2.3 往复压缩机气阀和密封
郑灵杰
摘 要：往复压缩机气阀的设计对其可靠性影响很大，为了使气阀设计达到稳定的密封特性，有必要在设计时考虑其所有的影响因素。本文通过建立并简化通用气阀的数学模型，对影响压缩机气阀的工作性能的因素进行动态仿真。仿真结果表明该模型简单且易于计算，可对气阀的基本参数进行预测和描述，可用于检验影响气阀性能的关键因素。
关键词：往复压缩机；气阀；动态建模；仿真；预测
中图分类号：TH16；TB652 文献标识码：A 文章编号：1671-2064（2018）07-0028-02
1 引言
往复式压缩机是一种广泛应用于各种工业和运输行业的设备，并发挥着至关重要的作用。特别是对于一些需要获得压缩气体或产生低密度气体的应用，压缩机的高可靠性使其成为整个机组安全性和实用性的关键。最近进行的一项工业调查明确指出[1]，压缩机气阀是因压缩机故障而发生生产流程中断的主要原因，因此而产生的停机成本对企业的生产造成严重影响。此外，气阀故障最常见的原因是工作过程中受高冲击速度，磨损或应用环境。为此，在气阀设计时适当考虑这些影响因素是非常必要的。
目前，往复式压缩机主要配备自动气阀，由气阀前后的压差驱动。因此，为了预测气阀的工作性能，需要研究其在整个压缩机循环过程中的状况。理论上对气阀工作性能的分析可采用两种方法，一种是基于CFD软件进行，另一种是利用简化分析模型[2]。利用CFD可以提供非常精确的分析结果，但同时由于阀体结构的复杂性及工作环境的影响，对气阀工作过程的分析需要进行复杂的网格创建和大量的模型运算。而在气阀的早期开发阶段，使用简化模型即可进行快速，准确地对气阀行为进行预测。本文建立往复压缩机气阀的简化模型，描述了影响气阀工作的诸多影响因素，并对气阀的工作行为进行了分析。
2 压缩机和气阀物理模型
图1所示为一个单缸及单作用压缩机模型，用于对气阀工作特性进行预测。该模型包括曲轴连杆机构的运动学模型，压缩机缸体，气阀经管道系统与吸气和排气增压室相连。
不失其一般性，该模型包括了普通压缩机完整的主要构成部分，可完整的应用于对气阀动态特性和压缩机性能的分析。压缩机气阀的基本结构如图2所示，由可移动的密封元件和阀座组成，密封元件两侧产生的力压差可驱动阀门开关动作。在阀板上安装驱动的执行元件——质量弹簧系统。
3 气阀数学模型的建立与仿真
3.1 气阀数学模型的建立
在建立气阀的数学模型之前，需要对气阀的动态工作条件进行一定的简化，以避免在数值计算时时间变量的数值相关性。如图3所示，假设如下：
（1）压缩机的工作介质为理想气体；（2）执行元件为只具有一个自由度的质量弹簧系统；（3）单气缸工作，通过气阀的流量稳定；
由于通过气阀的流动介质的复杂性，不能直接分析介质流量。因此，通过气阀的介质流量在计算时经常被当作不可压缩流量通过管道，其模型如下所示：
3.2 各参数的计算
根据牛顿第二定律，通常气阀的动力学模型可表达为：
其中表示运动介质质量，x表示阀板距离阀座的距离，表示气体力，表示介质摩擦力，表示弹簧弹力。
方程2中的质量应包括阀板质量、弹簧的质量和阀板偏转时周围的介质质量。然而，由于工作介质的密度较低，且远小于弹簧及阀板本身的质量，因此可将其忽略，系统质量可以表达为：
4 分析
将上述公式带入方程1和2，设压缩机气缸直径为150mm，总行程为100mm，压缩介质的进出口压力分别为1pa和3pa，吸气阀与排气阀的阀板直径分别为36mm和38mm，压缩机转速为340转/分，用matlab进行仿真可得到曲柄作圆周运动过程中阀板运动与压力，如图4所示。
由于模型进行了简化，相对于实际压缩机气阀动态性能，该结果有一定的误差，但气阀运动与压力之间的对应关系与真实情况是对应的。
5 结语
本文提出了一种用于往复式压缩机及其气阀的简化数学模型，相对于CFD法该模型虽在模型的完整性有一定的局限性，但由于建模简单，易于计算，且可对气阀的基本参数进行预测和描述，在压缩机及气阀的功能设计中可用于检验影响气阀性能的关键因素，对压缩机关键部件的设计与仿真具有重要参考价值。
参考文献
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