一種高壓供氣裝置的設(shè)計(jì)

周明陽， 陳青山， 石文星， 李中強(qiáng)

（中國空空導(dǎo)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(yīng)用于航空航天、機(jī)械制造、交通、能源、冶金、食品等行業(yè)，不同的行業(yè)對(duì)氣體的壓力、流量、潔凈度（如固體顆粒度、露點(diǎn)）等有不同的要求；隨著科學(xué)技術(shù)的發(fā)展，各行業(yè)對(duì)氣體質(zhì)量、供氣壓力等的要求越來越高，現(xiàn)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(dá)40 MPa，其集儲(chǔ)氣、供氣、過濾、穩(wěn)壓等諸多功能于一體，并同時(shí)具備電動(dòng)控制和壓力信號(hào)輸出等功能，體積小、集成度高、安全性好，對(duì)其他類型供氣裝置的設(shè)計(jì)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(shè)計(jì)原理

本高壓供氣裝置的設(shè)計(jì)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(jù)輸出端負(fù)載的需要進(jìn)行調(diào)節(jié)，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(dāng)需要給氣瓶組件充氣時(shí)，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(dāng)充氣壓力達(dá)到要求時(shí)，關(guān)閉三通閥即可；三通閥同時(shí)具有放氣功能，當(dāng)需拆卸氣瓶組件時(shí)，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(dāng)裝置對(duì)外供氣時(shí)，首先打開氣瓶組件的三通閥，氣瓶內(nèi)的高壓氣體依次通過過濾器、凈化器、壓力開關(guān)、止回閥和調(diào)壓閥，最終到達(dá)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(duì)外輸出。

圖1 高壓供氣裝置氣路系統(tǒng)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(diǎn)；壓力開關(guān)具有低壓報(bào)警功能，用于實(shí)時(shí)監(jiān)測(cè)裝置內(nèi)部的氣壓，保證負(fù)載的正常工作；止回閥用于防止兩側(cè)氣瓶組件內(nèi)的氣體相互干擾；調(diào)壓閥用于調(diào)節(jié)氣體的輸出壓力，可以根據(jù)負(fù)載的需求在0～40 MPa之間任意調(diào)節(jié)；電磁閥可實(shí)現(xiàn)對(duì)裝置的遠(yuǎn)程控制，只需控制電磁閥供電的通斷，就可控制其開啟和關(guān)閉，實(shí)現(xiàn)對(duì)氣路通、斷的控制，裝置最多可同時(shí)給8路負(fù)載供氣。

裝置通過止回閥和連接導(dǎo)管的巧妙設(shè)置，將兩部分對(duì)稱結(jié)構(gòu)連接起來，使其有機(jī)融合的同時(shí)又保持相互獨(dú)立，可以實(shí)現(xiàn)單側(cè)氣瓶組件同時(shí)給8個(gè)電磁閥供氣，即使一側(cè)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(tǒng)供給電磁閥，控制電磁閥的開啟與關(guān)閉；壓力開關(guān)與電磁閥串聯(lián)在氣路中，壓力開關(guān)預(yù)先設(shè)定有低壓報(bào)警值，當(dāng)氣路中壓力達(dá)到壓力開關(guān)壓力報(bào)警的下限時(shí)，壓力開關(guān)內(nèi)部觸點(diǎn)閉合，控制系統(tǒng)得到反饋信號(hào)的同時(shí)輸出報(bào)警信號(hào)，并切斷電磁閥的供電，裝置停止工作。

2 高壓供氣裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

高壓供氣裝置主要由氣瓶組件、控制組件及相應(yīng)的連接管路、電纜等組成。

2.1 整體結(jié)構(gòu)

高壓供氣裝置集成安裝于一個(gè)框架結(jié)構(gòu)內(nèi)，結(jié)構(gòu)布局如圖3所示，為對(duì)稱結(jié)構(gòu)，兩對(duì)稱結(jié)構(gòu)之間的氣路和電路分別通過連接導(dǎo)管和電纜連接。由于總體的結(jié)構(gòu)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(nèi)，充分利用框架的結(jié)構(gòu)特點(diǎn)，節(jié)省了空間。

圖3 結(jié)構(gòu)布局圖

2.2 氣瓶組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

氣瓶組件的結(jié)構(gòu)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(shí)現(xiàn)快速裝拆。氣瓶組件的固定結(jié)構(gòu)如圖3所示，采用大半圓的筒式設(shè)計(jì)，在保證結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的同時(shí)減輕了重量，并在氣瓶裝卸時(shí)起到導(dǎo)向作用；固定托架的尾端、卡箍均為球面結(jié)構(gòu)，與氣瓶緊密貼合，可在防止氣瓶組件軸向竄動(dòng)的同時(shí)阻止其周向轉(zhuǎn)動(dòng)；固定結(jié)構(gòu)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(nèi)貯存的氣體壓力；安全閥上裝有膜片，在氣瓶內(nèi)部壓力超過一定限度時(shí)膜片破裂，保證人員和設(shè)備的安全；三通閥有兩個(gè)功能，一是控制氣瓶內(nèi)氣體的輸入、輸出，二是當(dāng)其處于關(guān)閉狀態(tài)時(shí)，可將其后接管路內(nèi)的氣體放空，保證氣瓶組件裝拆時(shí)人員的安全。

圖4 氣瓶組件結(jié)構(gòu)圖

2.3 控制輸出組件結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)

控制組件的結(jié)構(gòu)布局如圖5所示，將電磁閥、止回閥、壓力開關(guān)、調(diào)壓閥及連接管路等集成在盒形殼體內(nèi)，結(jié)構(gòu)緊湊，單個(gè)控制組件內(nèi)裝有4個(gè)電磁閥，可同時(shí)給4路負(fù)載供氣，壓力開關(guān)用來實(shí)時(shí)監(jiān)控裝置的輸出壓力，調(diào)壓閥可根據(jù)負(fù)載的要求調(diào)節(jié)輸出壓力。盒式結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)，為電磁閥、調(diào)壓閥等精密器件提供了良好的使用環(huán)境，有利于延長其使用壽命，提高可靠性。

圖5 控制組件結(jié)構(gòu)圖

3 結(jié)論

根據(jù)工程需要，設(shè)計(jì)了集儲(chǔ)氣、供氣、凈化、過濾、穩(wěn)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(duì)稱結(jié)構(gòu)連接起來，使其有機(jī)融合的同時(shí)又保持相互獨(dú)立，提高了裝置的可靠性；氣瓶組件固定結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和控制組件的集成設(shè)計(jì)，保證了產(chǎn)品的快速裝拆和良好的環(huán)境適應(yīng)性，提高了裝置的使用性能。目前該裝置已投入使用，滿足實(shí)際使用要求，同時(shí)也為其他高壓供氣裝置的設(shè)計(jì)提供很好的借鑒。

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