CFA34空壓機三級進氣閥損壞故障分析及改進

袁宗澤，聶 方，王福維，鄧 斌

（中國空氣動力研究與發展中心技術勤務站，四川綿陽 621000）

CFA34空壓機三級進氣閥損壞故障分析及改進

袁宗澤，聶 方，王福維，鄧 斌

（中國空氣動力研究與發展中心技術勤務站，四川綿陽 621000）

針對CFA34空壓機三級進氣閥頻繁出現閥座斷裂、閥片破裂及密封面磨損等故障，分別從閥片材料、氣閥流通性、彈簧載荷3要素進行分析，設計新型氣閥，采用新型PEEK非金屬材料，改進密封面設計，優化彈簧性能。實驗證明，新氣閥改善了機組性能，設備故障率、生產和維護成本降低。

空壓機；進氣閥；PEEK材料；流通性能；彈簧載荷

10.16621/j.cnki.issn1001-0599.2017.05.33

0 引言

高壓空氣站5套美國卡麥隆（CAMERON）CFA34型活塞式空壓機組，前級經阿特拉斯GR200W-20型螺桿機增壓至1.9 MPa，四級壓縮，流量45 m3/min，排氣壓力32 MPa，2012年7月陸續投入運行。空壓機所用氣閥均為進口賀爾碧格氣閥，自投運以來三級進氣閥的使用壽命平均僅有數十臺時，損壞頻率較高，出現了閥座損壞、閥桿斷裂、閥片徑向斷裂等問題，增加了保運維護工作的復雜性。

1 CFA34型空壓機簡介

1.1 技術參數

CFA34型空壓機為四列對稱平衡式結構（圖1），主要技術參數：排氣量（入口狀態）45 m3/min；氣缸分布，1列（螺桿1 3/4級，3英寸/1.5英寸），2列（螺桿2 2級，3.875英寸），3列（螺桿3 3/4級，3英寸/1.5英寸），4列（螺桿4 1級，5.125英寸）1級吸氣壓力1.9 MPa；各級排氣壓力3.9/8.6/21/32 MPa；各級排氣溫度142/140/ 148/92℃；電機10 kV，355 kW，1490 r/min。

圖1 CFA34壓縮機機身結構

1.2 空壓機氣閥

氣閥是壓縮機的重要部件，作用是控制氣體及時吸入與排出氣缸[1]。氣閥分為進氣閥、排氣閥及組合閥，一般由閥座、閥片、中心螺栓、彈簧片及升程限位器等組成。閥座上有可以被閥片覆蓋的氣流通道，可以與閥片共同閉鎖進氣通道；閥片根據兩側壓力差自動交替開啟關閉閥座通道；彈簧在關閉時推動閥片落向閥座，開啟時抑制閥片撞擊限位升程器[2]。活塞每往復運動1次，吸氣閥、排氣閥各開閉1次，從而控制活塞機完成吸氣、壓縮、排氣等工作過程。

氣閥中任何一個零件的損傷均會影響其性能。研究實踐表明：①在高壓、高溫、高頻下使用，氣閥閥片與閥座撞擊壓力及顫振應力，極易造成閥片斷裂；②閥座與閥片的密封面磨損造成氣閥漏氣，影響機組壓縮氣體溫度；③氣閥的彈簧力直接影響閥片的運動規律和氣閥的能量損失，彈簧力的過大過小都會影響閥片的壽命[3]。文獻總結，影響氣閥可靠性的因素主要有3個，氣閥材料、氣閥流通性、閥片及彈簧載荷[4]。

2 故障原因分析

三級進氣閥（52RLX型）為金屬網狀閥，運維中因三級進氣閥導致機組報警或停機的故障主要有閥片碎裂、密封面磨損、中心螺栓破損及閥座損壞等（圖2）。可分別從氣閥材料、氣閥流通性、閥片及彈簧載荷對氣閥進行分析及計算。

圖2 三級進氣閥常見故障

2.1 材料方面

52RLX型閥閥片為金屬鋼片，為平面密封形式。鋼制閥片有2個明顯缺點：①對雜質敏感，采用平面密封形式時極易造成小顆粒卡在密封面導致密封不嚴而竄氣，甚至撞擊碎裂；②金屬閥片與金屬閥座之間沖擊頻繁，易造成損壞。閥座與中心螺栓為固定連接，閥片開啟時，彈簧運動受到升程限位器的限制，中心螺栓與閥座連接處承受作用力較大，長期運行易造成疲勞損壞。三級氣缸為有油潤滑方式，運行中潤滑油附著于閥片和閥座表面、產生粘滯力，平面密封的形式又進一步加大了粘滯力。當閥片開啟吸氣時，閥片必須克服潤滑油的粘滯力，導致開啟延遲，影響進氣量。此外，閥片與閥座均為金屬材料，在高轉速下兩者頻繁沖擊極易造成疲勞碎裂。

2.2 流通性方面

通過賀爾碧格氣閥專業氣閥設計軟件ITKK對52RLX進行測算，得到部分氣動數據：Pfo/Pfc，0.51/0.19；彈簧承載T90，1.5；固有頻率281.8 Hz；q值4.71；壓力損失率4.74%；功率損失率1.52%；壓力損失208 kPa；dpmax=4.29；ΔT=3.01；其中q為氣閥閥損綜合因子。據此得出閥有效流通面積2.62 cm2，壓力損失208 kPa，損失率4.74%，耐沖擊速度2.5 m/s。壓縮機中氣體通過氣閥時有消耗，損失的功率約為每一級功率的5%～20%，因此在設計時應盡減少閥損失，以提高經濟效益。根據氣閥設計標準，壓力損失應控制在3%～5%。

