往復式壓縮機自動氣閥動態建模與分析

鄭靈杰

摘 要：往復壓縮機氣閥的設計對其可靠性影響很大，為了使氣閥設計達到穩定的密封特性，有必要在設計時考慮其所有的影響因素。本文通過建立并簡化通用氣閥的數學模型，對影響壓縮機氣閥的工作性能的因素進行動態仿真。仿真結果表明該模型簡單且易于計算，可對氣閥的基本參數進行預測和描述，可用于檢驗影響氣閥性能的關鍵因素。

關鍵詞：往復壓縮機；氣閥；動態建模；仿真；預測

中圖分類號：TH16；TB652 文獻標識碼：A 文章編號：1671-2064（2018）07-0028-02

1 引言

往復式壓縮機是一種廣泛應用于各種工業和運輸行業的設備，并發揮著至關重要的作用。特別是對于一些需要獲得壓縮氣體或產生低密度氣體的應用，壓縮機的高可靠性使其成為整個機組安全性和實用性的關鍵。最近進行的一項工業調查明確指出[1]，壓縮機氣閥是因壓縮機故障而發生生產流程中斷的主要原因，因此而產生的停機成本對企業的生產造成嚴重影響。此外，氣閥故障最常見的原因是工作過程中受高沖擊速度，磨損或應用環境。為此，在氣閥設計時適當考慮這些影響因素是非常必要的。

目前，往復式壓縮機主要配備自動氣閥，由氣閥前后的壓差驅動。因此，為了預測氣閥的工作性能，需要研究其在整個壓縮機循環過程中的狀況。理論上對氣閥工作性能的分析可采用兩種方法，一種是基于CFD軟件進行，另一種是利用簡化分析模型[2]。利用CFD可以提供非常精確的分析結果，但同時由于閥體結構的復雜性及工作環境的影響，對氣閥工作過程的分析需要進行復雜的網格創建和大量的模型運算。而在氣閥的早期開發階段，使用簡化模型即可進行快速，準確地對氣閥行為進行預測。本文建立往復壓縮機氣閥的簡化模型，描述了影響氣閥工作的諸多影響因素，并對氣閥的工作行為進行了分析。

2 壓縮機和氣閥物理模型

圖1所示為一個單缸及單作用壓縮機模型，用于對氣閥工作特性進行預測。該模型包括曲軸連桿機構的運動學模型，壓縮機缸體，氣閥經管道系統與吸氣和排氣增壓室相連。

不失其一般性，該模型包括了普通壓縮機完整的主要構成部分，可完整的應用于對氣閥動態特性和壓縮機性能的分析。壓縮機氣閥的基本結構如圖2所示，由可移動的密封元件和閥座組成，密封元件兩側產生的力壓差可驅動閥門開關動作。在閥板上安裝驅動的執行元件——質量彈簧系統。

3 氣閥數學模型的建立與仿真

3.1 氣閥數學模型的建立

在建立氣閥的數學模型之前，需要對氣閥的動態工作條件進行一定的簡化，以避免在數值計算時時間變量的數值相關性。如圖3所示，假設如下：

（1）壓縮機的工作介質為理想氣體；（2）執行元件為只具有一個自由度的質量彈簧系統；（3）單氣缸工作，通過氣閥的流量穩定；

由于通過氣閥的流動介質的復雜性，不能直接分析介質流量。因此，通過氣閥的介質流量在計算時經常被當作不可壓縮流量通過管道，其模型如下所示：

3.2 各參數的計算

根據牛頓第二定律，通常氣閥的動力學模型可表達為：

其中表示運動介質質量，x表示閥板距離閥座的距離，表示氣體力，表示介質摩擦力，表示彈簧彈力。

方程2中的質量應包括閥板質量、彈簧的質量和閥板偏轉時周圍的介質質量。然而，由于工作介質的密度較低，且遠小于彈簧及閥板本身的質量，因此可將其忽略，系統質量可以表達為：

4 分析

將上述公式帶入方程1和2，設壓縮機氣缸直徑為150mm，總行程為100mm，壓縮介質的進出口壓力分別為1pa和3pa，吸氣閥與排氣閥的閥板直徑分別為36mm和38mm，壓縮機轉速為340轉/分，用matlab進行仿真可得到曲柄作圓周運動過程中閥板運動與壓力，如圖4所示。

由于模型進行了簡化，相對于實際壓縮機氣閥動態性能，該結果有一定的誤差，但氣閥運動與壓力之間的對應關系與真實情況是對應的。

5 結語

本文提出了一種用于往復式壓縮機及其氣閥的簡化數學模型，相對于CFD法該模型雖在模型的完整性有一定的局限性，但由于建模簡單，易于計算，且可對氣閥的基本參數進行預測和描述，在壓縮機及氣閥的功能設計中可用于檢驗影響氣閥性能的關鍵因素，對壓縮機關鍵部件的設計與仿真具有重要參考價值。

參考文獻

[1]Foreman，S.Compressor valves and unloaders for reciprocating compressors–an OEMs perspective.Dresser-Rand Literature（2002）.

[2]柯常忠，聶淸風，倪小平，等.活塞壓縮機氣閥運動規律的研究與數學建模[J].壓縮機技術，2003，179（3）：8-10.

[3]Michal，Volf， and Gápár Roman. Modeling reciprocating compressor valve dynamics. In AIP Conference Proceedings， vol. 1889， no. 1， p. 020049. AIP Publishing，2017.

[4]Habing，Reinder André.Flow and plate motion in compressor valves.University of Twente，2005.

[5]Touber，Simon.A contribution to the improvement of compressor valve design.1976.

[6]張増營.往復式壓縮化環狀閥工作過程沖擊應力分析[D].南寧：廣西大學，2004.