一種高壓供氣裝置的設計

周明陽， 陳青山， 石文星， 李中強

（中國空空導彈研究院凱邁（洛陽）氣源有限公司，河南洛陽471003）

0 引言

高壓氣體廣泛應用于航空航天、機械制造、交通、能源、冶金、食品等行業，不同的行業對氣體的壓力、流量、潔凈度（如固體顆粒度、露點）等有不同的要求；隨著科學技術的發展，各行業對氣體質量、供氣壓力等的要求越來越高，現有供氣裝置的工作壓力一般在0.1～10 MPa之間，供氣壓力低、集成度不高，越來越難以滿足市場的需求。本文介紹的供氣裝置工作壓力可達40 MPa，其集儲氣、供氣、過濾、穩壓等諸多功能于一體，并同時具備電動控制和壓力信號輸出等功能，體積小、集成度高、安全性好，對其他類型供氣裝置的設計具有很高的借鑒作用，并具有良好的市場推廣前景。

1 高壓供氣裝置的設計原理

本高壓供氣裝置的設計原理主要分為氣路原理和控制原理兩部分。

1.1 氣路原理

高壓供氣裝置的工作壓力為40 MPa，輸出壓力可以根據輸出端負載的需要進行調節，其氣路原理如圖1所示。

1）充氣過程。如圖1所示，氣瓶組件主要由高壓氣瓶、壓力表、安全閥、三通閥組成，氣瓶組件與過濾器之間通過管路連接；當需要給氣瓶組件充氣時，將其與過濾器分離，將外界氣源通過三通閥與氣瓶組件連接，打開三通閥即可給氣瓶充氣，當充氣壓力達到要求時，關閉三通閥即可；三通閥同時具有放氣功能，當需拆卸氣瓶組件時，可通過三通閥將氣瓶組件與止回閥之間的氣體放空，保證氣瓶組件拆卸的安全。

2）工作過程。當裝置對外供氣時，首先打開氣瓶組件的三通閥，氣瓶內的高壓氣體依次通過過濾器、凈化器、壓力開關、止回閥和調壓閥，最終到達電磁閥，給電磁閥供電（26±4VDC），電磁閥開啟，高壓氣體即可通過電磁閥對外輸出。

圖1 高壓供氣裝置氣路系統原理圖

過濾器主要用于過濾氣體中的固體顆粒；凈化器用于吸附氣體中的水分，保證氣體的輸出露點；壓力開關具有低壓報警功能，用于實時監測裝置內部的氣壓，保證負載的正常工作；止回閥用于防止兩側氣瓶組件內的氣體相互干擾；調壓閥用于調節氣體的輸出壓力，可以根據負載的需求在0～40 MPa之間任意調節；電磁閥可實現對裝置的遠程控制，只需控制電磁閥供電的通斷，就可控制其開啟和關閉，實現對氣路通、斷的控制，裝置最多可同時給8路負載供氣。

裝置通過止回閥和連接導管的巧妙設置，將兩部分對稱結構連接起來，使其有機融合的同時又保持相互獨立，可以實現單側氣瓶組件同時給8個電磁閥供氣，即使一側氣瓶組件損壞也不影響裝置的正常使用，極大提高了裝置的可靠性。

圖2 高壓供氣裝置控制原理圖

1.2 控制原理

本裝置的控制原理簡單、可靠，其控制原理框圖如圖2所示。直流電通過控制系統供給電磁閥，控制電磁閥的開啟與關閉；壓力開關與電磁閥串聯在氣路中，壓力開關預先設定有低壓報警值，當氣路中壓力達到壓力開關壓力報警的下限時，壓力開關內部觸點閉合，控制系統得到反饋信號的同時輸出報警信號，并切斷電磁閥的供電，裝置停止工作。

2 高壓供氣裝置的結構設計

高壓供氣裝置主要由氣瓶組件、控制組件及相應的連接管路、電纜等組成。

2.1 整體結構

高壓供氣裝置集成安裝于一個框架結構內，結構布局如圖3所示，為對稱結構，兩對稱結構之間的氣路和電路分別通過連接導管和電纜連接。由于總體的結構空間限制，氣瓶組件采用懸掛的方式固定在框架上，控制輸出組件鑲嵌在框架內，充分利用框架的結構特點，節省了空間。

圖3 結構布局圖

2.2 氣瓶組件結構設計

氣瓶組件的結構如圖4所示，高壓氣瓶上安裝有安全閥、壓力表和三通閥等，三通閥與連接管路之間用快速接頭連接，不需工具即可實現快速裝拆。氣瓶組件的固定結構如圖3所示，采用大半圓的筒式設計，在保證結構強度的同時減輕了重量，并在氣瓶裝卸時起到導向作用；固定托架的尾端、卡箍均為球面結構，與氣瓶緊密貼合，可在防止氣瓶組件軸向竄動的同時阻止其周向轉動；固定結構采用彈性鎖扣鎖緊，保證了氣瓶組件裝、拆的方便、快捷，提高了裝置的使用性能。壓力表用于指示氣瓶內貯存的氣體壓力；安全閥上裝有膜片，在氣瓶內部壓力超過一定限度時膜片破裂，保證人員和設備的安全；三通閥有兩個功能，一是控制氣瓶內氣體的輸入、輸出，二是當其處于關閉狀態時，可將其后接管路內的氣體放空，保證氣瓶組件裝拆時人員的安全。

圖4 氣瓶組件結構圖

2.3 控制輸出組件結構設計

控制組件的結構布局如圖5所示，將電磁閥、止回閥、壓力開關、調壓閥及連接管路等集成在盒形殼體內，結構緊湊，單個控制組件內裝有4個電磁閥，可同時給4路負載供氣，壓力開關用來實時監控裝置的輸出壓力，調壓閥可根據負載的要求調節輸出壓力。盒式結構設計，為電磁閥、調壓閥等精密器件提供了良好的使用環境，有利于延長其使用壽命，提高可靠性。

圖5 控制組件結構圖

3 結論

根據工程需要，設計了集儲氣、供氣、凈化、過濾、穩壓、輸出控制等諸多功能于一體的高壓供氣裝置，通過巧妙的氣路布局，將兩部分對稱結構連接起來，使其有機融合的同時又保持相互獨立，提高了裝置的可靠性；氣瓶組件固定結構設計和控制組件的集成設計，保證了產品的快速裝拆和良好的環境適應性，提高了裝置的使用性能。目前該裝置已投入使用，滿足實際使用要求，同時也為其他高壓供氣裝置的設計提供很好的借鑒。

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