（化工过程机械专业论文）往复式压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究及应用.pdf

往复式压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究及应用 摘要 往复式压缩机网状阀阀座及升程限制器在使用中表现为中长期故障， 用于高压的压缩机气阀设计过程中，气阀阀座及升程限制器必须进行强度 校核。近年来，随着压缩机转速的提高以及压缩气体压力和密度的提高， 阀座及升程限制器的强度问题日益突出。传统的阀座及升程限制器强度校 核公式有必要进行修正。 本文通过a n s y s 大型通用有限元软件对阀座及升程限制器进行静力 结构分析，分析了阀座及升程限制器径向筋宽度与高度、环向筋宽度、总 厚度，以及径向筋数量等各个结构参数对其最大应力的影响。通过对有限 元分析结果进行数据处理，对传统的往复式压缩机网状阀阀座及升程限制 器的强度校核公式进行修正。修正的强度校核公式更加明确各个结构因素 对阀座及升程限制器强度的影响。运用修正的阀座强度校核公式，指导阀 座的改造设计，并在改造设计中提出新的阀座结构形式，即外圈用钻孑l 结 构，而中间采用弧形槽的新结构。通过采用以上方法对一系列存在强度问 题的压缩机气阀阀座及升程限制器进行分析与改造设计，证明上述方法是 有效与可信的。本文所做工作能用于指导高压压缩机气阀阀座及升程限制 器的设计与改造。 关键词：压缩机阀座升程限制器a n s y s 应用 s t u d yo nt h es t r e n g t ho f 、厂a iv es e a ta n d 、厂a i ，v e ；u a r di nr e c i p r o c a t i n gc o 巴r e ss o ra n di t s a p p l i c a t i o n a b s t r a c t u s u m l y ，v 面v es e a t 趾dv 甜v e 母i a r do fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rp u tu pam e d i 吼一t e l m 0 r1 0 n g - t e r m 蜘l u r ed 嘶n gc o m p r e s s o r sw o r k i i l g i t si m p o r t a mt oc h e c ku pt h es t r e n g t l lo f v m v es e a ta j l dv a l v eg 眦dw p h e nc o m p r e s s o rv 献v e ss p e c i a l1 1 i g l l ? p r e s s u r ec o i n p r e s s o rv a l v e s a r ed e s i g n e d r e c e n t l y ，n l e 蜘g mp r o b l e mo fv m v es e a t 趾dv a l v e 母l a r da r ep r o m 血e n t i i l c r e 嬲i n g l y w h e n 也er o t a t es p e e do f l ec o n l p r e s s o r ，t h ep r e s s u r e 龇l dd e n s i t ) ，o f 也e c o m p r e s s o rg 丛a r eh e i g h t e n e d s oi ti sn e c e s s a d rt 0m o d 毋t l l ec o n v e l l t i o n 甜s 仃e n g t l l c h e c k i n gf o m i l l 硒o f v a l v es e a ta i l dv a j v eg u a r d v 砒v es e a t 锄dv a l v eg u a r da r ea 砌) ，z e d 、析ma n s y s 恤c hi sal a 唱e - s c m eg e n e m l f i m t ee l e m e n t 锄a j y s i ss o f t w a r ei i lt l l i sp 印e r e v e d ，s 仇l c t u r a lp a r 锄e t e ri s 删y z e ds u c h 嬲 恤、 ，i d mo fr a d i a l 曲s ，t l l ek g l u l e s so fr a d i a jm s ，也ew i d mo f 锄u l a rm s ，t l l et o t a l t h j c k n e s s ，a 1 1 ds oo n nc a nb ef 咖o u tm er e l a ：t i o ns l l i pb e t w e e nt h em a x i m u l = i ls t r e s so fv m v e s e a t ( o rv a l v eg u a 叫) 锄d 也e s 臼删：c u r a lp a r a m e t e r s b yp r o c e s