帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)

潘樹林，伍永強(qiáng)，廣柯平，歐勝芳

（1．廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；2．浙江浙歐氣閥制造有限公司，浙江溫州325006）

帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)

潘樹林1，伍永強(qiáng)1，廣柯平1，歐勝芳2

（1．廣西大學(xué)廣西石化資源加工及過程強(qiáng)化技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣西南寧530004；2．浙江浙歐氣閥制造有限公司，浙江溫州325006）

提出一種新型結(jié)構(gòu)自彈緩沖片，這種緩沖片中心無彈性臂，自身設(shè)計(jì)成為一彈性體。自彈緩沖片剛性系數(shù)較大，可采用較大緩沖片彈簧力，同時(shí)自身工作過程應(yīng)力較小，具有良好的可靠性。對(duì)帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)進(jìn)行闡述，利用ANSYS有限元分析軟件計(jì)算自彈緩沖片剛性系數(shù)、等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及應(yīng)力，并給出了其工程計(jì)算公式以方便自彈緩沖片的設(shè)計(jì)。帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥應(yīng)用于一系列大中型壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)或改造，效果良好。

壓縮機(jī)；網(wǎng)狀閥；自彈緩沖片；結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)；工程計(jì)算

1　引言

氣閥是安裝在壓縮機(jī)氣缸上控制氣體進(jìn)出的部件，氣閥對(duì)壓縮機(jī)經(jīng)濟(jì)性與可靠性有著重要影響，常被比作壓縮機(jī)的“心臟”［1］。壓縮機(jī)氣閥結(jié)構(gòu)型式眾多，國(guó)內(nèi)大中型壓縮機(jī)普遍采用環(huán)狀閥與網(wǎng)狀閥。網(wǎng)狀閥與環(huán)狀閥相比而言，閥片各環(huán)連成一體，整個(gè)閥片起落較一致；在相同安裝直徑時(shí)，網(wǎng)狀閥可以加工成通道數(shù)較多和寬度較小的環(huán)，升程相同時(shí)，網(wǎng)狀閥閥隙周長(zhǎng)與面積均較大，故氣閥有效通流面積大，效率較高［2］。為節(jié)能降耗需要，近年來，網(wǎng)狀閥應(yīng)用越來越廣泛。

從理論上講，網(wǎng)狀閥可以不需要緩沖片，這樣一來，氣閥結(jié)構(gòu)就簡(jiǎn)單多了。但實(shí)踐表明，網(wǎng)狀閥如果不采用緩沖片，其使用壽命低于環(huán)狀閥。其原因是網(wǎng)狀閥片形狀較復(fù)雜，工作過程應(yīng)力復(fù)雜，易產(chǎn)生應(yīng)力集中。為降低閥片與升程限制器碰撞速度，提高氣閥使用壽命，網(wǎng)狀閥通常設(shè)置緩沖片。網(wǎng)狀閥緩沖片分為有摩擦緩沖片與無摩擦緩沖片［1］。有摩擦緩沖片工作過程需導(dǎo)向，緩沖片與導(dǎo)向塊配合面存在摩擦與磨損。有摩擦緩沖片工作過程中，被當(dāng)作剛體考慮，因此設(shè)計(jì)較容易。無摩擦緩沖片工作過程不需導(dǎo)向，不存在摩擦與磨損。由于無摩擦緩沖片工作過程中存在彈性變形，因此相對(duì)較難設(shè)計(jì)。本文自彈緩沖片是一種新型結(jié)構(gòu)無摩擦緩沖片，與傳統(tǒng)無摩擦緩沖片相比，剛性系數(shù)較大，可采用較大緩沖片彈簧力，因而緩沖效果較好，同時(shí)自身工作過程應(yīng)力較小，具有良好的可靠性［3］。下面闡述帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)。

