高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)正常工作是保證其穩(wěn)定工作的前提，因此在高壓空氣壓縮機(jī)的設(shè)計(jì)中排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)占有重要的位置。如果排污系統(tǒng)不能夠及時排污，壓縮空氣中含有的油或雜質(zhì)有可能會使氣閥產(chǎn)生積碳，嚴(yán)重時會產(chǎn)生液擊現(xiàn)象，較終導(dǎo)致壓縮機(jī)故障，甚至有著火或爆炸的危險，因此，針對高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)的研究、分析引起了不少學(xué)者的關(guān)注。李奇等分析了高壓壓縮機(jī)排污過程壓縮機(jī)負(fù)荷的變化特性，提出了在壓縮機(jī)設(shè)計(jì)中排污系統(tǒng)的重要作用以及排污系統(tǒng)和關(guān)鍵零部件的設(shè)計(jì)，總結(jié)了排污系統(tǒng)的設(shè)計(jì)方法和理論。梁璞玉設(shè)計(jì)了氣動閥來代替高壓級的電磁閥，解決了高壓級油污水的排放問題�？娭逸x等介紹了高壓空壓機(jī)油污分離收集裝置的結(jié)構(gòu)設(shè)計(jì)和試驗(yàn)效果，并例證了具體的移動站、空壓站排污收集裝置應(yīng)用情況。王慶豐等針對公司空壓站排污系統(tǒng)的缺陷進(jìn)行分析，并詳細(xì)闡述了排污系統(tǒng)的改造原理和措施。目前，高壓空氣壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)通常采用 4 種方式。一是手動截止閥排污；二是低壓級的排污利用疏水閥，高壓級的排污利用手動截止閥；三是利用電磁閥排污；四是低壓級 ( 排氣壓力一般小于 6MPa) 排污利用電磁閥，高壓級排污則利用氣動閥。電磁閥排污自動化程度較高，但其價格較為昂貴；氣動閥排污穩(wěn)定可靠，但通常用于高壓環(huán)境�；谏鲜霰容^分析，本文選用電磁閥與氣動閥聯(lián)動方式進(jìn)行排污處理，在空壓機(jī)低壓級配置電磁閥排污系統(tǒng)，高壓級配置氣動閥排污系統(tǒng)。

 

1  排污系統(tǒng)描述

高壓空氣壓縮機(jī)常規(guī)的排污控制單元主要分為兩類，一類是利用手動方式進(jìn)行排污的結(jié)構(gòu)，這種結(jié)構(gòu)操作簡單，且性能可靠，但通常均會涉及到多級壓縮，各級排污較繁瑣，特別是高壓下手動排污時不可避免的存在一定風(fēng)險，并且常常伴隨有較大的勞動強(qiáng)度；一類是利用自動方式進(jìn)行排污的結(jié)構(gòu)，電磁閥或氣動閥在這類結(jié)構(gòu)中的應(yīng)用一定程度上提高了排污系統(tǒng)的安全性和自動化水平。目前，高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)多采用前述兩類控制單元通過不同組合實(shí)現(xiàn)排污，以保證高壓空氣壓縮機(jī)的穩(wěn)定運(yùn)行。

 

以某型號五級高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)為例，如圖 1 所示，前面三級采用手動閥和電磁閥排污，第 IV 級和第 V 采用手動閥和氣動閥排污，為了防止排污噴濺現(xiàn)象，降低高壓級排污產(chǎn)生的噪聲，保護(hù)環(huán)境，通常采用集污器將各級的排污物通過各自的排污管進(jìn)行收集，再統(tǒng)一利用總管將其排放到安全地方。值得注意的是，在各級自動排污閥前均串聯(lián)有1 個備用截止閥，在系統(tǒng)正常工作時，截止閥處于全開狀態(tài)，自動閥失靈時，可以應(yīng)用手動截止閥進(jìn)行人工排污。

