺栓連接，受連接的緊固力作用。

對缸蓋模型進行網(wǎng)格劃分，選擇網(wǎng)格的類型為正六面體和正四面體結構，最終得到節(jié)點數(shù)77 132個，單元個數(shù)為44 313個。缸蓋材料選擇3Cr13，彈性模量1.9×1011 N/m2，泊松比0.3。為綜合考慮多種因素對缸蓋強度的影響，擬進行熱固耦合條件下的強度計算、模態(tài)計算。

2" " 模擬結果與分析

首先進行熱力學分析，缸蓋中間兩個氣流通道的溫度為298 ℃，而周圍的空氣溫度為22 ℃，建立邊界約束條件，計算結果如圖2所示，內側氣體管道的溫度最高，周圍溫度較低，符合物理規(guī)律。

在熱力學分析的基礎上，將溫度場導入靜力學分析模塊中，進行強度分析，對缸蓋的周面進行固定約束并對氣體管道施加應力。分析結果如圖3～5所示。

仿真結果表明，位移最大處在氣體管道進出口位置，但最大位移僅有0.000 2 m，相對較小；在周圍的螺栓孔處及氣體管道處應力應變較大。在高壓隔膜壓縮機的運行過程中，排氣孔處的溫度最高，由于結構的限制，排氣孔處的熱應力可能會達到較高水平，從而導致腔體表面發(fā)生塑性變形。在壓縮機運行過程中，高工作壓力和高排氣溫度都會影響缸蓋的強度，其中高溫的影響更大，導致排氣孔中的應力集中較大。經(jīng)計算，應變最大值為0.006 m，應力最大值為722 MPa，大于材料的屈服強度要求，因此將發(fā)生屈服變形，影響缸蓋結構的壽命。綜上所述，該結構受溫度影響較大，熱變形較大。

3" " 缸蓋的結構優(yōu)化

基于以上分析結果，對缸蓋的結構進行優(yōu)化，將原本直接加工于腔體中心的排氣孔改為獨立的排氣孔結構，并將其與排氣閥相連。新型排氣孔結構外徑略小于原排氣孔徑（小1 mm），以減少該區(qū)域的應力集中現(xiàn)象。同時考慮到溫度對缸蓋應力的影響，在缸蓋中加入了冷卻水道。這些水道呈五角星狀分布，貫穿整個缸蓋結構，從而有效降低了缸蓋的工作溫度。冷卻水的溫度設定為25 ℃，以確保最佳的冷卻效果。優(yōu)化前后缸蓋結構如圖6所示。

優(yōu)化設計后，再次進行有限元分析驗證，仿真結果如圖7～10所示。

在其他結構參數(shù)不變的情況下，與圖2～5對比，仿真結果顯示，新的排氣孔結構顯著降低了原有高應力區(qū)的應力水平，而加入的冷卻水道則有效控制了溫度，進一步減少了熱應力。優(yōu)化后的缸蓋不僅提高了結構的整體強度，還延長了使用壽命，使得隔膜壓縮機能夠在更惡劣的工作條件下穩(wěn)定運行。

4" " 結束語

隔膜式壓縮機被用來處理一些高純度的氣體，在石油、能源、環(huán)保等多個領域都有廣泛的應用。制氫用隔膜壓縮機的缸蓋因氣體作用易發(fā)生熱應力集中情況，嚴重影響了隔膜壓縮機的使用。為此，本文分析了隔膜壓縮機缸蓋的失效形式，并對缸蓋結構進行了優(yōu)化。

基于隔膜壓縮機的工作原理，通過熱固耦合分析，可知高壓力和高溫度是導致缸蓋結構失效的主要原因，由此明確了缸蓋結構優(yōu)化方向。優(yōu)化后的缸蓋加入冷卻水道結構，能有效降低溫度，以減少缸蓋所受熱應力，從而減輕隔膜壓縮機介質泄漏造成的危害。該方法為壓縮機結構優(yōu)化設計提供了一種有效的參考。

[參考文獻]

[1] 曹家維，巴鵬，白皓元，等.基于溫度場的隔膜壓縮機氣缸的結構優(yōu)化[J].壓縮機技術，2024（4）：42-46.

[2] 劉佳，黃雪強，高秀峰.超高壓壓縮機氣缸自增強處理的優(yōu)化設計[J].壓縮機技術，2014（2）：1-4.

[3] 毛文敏.超高壓天然氣壓縮機氣缸有限元研究[D].武漢：華中科技大學，2018.

[4] 曾健，楊金，肖強，等.往復壓縮機高壓氣缸應力有限元分析[J].壓縮機技術，2017（3）：25-28.

[5] 蔡維新.潤滑油加氫裝置壓縮機氣閥蓋螺栓斷裂失效分析[D].武漢：武漢工程大學，2017.

[6] 白剛，尚浩田，王楓.壓縮機氣缸蓋聯(lián)接螺栓的有限元分析[J].流體機械，2017，45（4）：22-27.

收稿日期：2024-12-16

作者簡介：巴和平（1989—），男，遼寧沈陽人，高級工程師，研究方向：機械制造及自動化。