s i l l gt 1 1 e s ea n a l y s i sr e s u l t s ， n e ws t r e n g mc h e c h n gf o m l u l 雏w 址c hm o d i f i e dt h ec o i l 、r e n t i o r l a ls 仃e n g t l lc h e c l ( i n gf 0 砷m a s o fv a l v es e a t 锄i dv 出v eg u dc a nb eo b t a i n e d t h e s en e wf o r m u l 嬲s h o wt h ei 】 u e n c eo fe a c h s t r u c t u r aif a c t o rm o r ed e f h l i t e l y t h e yc a nb eu s e dt 0i 璐t r i l c tt h ed e s i g na n dr e c o n 鼬r u c t i o no f v m v es e a t 孤l dv a l v e 昏l a r d a n dan e wv a l v es e a ts 们l c t u r ew m c h 嘶l l i r 培h o l e si no l r c e r 血g a 1 1 dm a k i l l ga r c si i li i l t e r r h l gi sp r e s e n t e dd u r i n gr e c o i l s 饥l c t i i l gs 0 m ev a l v es e a t s 、协v es e a t 趾dv a l v e 舭dw m c hh a v es 吮n g t hp r o b l e m sa r ed e s i 印e d肌dr e c o n s 删b yu s h 坞 m e t l l o d sa f o r e s a i d ，t 1 1 er e s u l t st 姐iu p 也a t 也e s em e t l l o d sa r ee 丘e c t i v e 锄db e l i e v 乏山l e t h e s e w or ：k so f 也i sp 印e rc a i lb eu s e dt 0 血疳u c tm ed e s i 印a n dr e c o n s t r l i c t i o no f v a l v es e a ta i l d v 2 l l v eg 眦di 1 1h i 曲一p r e s s u r ec o n l p r e s s o r k e ) 巾r d s ：c o m p r e s s o r ；v a l v es e a t ；v a l v eg u a r d ；a n s y s ；印p l i c a t i o n 符号 彳 召 岛 b l ，b 2 ，b 3 ，b 4 c o c l c 2 d 岛 d 哺 e 酗b 日k f h 日l h 3 k 嘣 m k m 嘣 胁 m l m y 含义 阀座各环面积 阀片宽度 符号说明 单位 m 2 聊，挖 环的角变形系数 积分常数 气阀密封表面到气体通道的环形凹槽之间的最小距离 聊所 最外圈阀片的外缘到气阀安装止口的最小距离 聊m 升程限制器弹簧孔底部的最小厚度 肌肌 板的弯曲刚度 尸口m ， 阀座安装直径 朋m 阀座最大外径 所册 弹性模量g尸口 径向筋刚度 p 口所， 环向筋刚度 忍m ， 气体力 r 气阀升程 m 脚 阀座厚度 历所 升程限制器厚度 聊册 动力系数 升程限制器弹簧孔最大的深度 朋肌 径向筋连接处的弯曲力矩 聊 最大弯矩 聊 弯矩 聊 作用在中面上每单位长度的x 方向弯矩 聊 作用在中面上每单位长度的y 方向弯矩 聊 v 作用在中面上每单位长度的扭矩 弹性连接时的支点力矩 刚性固结时的支反力矩 作用在单位长度板截面上的横向剪力 作用在单位长度板截面上的横向剪力 阀座半径 修正系数 干扰载荷变化周期 积分常数 截面抗弯系数 径向筋数量 圆板半径 阀座安装凸缘宽度 径向筋宽度 阀座通道宽度 升程限制器通道宽度 环向筋宽度 阀座最外环通道的平均直径 径向筋高度 阀座无连接筋部分深度 环板的厚度 支反力矩m 的号码 从阀座中心数起的环号 阀座环数 屈服极限的安全系数 强度极限的安全系数 进气压力 v i n m n - m r 聊 n m n | m 刀2 l m p n 御 条 删 撇 删 册 撇 册 肭 册 撇 册 叫 ， o x m m m q g 足 ， r u 形 z 口 吒6 饥 西 厅 钆 ， 七 疗 珞 办 排气压力 动力载荷 静载荷 最小动力载荷 最大动力载荷 当量静载荷 最大载荷强度 阀座安装凸缘高度 径向筋相对宽度 作用面到中面的距离 阀座上承受的压差 气阀中的最大压差 钻孔系数 板中面的法线绕( x ) 轴的平均转角 板中面的法线绕( - y ) 轴的平均转角 工作温度下的强度极限 最大应力 工作温度下的屈服极限 弯曲应力 x 方向应力 y 方向应力 许用应力 阀座自由振动的周期 剪应力 固定面弯形系数 在等于最大动力载荷的静载荷作用下阀座的静挠度 支承系数 v ，行，挖 m p 8 m p n 肌 胁 胁 胁 胁 胁 黼 一 ， 胁 胁 胁 胁 腑 胁 胁 s 胁 目 h m 旺1j 凡pp 以g b 工 z 印 瓴口 展膨 吒 巳 qf 矽 z 根据相应环的角变形系数确定的支承系数 挠度 在等于最大动力载荷屯的静载荷作用下阀座的静挠度 最大挠度 泊松比 v l n 刀2 ， m z m 2 所 缈 广西大学学位论文原创性声明和使用授权说明 原创性声明 本人声明：所呈交的学位论文是在导师指导下完成的，研究工作所取得 的成果和相关知识产权属广西大学所有，本人保证不以其它单位为第一署名 单位发表或使用本论文的研究内容。