吸附式壓縮空氣干燥器用組合換向閥

張成彥，譚躍進，李金祿，姜慧君，李小仨

（合肥通用機械研究院 壓縮機技術國家重點實驗室，安徽 合肥 230031）

1 概述

在吸附式壓縮空氣干燥器、變壓吸附制氮機等設備的工作原理中，進氣部分一般為四閥結構。該結構占用空間大、笨重，在高壓設備中更為明顯，針對高壓吸附式干燥器的減重要求，發明了組合換向閥，該閥能夠代替原有的四閥結構，結構簡單、重量輕、可靠性高，傳統四閥結構與組合換向閥結構的吸附式干燥器工作原理圖見圖1。傳統四閥結構與組合換向閥結構實物對比見圖2，由圖2可以看出，組合換向閥結構不僅替代了四個閥，而且減少了四個氣動執行裝置，體積和重量降低了很多。

圖1 傳統四閥結構與組合換向閥結構工作原理對比圖

圖2 傳統四閥結構與組合換向閥結構實物對比圖

2 基本參數

該組合換向閥設計之初主要針對的是高壓空氣干燥過濾裝置的減重問題，其具體參數包括適用介質：壓縮空氣；工作壓力：15MPa；工作流量：50m3/h；驅動方式：低壓壓縮空氣直接驅動柱塞，壓力0．8MPa；主體材料：316SS；主要密封材料：氟橡膠O型圈、四氟墊。

后期可以針對不同壓力和流量的吸附式壓縮空氣干燥器和變壓吸附制氮機進行重新設計，以滿足不同應用場合的需求。

3 工作原理

吸附式壓縮空氣干燥器在一個完整工作周期中，共有四種狀態，即A塔工作，B塔再生；A塔工作，B塔升壓；B塔工作，A塔再生；B塔工作，A塔升壓。組合換向閥的功能就是要能夠實現這四種工作狀態，其工作狀態的轉換則是通過均壓閥柱塞和主換向閥柱塞的動作來實現的。

如圖3所示，此時柱塞狀態實現的是A塔工作，B塔升壓過程，具體流程為：進氣經換向閥導向套2 (9)及與主換向閥柱塞（8）的聯通部位進入A塔；此時均壓閥柱塞（1、3）處于壓緊泄放墊（密封）、脫離均壓墊（聯通）狀態，A塔的高壓空氣通過換向閥導向套1(6)及與主換向閥柱塞（8）的聯通部位、閥體（10）上的工藝孔、均壓閥導向套1（2）、均壓閥導向套2（4）、均壓閥柱塞（1、3）進行聯通，完成均壓（即A塔氣到B塔）的過程。當A塔工作，B塔再生時，主換向閥柱塞（8）狀態不變，均壓閥柱塞（1、3）處于脫離泄放墊（聯通）、壓緊均壓墊（密封）狀態，使B塔不再與A塔聯通，而是與消音器聯通，完成泄放并進入再生狀態。

B塔工作、A塔再生和B塔工作、A塔升壓的狀態與之相反，即主換向閥柱塞（8）進行了切換而已。

圖3 組合換向閥結構圖

4 設計

密封設計：組合換向閥內既有高壓氣又有低壓氣，而且在柱塞的運動過程中又分四種狀態，所以其內部密封點很多而且要求高。閥體的端面采用橡膠墊和O型圈：具體是柱塞的大頭側孔間隙小，采用O型圈密封；柱塞小頭側有工藝孔，所以使用橡膠墊密封。工藝孔使用密封膠或密封墊密封：具體是柱塞小頭側工藝孔采用螺紋密封膠和堵頭密封，密封后一般不再拆卸；連通導向套、閥體空間的工藝孔使用帶密封墊的堵頭密封。閥體端面和工藝孔是閥體內部氣和外部之間的密封，全部為靜密封。導向套與閥體的密封也為靜密封，全部采用O型圈，但這里的O型圈會承受交變壓力，所以O型圈的材質選擇尤為重要。柱塞和導向套密封為動密封，使用O型圈密封（O型圈兩面加擋圈或采用雙O型圈結構，避免或減少在柱塞運動過程中對O型圈造成損傷)。均壓和泄放處采用錐面和四氟墊密封，這兩處在均壓閥柱塞運動過程中或密封或聯通。

柱塞尺寸：柱塞兩端為低壓控制氣，僅為0．8MPa，而中間會通過高壓氣（15MPa），另外，在柱塞運動過程中還需要克服柱塞、O型圈與導向套的阻力，為保證柱塞的順利移動，需保證低壓氣端面的面積。低壓氣端面的面積過大，會造成組合換向閥體積成倍增大；低壓氣端面的面積過小，則柱塞在移動過程中不暢，甚至造成移動不到位，不能起到換向的作用。

均壓孔：均壓孔的尺寸直接關系到均壓能否順利完成，均壓孔尺寸太小，均壓時間過長，均壓孔尺寸太大，均壓過程太快，容易造成壓力沖擊，不利于設備的可靠運行，對分子篩、零部件以及密封件都會造成沖擊。此組合換向閥內部為高壓氣，且流量低，所需均壓孔很小，最終采用線切割的方式加工四個小縫隙即可。

5 主要加工難點及要點

（1）閥體：閥體是整個組合換向閥的關鍵部件，所有柱塞、導向套全部安裝在其內部，如果加工精度不夠，會造成導向套及柱塞無法安裝到位、不能密封、柱塞阻力增大、導向套上O型圈易損壞等各種問題。在加工過程中，一定要保證兩個導向套安裝孔的加工，不同直徑部位的同軸度要求、與端面的垂直度要求等都極為重要。密封面及各工藝孔內要無毛刺，內部需要清理干凈。由于是高壓壓縮空氣，裝配前，需要做耐壓試驗。

（2）柱塞、導向套：柱塞和導向套的加工主要考慮各密封面尺寸、垂直度。主換向閥柱塞移動范圍大，容易卡死；均壓閥柱塞是兩部分單獨加工然后組合到一起，更要控制好加工精度。

（3）線切割、電火花加工工藝：工藝孔孔徑小、深度大，而且要求閥體內不能產生毛刺等，不宜采用鉆孔方式，采用電火花加工工藝；均壓閥導向套上的均壓孔很小，采用線切割加工小細縫的方式。

6 結語

該組合換向閥在設計完成并按加工工藝制造出首個產品之后，就做了快速切換試驗，模擬了滿足8000小時運行時間的正常切換。目前已生產上百套，在使用過程中，性能良好，完全能夠替代之前的四閥結構。

該組合換向閥在設計時考慮的是工作壓力15MPa、工作流量50m3/h的吸附式壓縮空氣干燥器的工作狀態，但在低壓壓縮空氣和空分設備中，可以根據參數進行重新設計，可以滿足設備工作的需要。

[1]楊源泉．閥門設計手冊[M]．北京: 機械工業出版社，1992．

[2]成大先．機械設計手冊[M]．北京: 化學工業出版社，2003．

[3]李金祿,姜慧君,李小仨等．船用壓縮空氣凈化設備的設計與試驗[J]．中國設備工程,2017,(09):169-170,172．