压缩机气阀的研究

压缩机排气阀的性能研究

1.研究背景

气阀是活塞式压缩机重要的部件之一。通常情况下,气阀都是随着气缸内气体压力的变化而自动开、闭的活动阀。气阀由阀座、阀片或阀芯、弹簧、升程限制器等零件组成。在往复式压缩机的三大易损件中,又以气阀的损坏最为频繁[1]。图1 是根据某氢气压缩机的运行状况做出的非计划性停车原因分析图。由图1可以看出,由于气阀损坏而造成压缩机非计划性停车的比例达35 % ,而填料、活塞环、支承环的损坏频率相对较低,分别约为18 %、8 %和7 %。因此有必要通过分析不同压缩机的工艺流程、使用工况及气阀的常见损坏形式,设计出安全、可靠、经济的气阀产品。

图1 压缩机非计划停车的原因分析

影响气阀运动特性的主要因素有：阀片的升程、弹簧力、运动元件质量以及气流推力等。阀片升程越大，气体流经气阀的阀隙速度越小，则吸排气过程的相对压力损失越小；反之，升程越小，气体流经气阀的阀隙速度越大，则吸排气过程相对压力损失越大。弹簧力主要由弹簧的刚度系数和预压缩量决定。弹簧力越强，气阀的升程越小，则相对压力损失越大；弹簧力越弱，气阀升程越大，相对压力损失越小。但是，如果弹簧力过弱，则阀片停留在升程限制器上的时间延长，阀片将在活塞更接近止点的位置、气流达到更低一些的速度时才开始关闭，以致活塞到达质点位置时阀片来不及落到阀座上，出现延迟关闭的现象。气阀延迟关闭时，一方面因

活塞已进入压缩行程，使吸入的气体回窜出去而使排气量减少；另一方面则因阀片是在弹簧力和窜出气流的推力共同作用下撞向阀座，故能造成严重的敲击。敲击会使阀片应力增加，阀片和阀座的磨损加剧，并导致气阀提前损坏，使阀片的寿命急剧下降；而且敲击还能发出更大的噪声。选择合理的弹簧力就要综合考虑经济性与可靠性两方面因素。

鉴于以上分析，本项目以小型活塞式压缩机的排气阀为研究对象，在不同刚度系数、预压缩量及阀片质量的情况下，数值模拟了排气阀的运动规律并对不同参数下的气阀运动规律进行了比较。排气阀作为压缩机系统中的关键部件，其设计好坏对整个系统的影响非常重要。本文通过对排气阀运动规律的数值模拟，掌握影响排气阀性能的主要因数，对指导实际产品设计，提高排气阀的使用寿命具有非常重大的意义。

2. 气阀特性模拟

2.1 排气阀弹簧刚度系数的影响

排气阀弹簧的刚度系数是影响排气阀工作的一个重要因素，如果弹簧的刚度系数过高，弹簧力过强，则气阀开启较为困难，阀片返回阀座的时间也较早；而如果弹簧的刚度系数过低，弹簧力过弱，则气阀开启较为容易，阀片返回阀座时间较晚，可能会出现气阀延迟关闭现象。图1(a)，(b)分别为不同弹簧刚度系数下，排气阶段气缸压力和排气阀片位移的变化情况，图1(c),(d)为随着排气阀弹簧刚度系数变化，排气阶段最大压力值和排气阀最大位移值的变化趋势。由该图可知，排气阀弹簧的刚度系数越大，气阀开启的越晚，气阀的最大位移也越小，而排气压力损失也随着

刚度的增大而增大，但是刚度为4000N/m 时，会出现气阀延迟关闭现象。

p /M P a

.

y /m m

t /s

(a) 排气阶段的气缸压力值 (b) 排气阀位移值

4000450050005500

600065007000

0.610

0.615

0.620

0.625

0.630

0.635

k d

/N ·m

-1

p m a x /M P a

4000450050005500

600065007000

0.8

0.9

1.0

1.1

y d m a x /m m

k d

/N ·m

-1

(c) 最大压力值的变化 (d) 排气阀升程的变化

图1 排气阀弹簧刚度系数的影响

2.2 排气阀弹簧预压缩量的影响

排气阀弹簧的预压缩量也是影响气阀工作性能的一个重要参数，图2(a)，(b)分别为在不同的排气阀弹簧预压缩量时，排气阶段气缸压力与排气阀片位移的变化情况，图2(c),(d)为随着排气阀弹簧预压紧量的变化，排气阶段最大压力值和排气阀最大位移值的变化趋势。由该图可知，气阀弹簧预压缩量越大，气阀开启的越晚，气

阀的最大位移越小，但是预压缩量小于3.0mm 时，会出现气阀延迟关闭的现象。

y d /m m

t /s

(a) 排气阶段的气缸压力值 (b) 排气阀的位移值

1

2

3

4

5

0.59

0.60

0.61

0.62

0.63

0.64

p m a x /M P a

y d0 /mm

1

2

3

4

5

0.8

1.0

1.2

1.4

1.6

y d m a x /m m

y d0 /mm

(c) 最大压力值的变化 (d) 排气阀升程的变化

图2排气阀弹簧预紧量的影响

2.3 排气阀片质量的影响

排气阀片质量的大小会影响到阀片运动的速度，在其他参数相同的情况下，阀片越轻，运动速度越快，达到最大位移的时刻也就越早，但是过轻的阀片返回阀座速度过快，会使排气量减少。图3(a),(b)分别是在不同的排气阀片质量下，排气阶段气缸压力与排气阀位移的变化情况，图3(c),(d)为随着排气阀片质量的变化，排气阶段最大压力值和排气阀打开时间的变化趋势。由该图可知，在阀片质量为10g ，15g 时，排气阀打开时间较长，排气较为充分，但是阀片返回阀座较晚，有延迟关闭现

象，而阀片质量为3g 时，排气阀打开时间较短，排气不充分。

y d /m m

t /s

(a) 排气阶段的气缸压力值 (b) 排气阀的位移值

2

4

6

8

10121416

0.60

0.610.620.630.64

0.65

0.66

p m a x /M P a

m vd /g

246810121416

1.0

1.21.41.61.8

2.02.2

t /m s

m vd /g

(c) 排气最大压力值的变化 (d)排气阀打开时间的变化

图3 排气阀片质量的影响

3. 数值模拟结果分析

排气阀的各个结构参数共同影响着气阀的性能特性，进而影响到压缩机的经济性和可靠性。当排气阀的弹簧力越大，气阀的升程越小，排气压力损失也越大；但是弹簧力太小，又会导致气阀出现延迟关闭现象，这样就会影响压缩机的排气量，降低效率，而且还会因为气体反流作用增大阀片对阀座的撞击速度，导致阀片的提前损坏。而弹簧力又是与弹簧的刚度系数和弹簧的预压紧量相联系的，所以选取合