除已注明部分外，论文中不包含其他人 已经发表过的研究成果，也不包含本人为获得其它学位而使用过的内容。对 本文的研究工作提供过重要帮助的个人和集体，均已在论文中明确说明并致 谢。 做储签名军 孔鼓 护。年多月日 学位论文使用授权说明 本人完全了解广西大学关于收集、保存、使用学位论文的规定，即： 按照学校要求提交学位论文的印刷本和电子版本： 学校有权保存学位论文的印刷本和电子版，并提供目录检索与阅览服务； 学校可以采用影印、缩印、数字化或其它复制手段保存论文； 在不以赢利为目的的前提下，学校可以公布论文的部分或全部内容。 请选择发布时间： 函即时发布口解密后发布 ( 保密论文需注明，并在解密后遵守此规定) 论文作者签名瘁沉董奠导师签名：踩南j 砍。3 年6 月2 日， 饿复式压缩机网状阀阀座与升穰限制器强度研究飘应用 1 1 课题的意义 第一章绪论 压缩视是一种压缩气体提高气体压力或输送气体的机械，是量大面广的通用机械， 广泛应耀于石油、化工、冶金、机械、制冷以及国防等企业中，丽且往往是这些企业必 不可少的关键设备之一1 1 1 。据统计，往复式压缩机的能耗超过全国总能源消耗的l o 【2 1 。 压缩机产品的设计制造水平，以及它们的运行经济性和可靠性，已被认为是衡量一个国 家机械工业发展状况和水平标志之一。 按照压缩气体的原理不同，压缩机通常分为容积式和动力式两大类。容积式压缩机 是使气体直接受到压缩，从丽使气体容积缩小、压力提高嘲。其特点是压缩机具有容积 可周期变化的工作腔 4 】。按照工作腔中运动元件不周，容积式分为往复式和圈转式薅种 型式。动力式压缩机是使气体流动速度提高，然后通过扩压元件使速度能转化为压力能， 与此同时气体容积也相应减少。其特点是压缩机具有驱使气体获得流动速度的叶轮【4 1 。 按照工作腔中运动元件不同，动力式分为离心式、轴流式、喷射式等。 往复式压缩机是利用活塞在气缸内往复运动来压缩气体，以提高气体压力并输送具 有一定压力气体的机械癸l 。往复式压缩机已有百余年历史，在设计计算、机构参数优化、 性能预测以及制造加工等方面已日趋完善，特别是采用多级压缩可以获褥比圈转式压缩 机高褥多的压缩比。因此，在大型和部分中型压缩机中，往复式压缩机有不可取代的优 势【6 】。 往复式压缩机的一个重要部件是气阀。气阀是安装在压缩机气缸上控制气体进出的 部件，它控制着压缩机的吸气、压缩、排气和膨胀四个过程。气阀有两大类：一类为强 制阀，它的启闭由专门机构控制，而与气缸内压力变化无关；另一类称为自动阀，它的 启闭主要由气缸和阂腔内气体压力差来决定。强制阀因为结构复杂，窟闭时间固定，不 适于交互况运转，放很少采用。绝大多数压缩机均采用自动阖网。往复式压缩规是否能 够提高气体压力，是否能够更合理地、或更经济地进行工作，在很大程度上取决于气阀 的合理结构与性能用。也正是这个缘故，气阎常被人们比作压缩机的心脏f 8 】，其重要地 位可想而知。在设计较好的气阀中，流动阻力损失约为压缩机轴功率的3 5 ，而设 计不好的气阀，其流动损失可以高达轴功率的1 5 2 0 阴：气阀是易损件，其寿命将 广西大学司e 士掌位论文 往复箕匿缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究及应用 直接影响压缩机的可靠性，直接影响到生产能否有计划地持续进行，因气阀损坏造成压 缩机停车不但影响生产，也影响企业的生产成本。一些好的气阀寿命可达8 0 0 0 小时或 更高，而差的甚至不到3 0 0 小时i lo 】，因此，提高气阀的寿命对保证压缩机可靠运转是很 重要的。 在往复式压缩机中，使用各种各样的气阀，如环状阀、气垫阀、网状阀、条状阀、 直流阀等等。网状阀与其它结构型式气阀相比而言，有许多优点【l ，如整个阀片起落一 致，相同直径时，网状阀可以加工成通道数较多和宽度较小的环，从而使阀片的升程较 小，周长、阀隙面积较大，流量系数较高；采用平面弹簧，可以降低升程限制器的高度， 保证进气阀本身的余隙容积较小；采用缓冲片和缓冲弹簧，能减少冲击应力，增加寿命； 尤其是无摩擦网状阀特别适用于无油润滑压缩机。因此，除微型压缩机广泛采用簧片阀 外，其余压缩机在绝大多数国家中，普遍采用的是网状阀【1 2 】。随着国内加工条件的日益 改善，网状阀的加工已经不是网状阀开发与发展的主要问题，国内的一些生产厂家已经 开始在传统采用环状阀的往复式压缩机上采用网状阀，另外，国内进口往复式压缩机绝 大多数采用网状阀，同时国内部分压缩机也采用进口网状阀的配件【1 3 】。 网状阀主要由阀座、阀片、弹簧、缓冲片以及升程限制器等部分组成，它依靠阀片 的开启与关闭使气缸与外界接通与切断，弹簧的作用是减轻阀片开启时与升程限制器的 撞击，但主要作用是帮助阀片关闭。