2.3 彈簧載荷方面

通過ITKK對彈簧進行動態模擬仿真（圖3），發現在180°曲柄轉角時彈簧尚未關閉，即存在明顯延遲現象。延遲關閉會導致在閥片尚未到達閥座密封面時，后面就有高壓氣體直接推動閥片以更高的速度撞向閥座，撞擊力增加，閥片更易斷裂。此外，金屬閥片的撞擊速度超出其允許值的70%。據此分析，52RLX彈簧存在延遲關閉問題，導致氣閥閥片撞擊速度大幅升高，造成閥片碎裂及閥座損壞。

圖3 改進前氣閥彈簧動態模擬圖

3 改進措施

分別對閥片材料、閥型及彈簧進行重新選型及設計，開發出新型非金屬環狀堿級進氣閥（CPS閥）。

3.1 改變閥片材料

針對金屬閥片易損壞及易密封不嚴的缺點，選用非金屬材料-增強型聚醚醚酮（Power PEEK），熱變形溫度250～300℃、柔韌性好、對交變應力的優良耐疲勞性可與合金媲美[6]。同時，該材料熱膨脹系數低、不易變形、密封性好且穩定性高。由于PEEK材料密度、彈性模量比金屬小，可用接觸應力公式（1）計算[5]。

式中σ——接觸應力

v——撞擊速度

E——彈性模量

ρ——撞擊物密度

增強型PEEK閥片與閥座、升程限位器接觸應力小。據賀爾碧格提供的閥片耐沖擊性試驗結果，增強型PEEK和常規PEEK的耐沖擊速度分別為10 m/s和4 m/s，金屬閥片的耐沖擊速度僅2.5 m/s。可見，改進后閥片的耐沖擊性為改進前的4倍。

3.2 閥型優化

新型CPS閥的閥座及閥片采用斜面槽道設計，閥型采用整體閥環結構，同時采用非金屬閥片和非金屬緩沖片的雙緩沖結構。新型CPS閥有3個優勢：①與平面密封相比，斜面槽道設計可增強密封性并提高氣流流通性能，降低壓力損失（圖4）；②氣閥整體閥環結構型式，既摒棄了傳統閥片流道非優化結構，同時避免了單獨閥環結構的各個環間開啟與關閉不同步問題；③非金屬材料的閥片及緩沖片，可大大降低閥片的撞擊速度和粘滯力，減少閥片脫離閥座及閥蓋時的沖擊力，雙緩沖設計可減少和避免閥片與閥座的不平行撞擊[4]。

通過模擬計算，改進前后氣閥的流通面積對比見圖5。由圖 5可知，新型CPS閥的有效流通面積提高。通過ITKK軟件，測算出改進前52RLX型閥與改進后CPS閥的關鍵數據（表1）。

圖4 閥片型面密封形式

圖5 改進前后流通面積曲線

表1 改進前后氣閥參數對比

3.3 彈簧載荷優化

針對彈簧的延遲關閉問題，對彈簧力進行重新設計，改進后的動態模擬見圖6。從圖6可知，改進后氣閥不存在延遲關閉現象，因閥片未到達閥座密封面時被高壓氣體強制推動沖擊閥座的概率降低、撞擊力減小，也降低了閥片斷裂的概率。

4 實驗對比

針對CFA34空氣機開展開機運行實驗（其他任何硬件及工況不變），觀測二級排氣壓力與排氣溫度情況和三級進氣閥壽命情況，得到圖7、圖8的實驗結果。

從圖7可看出，二級排氣壓力較改造前下降了5.2%，壓力超壓現象得到有效緩解，設備連續運行的穩定性提高，證明三級排氣閥密封性能有所提升。從圖8可知，改進后氣閥的使用壽命大幅提高，設備故障率和維護成本降低。

圖6 改進后彈簧動態模擬圖

圖7 改進前后二級排氣壓力對比

5 結束語

圖8 改進前后三級進氣閥使用壽命對比

針對CFA34空壓機三級進氣閥故障率高的問題，通過理論分析及數值計算，從采用新型PEEK材料、更換密封形式、優化彈簧性能等方面對氣閥進行改進和設計，提高了氣閥的使用壽命，有效緩解了二級排氣壓力超壓問題，生產成本降低。由于系統內的高含油量、碳鋼管道有銹渣等原因，氣閥壽命短于常規轉速往復活塞空壓機的壽命，因此提高氣閥壽命是未來的研究方向。

［1］曾憲山.氣閥在活塞壓縮機上的應用［J］.技術與市場，2011，18（7）：81.

［2］林梅，吳業正，吳丹青.壓縮機環狀閥原理［M］.北京：化學工業出版社，1982.

［3］王德忠，邢萬坤.活塞壓縮機氣閥損壞原因分析［J］.壓縮機技術，2008（5）：40-43.

［4］賀運初，孫屬愷，潘樹林.氣閥對往復壓縮機主要性能的影響分析［J］.壓縮機技術，2010（6）：5-7.

［5］賀運初，潘樹林，鄒鶴.閥片材料為聚醚醚酮的壓縮機氣閥設計與應用［J］.壓縮機技術，2011（3）：21-24.

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〔編輯 吳建卿〕