杭玉宏 王崇禄

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2. 兰州寰球工程公司)

6M16-110/31.4氮氢气活塞式压缩机四级气阀的改造

杭玉宏*1王崇禄2

(1.天华化工机械及自动化研究设计院有限公司；2. 兰州寰球工程公司)

阐述了对某型号氮氢气活塞式压缩机四级气阀设计方案的选择过程。通过对环状阀、网状阀、菌状阀和小片状气阀特点的对比，提出一种具有弹簧及阀片工作应力小、流量系数大、气流阻力小、节能、噪音低以及寿命长等优点的小片状气阀的改造设计思路。

活塞式压缩机 气阀 改造

山西某化工厂的6M16-110/31.4氮氢气活塞式压缩机四级气阀在使用过程中经常出现阀片、弹簧断裂，有时甚至出现阀座断裂的情况，使用寿命一般在两个月左右(该机原配气阀为环状阀)。该化工厂先后使用网状阀和菌状阀进行改造，但情况均未好转。笔者对此问题进行分析并提出解决方案。

1 基本要求

气阀是压缩机中最重要的部件，也是易损部件之一，其质量直接影响压缩机的排气量、功率消耗和运转的可靠性。气阀的基本要求是： 阻力损失小、寿命长、余隙容积小、关闭时具有良好的密封性，以减少气体的泄漏量。

2 失效原因

活塞式压缩机运转时转速很高，阀片在启闭时的侧倾产生的撞击以及阀片旋转时承受的冲击应力、弯曲疲劳应力过大时就会使其出现裂纹或断裂而发生损坏。经常会看到阀座密封面被阀片整个“打下去”的现象，导致气阀对应环的升程加大而加快气阀的损坏。阀片落在阀体上后由于撞击产生的自振现象也加剧了阀片的损坏速度。

在环状阀和网状阀中，每个弹簧受力不均导致阀片对阀体和弹簧的撞击力加大以及弹簧受到轴向的弯曲应力作用，都会加剧弹簧和阀片的损坏。

当阀片撞击升程限制器时必然也与弹簧发生撞击，使得弹簧在很高的变形速率下达到最大变形量，因此也就很容易损坏。事实上，大多数情况下是由于弹簧的断裂或弹性的减小(或消失)导致并加剧了阀片的损坏。

弹簧与弹簧孔壁之间、弹簧和弹簧底座之间存在的偏磨对弹簧的使用寿命影响很大。

在环状阀和网状阀中，阀座气流通道采用环形槽造成阀座强度较低而发生阀座的断裂破坏。

3 环状阀和网状阀特点分析

阀片对阀座的撞击力为[1]：

式中h——气阀升程，m；

m——阀片与1/3弹簧质量之和；

n——压缩机的转速，r/min；

qa——气流压力速度降低值；

t——冲击时间，s。

对公式进行分析，可以得出：

a. 环状阀和网状阀的阀片尺寸很大而截面尺寸较小，其质量较菌状阀塑料阀片要大得多(尤其是气阀外侧的阀片)，所以环状阀和网状阀对弹簧和阀体最终的冲击力和阀片承受的最大弯曲应力值也比菌状阀的阀片大很多，因此采用环状阀和网状阀的结构是不可取的。

b. 环状阀和网状阀的弹簧之间受力不均匀，造成阀片不能很好地与升程限制器贴合而产生振荡，增加了能量的总损失。

c. 升程大时，冲击力也大。因此应尽可能地减小升程。但对改造气阀来说，通过大幅度减小阀片质量使得其与升程的乘积大幅度减小的方法也能极大地降低冲击力。

从以上分析来看，环状阀和网状阀不是最佳的选择。

4 菌状阀片的特点

现在使用的比较典型的菌状阀片有两种，如图1a、b所示。

图1 菌状阀片

菌状阀片存在着以下缺陷：

a. 菌状阀片的直径较大，整个菌状阀片的厚度达20mm左右，由此决定了其质量较大，气阀关闭会相对比较迟缓，冲击力也比较大；

b. 图1a形式的菌状阀的密封面与阀片轴线呈45°或60°角，密封面磨损或损坏后不易修复；

c. 四段的使用场合下要达到要求的比较大弹簧力时只能通过增加弹簧的丝径、减小弹簧中径或加大弹簧的压缩量等措施来实现。

对菌状阀而言，如采取增加弹簧丝径和加大弹簧的压缩量增大弹簧力而又要实现气阀全开时，弹簧各圈之间有一定的间隙以避免压紧，这就必然要增加弹簧的自由高度，这对于改造气阀来说受到升程限制器厚度的极大限制，是不可取的。而采取减小弹簧丝径的方法必然使弹簧承受较大的剪切应力造成损坏。所以只有在提高弹簧中径的情况下，才能提高弹簧钢丝直径，从而降低弹簧的最大剪切应力。