阀片的开启与关闭由气缸内、外气体压力差与弹簧 力控制，无需其他驱动机构。 压缩机运行时，阀座主要承受进、排气压力差，还有阀片的撞击力及气流流过气阀 通道时的阻力。升程限制器基本上只承受气阀开启时的阀片撞击力和因弹簧力和气阀全 开时气流通过气阀时的阻力。阀片对阀座或升程限制器的冲击力的大小，与以下诸因素 有关【1 4 】：( 1 ) 阀片质量大时，冲击力大。故阀片质量轻对减小冲击力是有好处的。( 2 ) 转速增加时，冲击力增大，且冲击频率也增加。( 3 ) 气阀弹簧过软或由于胶着等原因， 使气阀延迟关闭，冲击力特别大。( 4 ) 升程大时，冲击力大。( 5 ) 阀片对升程限制器的 冲击速度大于对阀座的冲击速度，但一般前者支承面积比较大，而后者的支承面积仅为 阀片与阀座的密封周边，故对阀座的冲击应力仍然较大。从总体来看，阀片对阀座或升 程限制器的冲击应力，受影响最大的还是阀片本身。所以，在设计正确的气阀中，阎座 和升程限制器拥有足够的强度。但是，在工程实践中，有时为了减小气阀的流动阻力损 失，提高气阀有效通流面积，阎座与升程限制器绝大部分空间设计为气流通道，这样就 会造成阀座与升程限制器强度不够。近年来，在一些压缩机运行企业如化工企业，不时 2 广西大掌硕士掌位论文 往复式压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究反应用 看到阎座和升程限制器破裂的现象。如在云南云维股份有限公司、广西河池化工股份有 限公司、安徽淮化集团有限公司等企业，4 m 2 2 1 5 4 1 6 2 系列二氧化碳压缩机四级气阀阀 座与升程限制器频繁破裂。在四川美丰化工股份有限公司等企业，4 m 3 2 g 1 8 4 1 5 3 二氧 化碳压缩机四级气阀阀座频繁破裂。在柳州化工股份有限公司、河北省迁安化工有限责 任公司、河南心连心化工有限责任公司等企业，h 2 2 1 6 5 3 2 0 氮氢气压缩机四级气阀 阀座也因容易破裂而使用寿命较短。在外资企业南方气体产品( 珠海) 有限公司，k 8 9 1 压缩机进口气阀的升程限制器也容易发生破裂。阀座和升程限制器的失效，对往复式压 缩机的安全、稳定、长期良好运行带来严重威胁。为此，有必要对阀座和升程限制器的 强度进行分析研究，以用来指导压缩机气阀的设计与改造。 随着计算数学和计算机技术的迅猛发展，作为结构强度分析工具的有限元法在压缩 机领域获得广泛应用。目前国内外已经有不少学者采用有限元方法对压缩机主要零部件 进行结构设计和强度分析，如气缸【1 5 _ 1 6 1 、曲轴【1 7 _ 1 9 1 、阀片【2 蚴1 等，而对压缩机阀座和 升程限制器进行有限元分析的相关报道甚少。因此本文应用大型通用有限元分析软件 a n s y s 对往复式压缩机网状阀阀座和升程限制器进行有限元分析，对传统的阀座及升 程限制器强度校核公式进行修正，不仅具有重要的理论意义和实际应用工程价值，同时 对指导阀座和升程限制器结构优化设计和可靠性设计、促进往复式压缩机的研究发展及 提高企业经济效益都有重要意义。 1 2 国内外研究发展现状 1 2 1 压缩机研究发展现状 压缩机作为一种通用机械，为了适应用户的需要和激烈的市场竞争，研究与开发一 直在广泛而深入地进行着，这些研究的状况与成果，通过许多刊物、国际性会议、专利 与新产品得到了充分体现。当今世界上最集中体现的是下列国际性的学术会议【2 4 1 ：( 1 ) 由美国普度大学举办的“国际压缩机工程会议”( t h ei n t e m a t i o n a jc o m p r e s s o re n g i n e e 血g c o i 彘r e n c ea tp u r d u e ) ；( 2 ) 由西安交通大学举办的“国际压缩机技术会议 ( 1 1 1 e 砌l t i o r l a lc o m p r e s s o rt e c h m q u ec o n f e r e n c e ) ；( 3 ) 由英国流体机械工程学会与伦敦城 市大学举办的“国际压缩机及其系统会议 ( n l ei n t e m a t i o r 脚c o m p r e s s o ra n di t ss y s t e m c o 疵咖c e ) ；( 4 ) 主要由德国德来斯登技术大学与奥地利贺尔碧格公司负责的“欧洲往 广西大国咂士掌位论文佳复量一五缩机网状阀阀置与升程限制器强度研究技应用 复压缩机论坛 ( 1 1 1 ee u r o p e 觚f o 九蛐f o rr e c i p r o c 撕n gc o m p r e s s o r ) 。此外还有俄罗斯流 体工程学会与彼得堡技术大学举办的国际压缩机会议的有关论文等。这些会议所发表的 论文基本上体现了当今世界上压缩机的研究状况和水平。总的来讲，压缩机研究都是围 绕下列方向进行的：( 1 ) 不断提高压缩机的经济性和可靠性；( 2 ) 根据生产发展需要开 发新产品；( 3 ) 应用新工艺与新材料；( 4 ) 降低制造成本；( 5 ) 降低噪声。 2 0 世纪8 0 年代中期以来，国外压缩机行业在技术和生产方面都有新的发展。在各 类压缩机的性能和可靠性已基本妥善解决了的高水准基础上，仍主要围绕提高产品的寿 命和性能两大方面进行工作【2 5 1 。