2  排污系統(tǒng)設(shè)計(jì)分析

以圖 1 所示排污系統(tǒng)為例，第 I、II 級采用電磁閥直接排污，III 級、IV 級、V 級采用電磁閥和氣動閥進(jìn)行排污，通過 PLC 控制各級排污閥的開啟和關(guān)閉，排污的間隔和各排污閥開啟時間均依據(jù)季節(jié)進(jìn)行調(diào)整以實(shí)現(xiàn)排污系統(tǒng)的自動控制，其中氣動閥的設(shè)計(jì)需要重點(diǎn)關(guān)注。

 

2.1  氣動閥的設(shè)計(jì)

氣動閥的典型結(jié)構(gòu)如圖 2 所示，氣動閥主要由閥體、閥芯、閥座、升程限制器、密封圈和連接件組成。其工作原理是利用閥芯相對于閥體的運(yùn)動來控制閥口的通斷及開度的大小，實(shí)現(xiàn)對介質(zhì)方向、壓力和流量的控制，為便于說明，以圖 2 所示氣動閥為例，圖 2 中高壓氣體 P2 通過氣動閥閥座作用于閥芯的底部，低壓氣體 P1 從氣動閥上端作用于閥芯上部。在壓縮機(jī)正常工作過程中，P1 和 P2 的共同作用使整個閥體處于密封狀態(tài)；當(dāng)電磁閥控制的低壓級進(jìn)行排污時，P1 的作用力會降低，閥芯會在壓力 P2 的作用下逐漸脫離閥座而較終實(shí)現(xiàn)排污，在整個排污過程中，壓力 P1 和 P2 會逐漸降至排污背壓 Pb1 和 Pb2，排污結(jié)束后，低壓級排污電磁閥會快速閉合，壓力 P1 增加，在 P1 的作用下，閥芯逐漸向閥座方向運(yùn)動，直到整個閥體實(shí)現(xiàn)密封；壓力 P2 會迅速增加，P1 和 P2 逐漸恢復(fù)至正常工作狀態(tài)時的壓力，整個排污循環(huán)完成，壓縮機(jī)恢復(fù)到正常工作狀態(tài)。

2.2  氣動閥力學(xué)分析

氣動閥在工作過程中，僅考慮 4 個力對閥芯的作用，其受力分析情況如圖 3示。

 

圖 3 中，F(xiàn)1 為 低壓氣體 P1 從氣動閥頂部作用于閥芯頂端的作用力，F(xiàn)2 為高壓氣

體 P2 從氣動閥閥座作用于閥芯底部的作用力，F(xiàn)m 為閥體和閥芯之間的摩擦力，該摩擦力方向與閥芯運(yùn)動的 趨 勢 相 反；G 為 閥芯的重力。壓縮機(jī)在工作過程中，排污系統(tǒng)中的氣動閥動作可劃分為 4個階段：

 

（1）密封階段，該階段是壓縮機(jī)正常輸氣時的工作狀態(tài)，且有下列式子成立，即

F1+G ≥ αF2 （1）

式中：α 為密封壓力系數(shù)，當(dāng)選用金屬與非金屬之間的密封時，α值通常取 1 ～ 1.2；當(dāng)選用金屬與金屬之間的密封時，α 值通常取 1.5 ～

 

2。由于閥芯重力 G 遠(yuǎn)小于 F1，所以可忽略閥芯重力對系統(tǒng)的影響，式 (1) 可簡化為：

式中，D0 為低壓氣體 P10 作用于在閥芯頂端的作用面直徑；d0 為閥座通徑。P10 和 P20 分別為低壓和高壓級正常工作( 非排污 ) 時的工作壓力，式 (3) 即為氣動閥密封的結(jié)構(gòu)參數(shù)和壓力的關(guān)系。

（2）氣動閥開啟過程階段，該過程中，低壓級的壓力作為聯(lián)動氣動閥工作的壓力源，即低壓級壓力控制高壓級氣動閥的開啟，此時有下式成立，即

F2 ≥ F1+G+Fm （4）

經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式 (3) 可簡化為以下經(jīng)驗(yàn)公式，即

F2 ≥ 1.2F1 （5）

 