2　帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

圖1結(jié)構(gòu)為傳統(tǒng)典型無摩擦網(wǎng)狀閥。該結(jié)構(gòu)氣閥適用壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速范圍較廣、氣閥安裝直徑較大等場(chǎng)合，既可適用于有油壓縮機(jī)，又可適用于無油壓縮機(jī)，特別是用于大中型無油壓縮機(jī)的帶金屬閥片氣閥，圖1結(jié)構(gòu)幾乎是傳統(tǒng)唯一適用的結(jié)構(gòu)。圖1中，從下至上依次為閥座、閥片、升程墊片、緩沖片及升程限制器。

通常，閥片在靠中心固定部位與外側(cè)運(yùn)動(dòng)部位之間設(shè)計(jì)1個(gè)彈性臂，以降低閥片彈性臂工作過程應(yīng)力。閥片上壓有彈簧，稱之為閥片彈簧。升程墊片可置于閥片與緩沖片之間，也可置于閥片兩側(cè)。緩沖片通常采用2片，緩沖片在靠中心固定部位與外側(cè)運(yùn)動(dòng)部位之間設(shè)計(jì)2個(gè)彈性臂。緩沖片開有徑向槽或是圓孔，以便閥片彈簧穿過緩沖片壓在閥片上。緩沖片上壓有彈簧，稱之為緩沖片彈簧。

圖1結(jié)構(gòu)采用緩沖片與緩沖片彈簧不僅能大幅降低閥片與升程限制器的碰撞速度以及閥片傾側(cè)運(yùn)動(dòng)的幅度，大幅提高氣閥壽命，同時(shí)還有利于氣閥及時(shí)關(guān)閉［4］。

圖1無摩擦網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)的重點(diǎn)與難點(diǎn)是緩沖片彈性臂的設(shè)計(jì)。當(dāng)緩沖片彈性臂剛度較小時(shí)，壓在緩沖片上的彈簧力較小，緩沖作用較小，閥片容易損壞。當(dāng)緩沖片彈性臂剛度較大時(shí)，壓在緩沖片上的彈簧力較大，緩沖片彈性臂兩端部因應(yīng)力較大而容易發(fā)生疲勞斷裂［3］。事實(shí)上，國(guó)內(nèi)許多壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)人員為避免緩沖片彈性臂兩端部應(yīng)力過大，而把緩沖片彈性臂剛度設(shè)計(jì)得較小，如緩沖片也只設(shè)計(jì)1個(gè)彈性臂，緩沖片上不再設(shè)置緩沖片彈簧，同時(shí)把升程墊片置于緩沖片兩側(cè)，但這樣一來，緩沖效果明顯下降［4］。為解決這一難題，需要對(duì)圖1中緩沖片結(jié)構(gòu)進(jìn)行改進(jìn)。

圖2為一典型帶自彈緩沖片無摩擦網(wǎng)狀閥［5］。圖2所示氣閥與圖1所示氣閥結(jié)構(gòu)類似，不同之處僅在于緩沖片結(jié)構(gòu)不同。圖2氣閥中緩沖片中心固定部位沒有彈性臂，緩沖片自身設(shè)計(jì)成為一彈性體，因而這種緩沖片稱之為自彈緩沖片。自彈緩沖片各環(huán)之間由筋連接，其在緩沖片彈簧力作用下的彈性變形主要是指各連接筋的變形。自彈緩沖片除最外環(huán)外，里面各環(huán)由直槽斷開。這樣，一方面閥片彈簧可以從這些槽中穿過壓在閥片上，另一方面最主要的是可以降低緩沖片自身的剛度。

圖1　傳統(tǒng)無摩擦網(wǎng)狀閥

圖2　帶自彈緩沖片無摩擦網(wǎng)狀閥

圖2結(jié)構(gòu)無摩擦網(wǎng)狀閥自彈緩沖片數(shù)為1～3，通常為2。緩沖片連接筋條數(shù)為4～8，外徑越大，則連接筋越多；緩沖片連接筋寬與閥片對(duì)應(yīng)部位筋寬一致。緩沖片單條連接筋上按需要可設(shè)置1～3個(gè)緩沖片彈簧，緩沖片彈簧通常分布于緩沖片外側(cè)，這樣既能使緩沖片產(chǎn)生較大變形，又可以減小傾側(cè)運(yùn)動(dòng)幅度［4］。