特别是电子计算机在研制中的广泛使用，使数理模型取 代了“经验凑试，使科研工作向自动化、最佳化方向发展。 ( 1 ) 在气阀研究中，计算机使阀片运动规律的数学模型方程得出迅速准确的结果， 正确地认识了气阀的工作过程、特性和结构参数的合理性，气阀的最优化研究和可靠性 研究取得明显效果。 ( 2 ) 在气流脉动与管道振动中采用计算机模拟，解决了气柱固有频率、压力脉动、 结构振动、复杂管系固有频率的计算和动力效应的分析，使管路系统设计合理，消振措 施有力。 ( 3 ) 在压缩机性能预测的研究中，实现了对几何特征参数、膜腔曲线、压缩过程、 排气过程、吸气过程、泄漏流量的计算预测，避免了多工况下的实机运转实验，大幅度 节约了时间和费用。 电子计算机的应用，降低了压缩机制造厂商的制造成本。其中，对气阀、阀腔流动 阻力，阀室热交换的研究占有重要地位。在机构上引人注目的则是关于容积控制方面。 在故障诊断上，美国普度大学利用压力传感器所测得信号的变化来发现压缩机故障，并 判断原因。在计算机模拟上，美国i 砒s 公司引进多维空间解析，将性能分析和部件设计 综合在一起，为压缩机设计优化提供了一个极为有效的途径【冽。 多年来，我国压缩机制造业在引进国外技术，消化吸收和自主开发基础上，攻克不 少难关，取得重大突破。例如，催化裂化装置用的主风机和富气压缩机、加氢装置用的 循环氢压缩机、新氢压缩机、乙烯三大压缩机、化肥四大压缩机组等已大量在石化生产 中应用。其中，水平剖分式离心压缩机和轴流式压缩机制造技术已接近或达到国际同类 产品先进水平，往复式活塞压缩机达到国际同类产品水平。在市场需求的拉动下， “十五一期间各类型压缩机均取得了令人可喜的进步，如高压及大型往复活塞式压缩 机新品种的开发，带动了行业骨干企业各自主要产品系列的拓展改进，压缩机性能参数 4 往复茸i j 毛缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究夏应用 覆盖领域更加宽泛，可靠性进一步提高。在特种压缩机的开发与改进方面也取得了重要 的进步。我国重大产业领域、国防、尖端科技领域用压缩机的技术水准接近国际水准， 如高压大型往复活塞式压缩机、隔膜压缩机的全面设计技术，总体接近国际水准，特殊 用、极易泄漏的氦气螺杆压缩机已能制造，市场前景良好的天然气汽车加气站用c n g 压 缩机，部分企业的产品实物水平已经与进口产品相纠z ”。 今后压缩机的发展前景不仅仅在于努力提高技术性能指标，更应着力于应用近代先 进计算机技术进行性能模拟和优化设计，促成最佳机型的系列化、通用化、机组化和自 动化，降低生产成本，完善辅助成套设备，扩大应用领域，提高综合技术经济指标。从 整体上看，压缩机产品将向结构紧凑、能耗少、噪声低、效率高、可靠性高以及排气深 度净化方向发展。 1 2 2 往复式压缩机的研究发展现状 国内外专业人士公认，公元前1 5 0 0 年我国商代劳动人民发明的木质风箱，是往复活 塞式压缩机的雏形。近代空气压缩机械的鼻祖，当推公元1 6 4 0 年在德国制造成功的( 机 械式) 真空泵。7 0 年代初期，( 原民主) 德国德来斯登技术大学提出了著名的各类压缩 机技术演化完善度评估曲线，标明往复活塞式压缩机的历史最久远、变革进程最长、完 善度最高圆】。作为开发早、完善度高的往复式压缩机，其技术进展近年虽不及回转式压 缩机迅速，但并未停滞，仍不断有所创新。如在改进气阀、填料及密封元件材质，提高 易损件寿命，隔振降噪及气量自动调节方面均取得可喜进展。 国外往复式压缩机发展方向为大容量、高压力、结构紧凑、能耗少、噪声低、效率 高、可塑性好、排气净化能力强：普遍采用撬装无基础，全罩低噪音设计，大大节约了 安装、基础和调试费用；不断开发变工况条件下运行的新型气阀，使气阀寿命大大提高； 在产品设计上，应用压缩机热力学、动力学计算软件和压缩机工作过程模拟软件等，提 高计算准确度，通过综合模拟模型预测压缩机在实际工况下的性能参数，以提高新产品 开发的成功率，压缩机机电一体化得到强化。 在国内，往复式压缩机一直受着低转速、长行程的困扰1 2 9 j ，但在气阀技术、气流脉 动、振动和噪声、摩擦与润滑、新工艺与新材料的应用等多个研究方向也获取了较大的 进展。“十一五”期间，压缩机行业重点发展的关键产品是特大型往复压缩机组。特 大型往复压缩机组是大型石化项目的关键设备，也是一个国家压缩机技术水平高低的集 往复声l j 五缩机网状阅阀禽i 与升程隈制器强度研究及应用 中体现。经过多年的发展，我国大型往复压缩机制造技术得到很大的提升，国内产品在 稳定质量的基础上正向特大型化、集成化和智能化方向发展。 与国外往复式压缩机技术水平相比，我国的主要差距为基础理论研究差，产品技术 开发能力低，工艺装备和实验手段落后，产品技术起点低，规格品种、效率、制造质量 可靠性差。另外，技术含量高和特殊要求的产品还满足不了国内需求。 1 2 3 气阀的研究发展现状 压缩机气阀的历史起源于1 8 9 7 年3 0 1 ，当时奥地利工程师汉斯贺尔碧格( h 锄s h 0 e r b i g e r ) 设计出了一种钢阀片气阀，并申请了专利，用于炼钢厂的低压鼓风机上。 一个性能优良的气阀应该满足下列要求： ( 1 ) 阻力损失小。