5 方案选取和改造措施

经过分析得到以下结论：

a. 为提高阀座的强度，采用每个阀片能单独独立运动的结构形式；

b. 采用气垫阀的结构形式(图2)可以缓冲阀片对气阀的冲击从而减小冲击载荷；

c. 采用非金属阀片，最好能在结构上使阀片尺寸较小以减小阀片质量，减轻阀片对阀座、升程限制器和弹簧的撞击力，而菌状阀的阀片尺寸仍比较大，故不采用菌状阀的结构。

图2 气垫阀结构示意图

基于以上分析，笔者开发并采用小片状阀片(图3)气垫阀。

图3 小片状阀片

与菌状阀片相比，小片状阀片的优点有：

a. 小片状阀片的质量比菌状阀小很多，小片状阀的升程比菌状阀的小或相同，所以升程与质量的乘积比菌状阀的小得多，因此，小片状阀片的冲击力也比菌状阀的冲击力小得多；

b. 由于结构尺寸较小，小片状阀弹簧中径和丝径比菌状阀的要大，而弹簧的自由高度也比菌状阀的增加至少4mm以上，使弹簧在最大压缩量下，各圈之间的间隙增大，改善了弹簧的受力状况，减小了弹簧承受的最大剪切力强度；

c. 由于每个阀片单独独立运动不受其他阀片的影响，不会发生像环状阀和网状阀里的弹簧受力不均匀的现象，避免和改善了弹簧承受附加轴向弯曲应力的作用和偏磨现象，弹簧寿命大幅度提高；

d. 小片状阀片承受的最大弯曲应力虽然比菌状阀大但却在其材料的强度范围内，而且不会出现菌状阀片在上下运动时弹簧座外侧与升程限制器之间以及弹簧与阀片弹簧座孔之间的刮擦磨损现象，这种刮擦和磨损影响了阀片的及时关闭同时对阀片的寿命和弹簧的正常使用有很大的影响；

e. 从气阀阻力来看，小片状气阀也比环状阀、网状阀和菌状阀有很大的优势。

气阀相对压力损失可以表示为[1]：

式中Cm——活塞平均速度，m/s；

fv——阀隙通流面积，m2；

F——活塞面积，m2；

g——重力加速度，m/s2；

R——气体常数，J/(mol·K)；

T——进气阀绝对温度，K；

z——同时作用的气阀数目，个；

αv——气阀的流量系数,无量纲。

对于同一压缩机同一级的同名侧气阀来讲，F、Cm、g、z、R、T、fv均为定值，不同结构的气阀只需要进行αv的对比。 由于菌状阀片的尺寸比小片状阀片的尺寸大，为同时保证阀隙通流面积和升程限制器的通流面积，在排列时其数量比小片状阀片要少，菌状阀片之间的间距和升程比小片状阀片的大，其流量系数一定比小片状阀片的小，那么它的相对压力损失就一定比小片状阀要大。同样，环状阀和网状阀更无法与小片状阀片气阀相比。

除此以外, 由于阀座和升程限制器的气流通道均采用圆柱形孔，尺寸较小，小片状气垫阀比环状阀、网状阀和菌状阀的余积容积都有一定的降低。

6 结束语

通过对影响气阀使用寿命因素的讨论,并对比各种气阀的特点，最终采用设计了非金属阀片和小片状阀片的气垫阀结构，在φ190mm的升程限制器上共布置50个小片状阀片，其外径φ18mm、厚度6mm、升程3mm，弹簧中径φ10mm、丝径φ1.0mm、自由高度19mm，总圈数10.5圈。装机连续运行8个月后在使用单位停车大修时拆下气阀检查，发现阀片、弹簧、阀座及其密封面均完好。

[1] 西安交通大学压缩机教研室.活塞式压缩机[M].西安：西安交通大学，1972.

*杭玉宏，男，1966年11月生，高级工程师。甘肃省兰州市，730060。

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