由于塑料閥片具有良好的抗疲勞及抗沖擊性能，自潤(rùn)滑性好，因此近年來，采用塑料閥片的壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥逐漸增多。塑料網(wǎng)狀閥片中心不設(shè)置彈性臂，流道數(shù)更多，允許的升程更大，因此通流面積更大，效率更高。自彈緩沖片同樣適用于帶塑料閥片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥中［6］，其結(jié)構(gòu)如圖3。圖3結(jié)構(gòu)氣閥能用于有油壓縮機(jī)，更適用于無油壓縮機(jī)。

圖3　帶自彈緩沖片與塑料閥片的網(wǎng)狀閥

3　自彈緩沖片計(jì)算

氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律對(duì)壓縮機(jī)氣閥的經(jīng)濟(jì)性與可靠性有重要影響［1］。良好的經(jīng)濟(jì)性要求氣閥全開時(shí)有效通流面積大，且氣閥能及時(shí)開啟、關(guān)閉并有較長(zhǎng)的全開期。良好的可靠性要求氣閥工作過程中各元件沖擊速度、應(yīng)力及沖擊應(yīng)力較小。壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)時(shí)，必須計(jì)算模擬氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律。氣閥運(yùn)動(dòng)規(guī)律與彈簧力、運(yùn)動(dòng)質(zhì)量等有關(guān)。為使緩沖片自身有很好的可靠性，還需計(jì)算緩沖片的應(yīng)力。自彈緩沖片結(jié)構(gòu)與傳統(tǒng)無摩擦緩沖片不同，其剛性系數(shù)、等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量及應(yīng)力計(jì)算也不同。由于自彈緩沖片形狀較為復(fù)雜，通常采用有限元方法計(jì)算［3］。下面以圖2中自彈緩沖片為例，對(duì)其進(jìn)行計(jì)算。

圖2中自彈緩沖片俯視圖如圖4，自彈緩沖片中心緊貼升程墊片的部位為固定部位，最外環(huán)外圓為自由端，圖4中A～H處壓有緩沖片彈簧。顯然，在緩沖片彈簧力的作用下，緩沖片存在變形與應(yīng)力。緩沖片的最大撓度在最外環(huán)外圓處，最大應(yīng)力在連接筋根部與中心固定環(huán)接合部位。

自彈緩沖片剛性系數(shù)Ks定義為［3］

圖4　自彈緩沖片

式中Fs——壓在緩沖片上的總彈簧力

Wmax——自彈緩沖片最大撓度

自彈緩沖片各環(huán)撓度不一樣，用單質(zhì)點(diǎn)數(shù)學(xué)模型分析氣閥的運(yùn)動(dòng)規(guī)律時(shí)，緩沖片的運(yùn)動(dòng)質(zhì)量則需采用等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量。自彈緩沖片等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量可由瑞利法求得，以自彈緩沖片的靜態(tài)撓曲面作為振動(dòng)形狀，采用有限元方法計(jì)算時(shí)，自彈緩沖片的等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量Meq為［3］

式中ρ——自彈緩沖片的密度

Wi——第i個(gè)單元的平均撓度

ΔVi——第i個(gè)單元的體積

對(duì)圖4所示自彈緩沖片，當(dāng)其最外環(huán)外徑為332 mm，筋寬為16 mm，中心固定環(huán)外徑為74 mm，升程墊片外徑為52 mm，最外環(huán)寬為13 mm，中間各環(huán)寬為10 mm，環(huán)與環(huán)間槽寬為5 mm，緩沖片厚為2 mm，緩沖片彈簧中心所在圓直徑為312 mm，各環(huán)切開槽寬為30 mm，緩沖片材料為3Cr13時(shí)，通過ANSYS有限元分析軟件計(jì)算［3］，得到自彈緩沖片的剛性系數(shù)為32.4 kN/m，等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量為0.318 kg。當(dāng)緩沖片的最大撓度為1 mm時(shí)，緩沖片最大應(yīng)力為44.6 MPa。

壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥自彈緩沖片工程設(shè)計(jì)時(shí)，采用有限元分析軟件計(jì)算通常較為復(fù)雜?？紤]到自彈緩沖片連接筋的變形與懸臂梁的變形有相似之處，自彈緩沖片的剛性系數(shù)可以采用下面公式近似計(jì)算［7］

式中nr——連接筋條數(shù)

EI——連接筋抗彎剛度

l——連接筋根部到最外環(huán)外徑之間距離

a——彈簧中心到連接筋根部之間距離

CK——修正系數(shù)

修正系數(shù)CK主要受到連接筋相對(duì)寬度λr的影響，λr為連接筋寬度與最外環(huán)寬度之比。λr一般在1～2之間取值，此時(shí)，CK在1.2～1之間取值，λr越大，CK越小。

自彈緩沖片最大應(yīng)力工程計(jì)算公式采用下面懸臂梁最大應(yīng)力計(jì)算公式［7］，實(shí)際自彈緩沖片最大應(yīng)力小于懸臂梁最大應(yīng)力，采用下面公式計(jì)算自彈緩沖片最大應(yīng)力是偏安全的。

式中b——自彈緩沖片連接筋的寬度

h——自彈緩沖片厚度

自彈緩沖片等效運(yùn)動(dòng)質(zhì)量采用下面公式近似計(jì)算［7］

式中mi——各運(yùn)動(dòng)環(huán)質(zhì)量

n——運(yùn)動(dòng)環(huán)數(shù)

Wci——各運(yùn)動(dòng)環(huán)中心線按懸臂梁計(jì)算的撓度

Wcmax——緩沖片按懸臂梁計(jì)算的最大撓度

mr——最內(nèi)運(yùn)動(dòng)環(huán)與中心固定環(huán)之間連接筋的質(zhì)量

Wre——連接筋靠最內(nèi)運(yùn)動(dòng)環(huán)端的撓度

Ce——修正系數(shù)

修正系數(shù)Ce在1.01～1.06之間取值，當(dāng)連接筋相對(duì)寬度λr較小、運(yùn)動(dòng)環(huán)數(shù)n較大時(shí)，Ce取較大值。

通過對(duì)各種不同結(jié)構(gòu)參數(shù)自彈緩沖片與傳統(tǒng)無摩擦緩沖片彈性臂計(jì)算分析表明，由于與傳統(tǒng)無摩擦緩沖片彈性臂相比，自彈緩沖片連接筋條數(shù)較多，連接筋較寬，因此自彈緩沖片剛性系數(shù)較大，工作過程應(yīng)力較小。帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)時(shí)，可以通過提高壓在緩沖片上的彈簧力，來提高緩沖性能，使閥片壽命延長(zhǎng)，同時(shí)還有利于氣閥及時(shí)關(guān)閉。壓在緩沖片上的彈簧力提高還有助于降低壓在閥片上的彈簧力，對(duì)低壓級(jí)而言，可以使壓力系數(shù)與壓縮機(jī)排氣量提高［8］。

帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)時(shí)，自彈緩沖片剛性系數(shù)應(yīng)與壓在緩沖片上的彈簧力匹配。當(dāng)自彈緩沖片剛性系數(shù)過大時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)下緩沖片靠升程限制器過近；當(dāng)自彈緩沖片剛性系數(shù)過小時(shí)，靜止?fàn)顟B(tài)下緩沖片靠閥片過近；2種情況的緩沖效果均不好。通常，靜止?fàn)顟B(tài)下自彈緩沖片的最大撓度為升程的40%左右較為合適［3］。自彈緩沖片剛性系數(shù)可通過改變緩沖片厚度、連接筋長(zhǎng)度、寬度等達(dá)到要求。