气流在流经气阀时其能量损失应尽可能小，为此，气阀设计时， 1 ) 在结构上要选取合理的形式，使气阀的通流面积和流量系数达到足够大。质量 较好的气阀，其阻力损失应控制在总功耗的3 毋； 2 ) 气阀弹性元件的弹簧力要选取得当，以便在相应的转速及压力范围时，气阀能 及时平稳开启与关闭。 ( 2 ) 气阀形成的余隙容积小。使压缩机具有较高的尺寸利用系数。 ( 3 ) 气阀关闭时应具有良好的密封性。气阀的密封性影响到压缩机气体的泄漏量， 影响压缩机经济性。 ( 4 ) 使用寿命长。要求在相应的周期性撞击载荷下，气阀的阀片和弹簧应具有良 好的耐久性和耐磨性，通常要求使用寿命不低于4 0 0 0 h 。 ( 5 ) 气阀结构的加工工艺性要好，并尽量符合有关标准。在运转条件下应尽量保 证安装、拆卸和修理方便。 在往复式压缩机存在的百余年里，随着科学技术的发展，对气阀的研究也有不同的 历程。可以说，很久以来，直至最近3 0 4 0 年为止，由于往复式压缩机转速不高，气阀 的寿命和经济性问题并不突出，对气阀的研究还只限于能否达到控制气流的作用问题， 所以在气阀的结构型式上考虑的多一些【刀。例如从单通道趋向于多通道，并发展出各种 形式的片形阀。基于这一系列的过程，目前常见的气阀形式，在控制气流的作用上，被 认为是基本满意的。近3 0 4 0 年来，随着压缩机转速的提高以及压缩气体压力和密度的 提高，要设计制造出完全符合上述要求的气阀通常是比较困难的。而且气阀的某些性能 6 往复式压缩机网状阀阀l 座与升程隈制器强度研究强应胃 指标之间还互相制约，有时为了改善气阀的某个指标，通常会引起其它指标的变坏。 为了减少气阀的流动损失，必须增大它的通流面积从而降低气阀中的气流速度和阻 力系数，但这一愿望却要受到强度及结构的限制，并且常常还与减少气阀形成的余隙容 积的目的相矛盾。而且这样做的结果必然会使得气阀密封周长的增大，密封性能降低， 泄漏气体增加。另一方面，如果采用增加阀片升程的办法来达到增加通流面积的目的时， 还将导致气阀寿命的降低。 弹簧力弱时，气阀将延迟关闭，且会在反向气流的作用下落在阀座上，此时不可避 免地具有强烈的冲击。由于气阀延迟关闭还将引起排气量和功率的损失，并导致气阀过 早损坏。为保证气阀启闭及时，应增大弹簧力，但弹簧力增大，又将引起气体在气阀中 的节流作用增加，从而导致排气量和功率的损失等等。 由于这些矛盾的存在，气阀的可靠性和经济性问题日益突出，而且随着对往复式压 缩机产品质量的要求进一步提高，使得人们对气阀的研究除了在结构型式这一方面之 外，还着重于更细致的方面，例如，如何使气阀工作得更好，达到更高的要求，气阀中 的各参数应该怎样地相互配合等等。同时，也由于现代测试技术的发展，科研成果和电 子计算机在实践中的广泛应用，气阀的研究工作也被大大地促进了。 围绕着提高压缩机的可靠性和经济性两大方向，国内外许多研究人员对气阀进行了 大量的理论和实验分析。研究发现气阀中各个零件损坏的几率相差很大，易损的零件是 那些不断运动着的零件阀片和弹簧，在网状阀中缓冲片也是易损零件之一。阀片在 运动时，不断撞击缓冲片、阀座及弹簧，且缓冲片还与升程限制器不断碰撞，因此它们 所受到的是撞击载荷，撞击载荷的大小与其运动规律有关。研究还发现，气阀的流动阻 力损失也受到阀片运动规律的影响。因此，国内外学者在研究气阀时，除了研究其材质、 加工等方面的原因外，较着重开展了对气阀运动规律的理论研究和试验【l o 】。 分析压缩机气阀的运动规律，首要的是建立其工作过程数学模型。目前压缩机环状 阀设计过程中，普遍采用的数学模型是在c a s t a 9 1 i o l am 【3 l j 建立的数学模型的基础上发展 起来的【3 2 1 。只是根据具体情况，数学模型中考虑的因素有所增多，如热交换【3 3 】、气流脉 动【3 4 1 、阻尼、油的粘性等。陈文勇等人【3 5 】利用压缩机数学模型分析了不同转速下气阀运 动规律的变化。李云等人【3 6 】根据阀片运动微分方程组研究了不同阎片质量对气阀性能的 影响。在传统的压缩机环状阀工作过程数学模型中，阀片往往简化为仅有一维平动的单 质点，而实际上由于流过气阀的气流不均匀、气阀弹簧力不对称、阀座平面与升程限制 器平面由于加工和装配误差存在夹角等原因，气阀工作过程中，阀片不仅作平动，而且 7 广西大学硕士掌位论文往复式压缩机网状阌阀座与升程限制器强度研究葫直用 存在转动，也就是说，阀片作倾侧运动。为此，吴业正等人 3 7 】分析了由于气流偏吹引起 的环状阀倾侧运动，潘树林等人建立了压缩机网状阀倾侧运动数学模型，分析了倾侧运 动对压缩机网状阀可靠性的影响【3 8 1 。这对深入分析气阀的运动规律，指导气阀设计有重 要意义。实验研究方面，孙杰等人f 3 明用变距离电容位移测定法对往复式压缩机气阎运动 规律进行了测试，该方法能够为气阀的设计和改造工作提供较为准确和可靠的实验资 料。 强度问题在气阀领域内研究得最少，这是由于物理现象的复杂性和多样性的关系。 气阀零件是在变化的动载荷和变化的温度条件下工作的，它易受到显著的压力降的作 用，也易受到撞击和振动载荷的作用。因为压缩机气阀形状较复杂，理论上分析气阀应 力比较困难，以往对气阀应力的研究大都是在试验条件下，如文献 4 0 】【4 l 】。