活塞式壓縮機排氣量無級調節系統關鍵技術的研究

蔣營營　王晗　楊露

摘 要：隨著現代工業的快速發展，對工業裝置的應用提出更高的要求。以其中活塞式壓縮機為典型代表，其承擔氣體壓縮與輸送的職責，是提供裝置動力的關鍵部分。文章主要通過壓縮機熱力循環的相關概述、現代工業中無級調節系統應用的關鍵技術、優化調節系統的措施進行探析。

關鍵詞：活塞式壓縮機；氣量調節；無級調節系統；關鍵技術

前言

不可否認我國近年來工業領域中應用的壓縮機，其在調節氣量方面逐漸引入較多方式如頂開進氣閥、回流等調節措施。但實際應用中可發現因排氣量呈現明顯的階段性變化特征，若完全依托于傳統氣量調節方式很難使裝置保持平穩運行，甚至可能沖擊壓縮機裝置。在此背景下便引申出排氣量無級調節系統，其對于壓縮機節能減排目標的實現可起到突出的作用。因此，對無級調節系統技術要點分析具有十分重要的意義。

1 壓縮機熱力循環的相關概述

關于壓縮機熱力循環，通常在分析過程中多從氣缸單周期循環角度出發并引入相應的經驗細數對循環進行描述。以頂開進氣閥為例，在熱力循環分析中首先需對其氣量無級調節原理進行明確，原因在于氣量調節過程中很可能使壓縮機熱力循環發生偏離實際工況情形，如熱力循環中的壓縮行程，其在開始前存在進氣閥被頂開的可能，此時壓縮機活塞作用下將使氣體流回進氣腔中，使進氣閥回流問題在熱力循環中產生。這種情況下便需考慮到對回流時間進行控制，以實現無極調節目標。另外，從氣量調節系統應用現狀看，實際調節中進氣閥閥片運動極易受到影響，對此需要對活塞壓縮機循環過程假設以使閥片受影響問題得以分析，具體假設內容主要體現在：（1）假設節流小孔存在于每個氣閥中；（2）氣閥內的氣體流動以等熵流動表示，忽視相縫隙間流動中存在的熱傳遞問題，且利用等壓流動表示閥系向出口的氣體流動；（3）對氣體流動中發生位能、動能等進行忽略。通過具體氣閥動力假設試驗結果可得到，當閥片與運動氣閥相撞后，閥片將出現旋轉動作，且受壓叉影響，碰撞與運動速度存在一定差異。因此，無級調節系統功能的發揮需注重解決閥片碰撞問題[1]。

2 現代工業中無級氣量調節系統應用的關鍵技術分析

2.1 調節系統的基本構成

從調節系統運行的原理可發現，在液壓分配器作用下高壓液壓可能形成壓力脈沖波，其作用表現在活塞達到上止點時會對進氣閥進行頂開，且活塞在壓縮過程中會產生進氣閥回流問題，閥片彈簧力、氣體力會對整個回流發生作用，完成氣體壓縮過程。若需進行壓縮氣體量調節僅需做好壓力脈沖作用時間調節工作，可使無級連續調節目標得以實現。從整個過程中可發現，氣量調節系統在構成上主要以控制系統、液壓系統為主，也存在其他輔助部件包括上位機與下位機、卸荷器、油站以及流量計等。

2.2 調節系統中的液壓系統功能實現

作為調節系統的重要組成部分，液壓系統在功能實現上主要體現在液壓分配器與頂開機構卸荷器等方面。以液壓分配器為例，其作用在于壓力脈沖波的生成，設計中的關鍵在于確保驅動電機、分配器以及套筒安裝精度得以提高。若套筒間精度過高很容易造成液壓油中雜質無法被分配器容納，中間旋轉軸難以可靠運行，而精度過低的情況下會產生泄漏問題，因回流量較大不利于節能目標的實現。而在卸荷器構件方面，其主要為進氣閥頂開結構，實際應用中很容易因壓叉問題出現結構疲勞，設計過程中可考慮對氣閥壓叉內彈簧力進行增加，使系統得以正常工作，并保證其他如卸荷器管路以及進油管路等得以精準設計。

2.3 調節系統中控制系統功能實現

調節系統中控制系統對作用表現在中樞作用方面，是系統得以可靠運行的關鍵部分。其在構成中多體現在上位機、下位機、傳感器以及編碼器等方面。以下位機控制設計為例，在設計過程中首先需合理選擇同步控制方式，常見的方法如專家控制方法、PID控制方法以及模糊控制方式等。比較之下，若需同步控制分配器、電機，最適宜的方式主要以PID方式為主，其只需對壓縮機各級參數進行控制便可達到控制的目標。再以上位機控制設計為例，其在氣量調節系統中的作用主要表現在使氣量調節信號得以及時提供，如轉速、報警等信號，且可執行系統聯鎖保護功能。在設計過程中應根據壓縮機不同運行要求進行設計，如DCS監控系統對上位機控制的要求以及多級控制方案的選擇等[2]。

3 無級氣量調節系統的優化分析

無級調節系統應用下，閥片、壓叉存在的碰撞可能極大，其易使進氣閥在頂開、關閉等時間上出現延遲。對此現狀，在實際優化過程中可引入有限元分析方法。有限元模型在構建過程中主要考慮到也壓力作用下進氣閥的表現情況，且結合不同材料構建應用下閥片與壓叉碰撞的問題。根據以往學者實驗研究，有限元模型下除將液壓油油力與材料進行考慮外，還需對壓叉重量以及裝備進行分析，可推出：閥片與的碰撞在頂開階段發生的次數為三次或四次，碰撞后保持穩定；撞擊應力在液壓力增加情況下會表現出上升趨勢，需在實際設計中進行頂開油壓的控制工作；閥片撞擊力因裝配缺陷問題極易發生壓力增大情況，要求做好壓叉裝配傾斜角控制工作；在材料使用方面為保證結構剛度得以提高需做好主體材料選擇工作。這樣才可降低閥片碰撞對無級調節系統運行的影響[3]。

4 結束語

無級調節系統的應用是活塞式壓縮機功能得以發揮的關鍵部件。實際設計中應正確認識壓縮機熱力循環的內涵，保證調節系統各部分設計更為合理，且使閥片碰撞問題得以解決，提高活塞式壓縮機應用的節能效果。

參考文獻

[1]金江明.活塞式壓縮機排氣量無級調節系統關鍵技術的研究[D].浙江大學，2010.

[2]韓杰，謝元華，李拜依，等.活塞式壓縮機的研究進展[J].節能，2014，12：17-23+2.

[3]李大成，高金吉.部分行程頂開吸氣閥調節的時間控制理論分析[J].北京工業大學學報，2012，8：1143-1147.