4　結(jié)論

自彈緩沖片與傳統(tǒng)無摩擦緩沖片相比，剛性系數(shù)較大，同時(shí)自身工作過程應(yīng)力較小，具有良好的可靠性。帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥設(shè)計(jì)時(shí)，可以采用較大的緩沖片彈簧力，以提升緩沖效果；同時(shí)還可以降低壓在閥片上的彈簧力，提高低壓級(jí)的壓力系數(shù)與壓縮機(jī)排氣量。自彈緩沖片既可用于帶金屬閥片網(wǎng)狀閥，也可用于帶塑料閥片網(wǎng)狀閥。帶自彈緩沖片無摩擦網(wǎng)狀閥、帶自彈緩沖片與塑料閥片的網(wǎng)狀閥可用于有油、無油壓縮機(jī)。迄今為止，帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥已用于4M12、4D12、4M16、4M20、4M22、4M32、4M50、H22、6M25、6M32、6M40、6M50、MH、D、DW、L、LW、VW、ZW等系列50余種壓縮機(jī)氣閥設(shè)計(jì)或改造，效果良好，自彈緩沖片工作過程中從未發(fā)生斷裂，帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥具有良好的綜合性能。

［1］林梅，吳業(yè)正.壓縮機(jī)自動(dòng)閥［M］.西安：西安交通大學(xué)出版社，1991.

［2］王迪生，楊樂之.活塞式壓縮機(jī)結(jié)構(gòu)［M］.北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1990.

［3］潘樹林，龔曙光，盧朝霞，等.帶自彈緩沖片壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥研究及應(yīng)用［J］.中國(guó)機(jī)械工程，2004，15（3）：214-217.

［4］潘樹林，劉小龍，伍永強(qiáng)，等.大型無油壓縮機(jī)氣閥結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2013，（4）：54-57.

［5］潘樹林，謝蓮花，楊霖.一種壓縮機(jī)氣閥：中國(guó)，98217013.0［P］.

［6］潘樹林，李小華，姜輝.帶自彈緩沖片網(wǎng)狀閥：中國(guó)，201120097439.2［P］.

［7］莫乾賜.壓縮機(jī)網(wǎng)狀閥自彈緩沖片研究［D］.南寧：廣西大學(xué)，2005.

［8］唐翠華，張秀娟，袁本中.氣閥彈簧力對(duì)壓力系數(shù)的影響及控制［J］.壓縮機(jī)技術(shù)，2010，（4）：30-32.

Design of Compressor Plate Valves with Self-elastic Damping Plates

PAN Shu-lin1，WU Yong-qiang1，GUANG Ke-ping1，OU Sheng-fang2
（1.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Zhejiang Zheou Valves Manufacture Co.，Ltd.，Wenzhou 325006，China）

A new self-elastic damping plate is presented.There are no elastic arms in the center of the damping plate，and the damping plate is designed as a se1f-elastic plate.Because of the higher stiffness coefficient of the damping plate，the larger spring force can be loaded on it.Because of the smaller stresses in the working process，the reliability of the damping plate is higher.The structural design of the valve with self-elastic damping plates is illustrated.The stiffness coefficient，the stresses and the equivalent motion mass of the self-elastic damping plate are calculated by ANSYS software.Their engineering calculation formulae are provided for the easier design of the self-elastic damping plate.The valves with the self-elastic damping plates are used in series of large and middle-sized compressors，and the results are good.

compressor；plate valve；self-elastic damping plate；structural design；engineering calculation

TH457；TH138.52

A

1006-2971（2015）01-0027-04

潘樹林（1970-），男，教授，博士，研究方向?yàn)閴嚎s機(jī)氣閥。E-mail：panshulin@163.com

2014-08-11

科技型中小企業(yè)技術(shù)創(chuàng)新基金資助項(xiàng)目（13C26213302272）