随着计算 机技术的发展，国内外不少学者运用大型通用有限元分析软件a n s y s 对气阀进行应力分 析【4 2 ，4 3 1 ，由此对气阀的应力分析比较容易。对气阀零件强度研究得较多的是阀片【2 咐3 ，4 4 1 、 缓冲片1 4 习以及阀片弹簧【4 6 4 7 1 ，因为它们是易损件。而阀座与升程限制器受力情况较简单， 强度计算较早成熟【4 8 5 2 1 ，一般使用中表现为中长期故障。阀座最常用的强度校核方法有 两种，一种是文献【4 】中提出的以两端夹持受对称载荷的梁来进行校核；一种是文献 【4 8 】 4 9 】提出的以两端弹性支承受对称载荷的梁来进行校核。升程限制器的强度校核一 般按中心固定并沿外轮廓承受由阀片动能确定的均布载荷的平板来计算。 人们利用现代仪器和分析经4 0 年研究之后仍未找到设计无故障气阀的方法。 目前压缩机气阀设计的趋势【2 j ： ( 1 ) 尽量选用大通道气阀结构，以期最大限度地减少气阀能量损失。 ( 2 ) 力图用各种不同的气阀来适应各种不同压缩机的转速、排气量、压力及气体 类型。例如，目前的微型空压机采用舌簧阀较为成功。 ( 3 ) 利用电子计算机对气阀的主要参数进行优化设计，以使气阀性能最佳。 1 3 本文研究内容及所做工作 本文从事往复式压缩机网状阀阀座及升程限制器强度研究与应用，具体研究内容及 所做工作如下： ( 1 ) 应用a n s y s 大型通用有限元分析软件对简单厚圆板模型进行分析，经a y s y s 有限元分析结果及经典理论解进行比较，确定对有限元软件a n s y s 的正确掌握程度， 8 往复茸。鞘苦机网状阀阀座与升程限制器强度研究及应用 为应用a n s y s 大型通用有限元分析软件分析压缩机阎座与升程限制器的最大应力做好 准备。 ( 2 ) 应用a n s y s 大型通用有限元分析软件对破裂的四川美丰化工股份有限公司 4 m 3 2 g 1 8 4 1 5 3 二氧化碳压缩机四级气阀阀座进行结构静力分析，得出阀座的最大等效 应力值及其位置，并简单分析阀座破裂的原因，为阀座的结构设计和改进提供依据。 ( 3 ) 改变阀座的结构参数，对不同结构参数的阀座进行有限元分析，得出阀座径 向筋数量、径向筋宽度与高度、环向筋宽度与高度、径向筋相对宽度等结构参数对阀座 最大应力的影响。通过对分析结果进行数据处理，对现有的阀座强度校核公式进行修正。 修正的强度校核公式能更好地考虑阀座径向筋相对宽度因素的影响，用以指导阀座的改 造设计。 ( 4 ) 应用a n s y s 对四川美丰化工股份有限公司4 m 3 2 g 1 8 4 1 5 3 二氧化碳压缩机 四级气阀升程限制器进行结构静力分析，得出升程限制器最大等效应力值。通过对不同 结构参数的升程限制器进行有限元分析，得出升程限制器径向筋宽度与高度、环向筋宽 度与高度等结构参数对升程限制器最大应力的影响。通过对分析结果进行数据处理，对 现有升程限制器的强度校核公式进行修正。修正的升程限制器强度校核公式更加明确各 个结构因素对阀座及升程限制器强度的影响，用以指导升程限制器的改造设计。 ( 5 ) 应用修正的阀座强度校核公式，对出现强度问题的阀座进行具体分析，并提 出改造方案。四川美丰化工股份有限公司4 m 3 2 g 1 8 4 1 5 3 二氧化碳压缩机四级气阀阀座 最外圈径向筋附近产生裂纹。改造时，提出一种新型结构阀座内圈采用弧形通道， 外圈采用钻孔通道。4 m 2 2 1 5 4 1 6 2 系列二氧化碳压缩机四级气阀阀座开裂，连接螺栓断， 升程限制器最里圈裂。改造时，把气阀结构型式由闭式气阀改为开式气阀，开式气阀阀 座安装凸缘高度为原闭式气阀阀座与升程限制器安装凸缘高度和。h 2 2 1 6 5 3 2 0 氮氢 气压缩机四级气阀阀座最外圈断裂，改造时，增加径向筋数量，改用内圈为弧形通道、 外圈为钻孔通道的新型结构阀座。 ( 6 ) 对在工程实践中出现强度问题的升程限制器进行分析，提出改造方案。外资 企业南方气体产品( 珠海) 有限公司k 8 9 1 压缩机进口气阀升程限制器从中间破裂，掰 成两半。改造时，提高气阀升程，减小阀片厚度。4 m 2 2 二氧化碳压缩机四级气阀升程 限制器与气阀螺栓连接的最内圈发生断裂，改造时，如前所述，把气阀结构型式由闭式 气阀改为开式气阀，开式气阀阀座安装凸缘高度为原闭式气阀阀座与升程限制器安装凸 缘高度和。 9 广西大学硕士学位论文 往复式压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究反应用 ( 7 ) 改造后的4 m 3 2 g - 1 8 4 1 5 3 二氧化碳压缩机四级气阀、4 m 2 2 1 5 4 1 6 2 系列二氧 化碳压缩机四级气阀、h 2 2 一1 6 5 3 2 0 氮氢气压缩机四级气阀以及k 8 9 l 压缩机气阀在 企业相应压缩机上运行，效果得到验证。 本文所做工作用于指导往复式压缩机网状阀或环状阀阀座和升程限制器的结构设 计及改造。 l o 广西大学硕士掌位论文往复茸l j 毛缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究圆匠用 2 1 前言 第二章阀座与升程限制器的工作特性及结构设计 气阀主要由四部分组成，它们是：阀座、阀片、弹簧、升程限制器。网状阀往往还 带有缓冲片。