結(jié)合圖 3 的閥芯受力情況，同時考慮閥芯所承受的壓力，式 (4) 可進(jìn)一步改寫為：

值得注意的是，當(dāng) 0.833×(d0/D0)2·P20 ＜ P1 ＜ P10，

低壓級排污系統(tǒng)電磁閥打開開始排污時，高壓級排污系統(tǒng)的氣動閥仍處于關(guān)閉狀態(tài)，只有當(dāng) P1 接近或等于 0.833×(d0/D0)2·P20 時，氣動閥才開啟。

 

（3）氣動閥完全開啟階段，此時有下式成立，即

F2=F1+G-Fm (7)

 

經(jīng)多次試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)，式 (8) 可簡化為以下經(jīng)驗(yàn)公式，即***************

 

值得注意的是，當(dāng) Pb1 ＜ P1 ＜ 3·(d0/D0)2·Pb2 時，低壓級排污系統(tǒng)電磁閥已開始關(guān)閉，但高壓級排污系統(tǒng)氣動閥仍未關(guān)閉；只有當(dāng) P1 接近或等于 3·(d0/D0)2·Pb2 時，高壓氣動閥才開始關(guān)閉。從上述對電磁閥及氣動閥排污過程的介紹及分析可以知道，要實(shí)現(xiàn)高壓空氣壓縮機(jī)正常排氣工作，并且實(shí)現(xiàn)排污正常，上面推導(dǎo)的式 (3)、式 (6) 和式 (12) 須滿足，這三式分別保證了氣動閥密封、開啟及關(guān)閉等工作，這三式反映了氣動閥工作壓力與結(jié)構(gòu)參數(shù)的關(guān)系。已知排污系統(tǒng)的工作壓力，可以設(shè)計(jì)結(jié)構(gòu)參數(shù)；同理，已知?dú)鈩娱y的結(jié)構(gòu)參數(shù)，可核驗(yàn)氣動閥的工作壓力、開啟壓力和關(guān)閉壓力，以確定氣動閥用于高壓排污系統(tǒng)的合理性。

 

3  設(shè)計(jì)實(shí)例

現(xiàn)以某型船用高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)為例，所述高壓空氣壓縮機(jī)的排污系統(tǒng)運(yùn)行及排污工作參數(shù)如表 1 所示，其低壓級的 I 級、II 級和 III 級均采用 PLC 控制的電磁閥進(jìn)行排污，高壓級的 IV 級則利用氣動閥的方式進(jìn)行排污。

基于上述參數(shù)的排污系統(tǒng)經(jīng)過可靠性和耐久性試驗(yàn)，均能達(dá)到 GB12929-2008 船用高壓活塞空氣壓縮機(jī)中的相關(guān)要求。目前，上述排污系統(tǒng)已廣泛應(yīng)用于多種型號的船用高壓空氣壓縮機(jī)組的排污系統(tǒng)中，且經(jīng)長期續(xù)航試驗(yàn)，排污系統(tǒng)動作靈敏，工作可靠，且壓縮機(jī)工作正常，能實(shí)現(xiàn)逐級聯(lián)動，有序排污，值得推廣應(yīng)用。

 

4  結(jié)語

（1）高壓空壓機(jī)的排污系統(tǒng)中，低壓級排污電磁閥的選擇要合理，這關(guān)系到其自身工作的可靠性，還關(guān)系到聯(lián)動高壓氣動閥工作的可靠性，因此在設(shè)計(jì)時，要同時考慮氣動閥和電磁閥設(shè)計(jì)的合理性。

（2）在高壓空氣壓縮機(jī)排污系統(tǒng)中，高壓級采用氣動閥排污可增加排污系統(tǒng)的靈敏性，可根據(jù)壓力及排污需求，調(diào)整氣動閥的相關(guān)參數(shù)，即可用于不同壓力及排量的高壓空氣壓縮機(jī)組中，使其適用范圍更加廣泛。

（3）低壓級采用電磁閥排污，高壓級采用氣動閥排污可有效解決高壓排污的可靠性問題。

 

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