网状阀阀片各环联成一体成网状，故称网状阀。网状阀与其它气阀相比， 起落较为一致，同时相同直径时，网状阀可以加工成通道数较多和宽度较小的环，从而 保证即使在阀片升程较小时，阀隙周长与面积均较大，效率较高，因此网状阀得到广泛 的应用。 2 2 压缩机网状阀阀座及升程限制器结构 网状阀阀座具有能被阀片覆盖的气体通道，是与阀片一起闭锁进气( 或排气) 通道， 并承受气缸内外压力差的零件。而升程限制器是限制阀片的升程，并往往作为承座弹簧 的零件，有着与阀座类似的气流通道。 酉。蘅 蓁 毳篪 图2 1 弧形通道阀座 f i g 2 - lv 射v e 辩a tw i t l la r cc h 锄e l s 戮 l 毳 l互l f l 图2 2 钻孔通道阀座 f 嘻2 - 2v 砒v es e a 士埘t l lh o l ec h a 衄e l s 广西大擘嚆孤士掌位论文住复j i e 缩机网状阀阀座号升程限制器强度研究蕴用 阀座气流通道的形状，在低压下使用的气阀为与阀片环数相同的同心环形( 弧形) 通 道，由数个径向连接筋相连，如图2 1 ：在高压下使用的气阀，为了保证其具有足够的 强度和刚性，用钻孔代替环形通道，如图2 2 。当阀座材质为铸铁或铸钢，其通道为铸 造成型时，常用环形通道；当阀座材质为锻钢，其通道为机械加工成型时，常用圆孔型 通道。阀座通道的环数，一般为1 8 环。阀座与阀片相接触一侧加工成一定深度的圆环 形槽，环槽边缘上制有密封凸台，凸台需经研磨，以便阀片关闭时贴在凸台上保持密封。 为了让气体通过，升程限制器也具有同心的环形通道。升程限制器环形通道与阀座 环形通道是错开的，气流从阀座、阀隙流过后，从升程限制器环形通道流出。升程限制 器各环形通道间由径向筋连接。升程限制器除限制阀片升程外，还作为气阀弹簧的支承 座，其上开有弹簧孔，且一般型式的升程限制器的弹簧孔底部，往往具有贯通的小孔， 以便排除可能聚集的润滑油、积炭及其它一些杂质。 为了降低阻力，低中压气阀阀座的通道沿气流方向成收敛形，而升程限制器的通道 做成扩张形。为使气阀的余隙容积小，阀座及升程限制器的厚度应尽可能小，同时这对 降低流动阻力损失也是有利的。 为了防止阀座和升程限制器相对转动，网状阀的阀座用螺钉或螺栓与升程限制器联 接。螺钉联接的优点是进、排气阀的阀座及升程限制器可以互换，如图2 3 ：缺点是螺 钉有可能断裂而落入气缸，造成重大事故，所以必须采用档圈。近年来气阀大多用螺栓 联接，低压时，螺孔制成通孔，为了防止工作时松动，螺栓端部应予铆死；高压时，为 防止通过螺纹漏气，螺孔制成盲孔，螺栓的防松依靠螺栓上的凸缘与阀座( 或升程限制 器) 造成挤压锁紧。 s u c t i ev a l v e 图2 3 进排气通用的气阀 f i g 2 - 3v a i v eu 跎f o r b o t l l 蚰c t i o n 姐dd i s c h 鹕e 1 2 广西大掣| 页士学位论文往复j o 五缩机网状阀阀座与升程限制器强度司院及应用 图2 - 4 为h 2 2 1 6 5 3 2 0 氮氢气压缩机新型结构一级进气阀，用于替代 h 2 2 1 6 5 3 2 0 氮氢气压缩机传统采用的环状阀，是一种典型的带自弹缓冲片压缩 机网状阀。图2 4 中从上至下依次为阀座、阀片、升程垫片、自弹缓冲片及升程限 制器。升程限制器上有缓冲片弹簧孔及阀片弹簧孔。缓冲片弹簧孔内装有缓冲片弹 簧，缓冲片弹簧压在缓冲片上。阀片弹簧孔内装有阀片弹簧，阀片弹簧穿过缓冲片 压在阀片上。 图2 - 4 带自弹缓冲片压缩机网状阀 f i g 2 4d i a g r a mo f t h ep l a t ev a l v ew i t hs e l f - e l a s t i c p l a ：t e so ft h ec o m p r e s s o r 2 3 压缩机网状阀阀座及升程限制器工作特性 图2 5 进气阀 f i g 2 - 5s u c t i o nv a l v e 阀座和升程限制器是网状阀的重要组成部件，阀座上的密封边经研磨，与阀片共同 构成对气体密封结构。以进气阀为例，如图2 5 ，压阀罩把升程限制器与阀座一起紧压 在气缸的阀孔上，其中上部分为阀座，下部分为升程限制器。当气缸与阀腔之间的气体 压力造成压力差，足以克服弹簧力及阀片和一部分弹簧的质量力时，阀片便开始开启。 阀片一旦离开阀座，便有气体通过阀座通道流进，通过阀隙通道，再由阀隙通道流入升 程限制器通道，最后进入气缸。在流入气体的推力作用下，阀片继续上升直接撞至升程 限制器。若气流推力大于弹簧力，阀片就停留在升程限制器上，直到活塞接近止点位置 时，活塞速度降低，进气速度和气流推力也相应减小，当气流推力不足以克服弹簧力时， 阀片便开始脱离升程限制器，向阀座方向运动，直到贴在阀座上。 13 广西大学硕士掌位论文往复武压缩机网状阀阀座与升程限制器强度研究蕴电嘲 由此可看出，阀座是在动载荷条件下工作的，阀座承受了和压缩机曲轴同频率变化 的气缸内的全部压差。而升程限制器基本上只承受气阀开启时的阀片撞击力、弹簧和气 阀全开时气流通过气阎时的阻力所引起的力。 2 4 压缩机网状阀阀座及升程限制器的结构设计【4 】 2 4 1 阀座的结构设计 1 、阀座材料 阀座的材料可根据承受的压力差、气体性质来选择，表