活塞式压缩机排气量无级调节系统关键技术的研究

蒋营营　王晗　杨露

摘 要：随着现代工业的快速发展，对工业装置的应用提出更高的要求。以其中活塞式压缩机为典型代表，其承担气体压缩与输送的职责，是提供装置动力的关键部分。文章主要通过压缩机热力循环的相关概述、现代工业中无级调节系统应用的关键技术、优化调节系统的措施进行探析。

关键词：活塞式压缩机；气量调节；无级调节系统；关键技术

前言

不可否认我国近年来工业领域中应用的压缩机，其在调节气量方面逐渐引入较多方式如顶开进气阀、回流等调节措施。但实际应用中可发现因排气量呈现明显的阶段性变化特征，若完全依托于传统气量调节方式很难使装置保持平稳运行，甚至可能冲击压缩机装置。在此背景下便引申出排气量无级调节系统，其对于压缩机节能减排目标的实现可起到突出的作用。因此，对无级调节系统技术要点分析具有十分重要的意义。

1 压缩机热力循环的相关概述

关于压缩机热力循环，通常在分析过程中多从气缸单周期循环角度出发并引入相应的经验细数对循环进行描述。以顶开进气阀为例，在热力循环分析中首先需对其气量无级调节原理进行明确，原因在于气量调节过程中很可能使压缩机热力循环发生偏离实际工况情形，如热力循环中的压缩行程，其在开始前存在进气阀被顶开的可能，此时压缩机活塞作用下将使气体流回进气腔中，使进气阀回流问题在热力循环中产生。这种情况下便需考虑到对回流时间进行控制，以实现无极调节目标。另外，从气量调节系统应用现状看，实际调节中进气阀阀片运动极易受到影响，对此需要对活塞压缩机循环过程假设以使阀片受影响问题得以分析，具体假设内容主要体现在：（1）假设节流小孔存在于每个气阀中；（2）气阀内的气体流动以等熵流动表示，忽视相缝隙间流动中存在的热传递问题，且利用等压流动表示阀系向出口的气体流动；（3）对气体流动中发生位能、动能等进行忽略。通过具体气阀动力假设试验结果可得到，当阀片与运动气阀相撞后，阀片将出现旋转动作，且受压叉影响，碰撞与运动速度存在一定差异。因此，无级调节系统功能的发挥需注重解决阀片碰撞问题[1]。

2 现代工业中无级气量调节系统应用的关键技术分析

2.1 调节系统的基本构成

从调节系统运行的原理可发现，在液压分配器作用下高压液压可能形成压力脉冲波，其作用表现在活塞达到上止点时会对进气阀进行顶开，且活塞在压缩过程中会产生进气阀回流问题，阀片弹簧力、气体力会对整个回流发生作用，完成气体压缩过程。若需进行压缩气体量调节仅需做好压力脉冲作用时间调节工作，可使无级连续调节目标得以实现。从整个过程中可发现，气量调节系统在构成上主要以控制系统、液压系统为主，也存在其他辅助部件包括上位机与下位机、卸荷器、油站以及流量计等。

2.2 调节系统中的液压系统功能实现

作为调节系统的重要组成部分，液压系统在功能实现上主要体现在液压分配器与顶开机构卸荷器等方面。以液压分配器为例，其作用在于压力脉冲波的生成，设计中的关键在于确保驱动电机、分配器以及套筒安装精度得以提高。若套筒间精度过高很容易造成液压油中杂质无法被分配器容纳，中间旋转轴难以可靠运行，而精度过低的情况下会产生泄漏问题，因回流量较大不利于节能目标的实现。而在卸荷器构件方面，其主要为进气阀顶开结构，实际应用中很容易因压叉问题出现结构疲劳，设计过程中可考虑对气阀压叉内弹簧力进行增加，使系统得以正常工作，并保证其他如卸荷器管路以及进油管路等得以精准设计。

2.3 调节系统中控制系统功能实现

调节系统中控制系统对作用表现在中枢作用方面，是系统得以可靠运行的关键部分。其在构成中多体现在上位机、下位机、传感器以及编码器等方面。以下位机控制设计为例，在设计过程中首先需合理选择同步控制方式，常见的方法如专家控制方法、PID控制方法以及模糊控制方式等。比较之下，若需同步控制分配器、电机，最适宜的方式主要以PID方式为主，其只需对压缩机各级参数进行控制便可达到控制的目标。再以上位机控制设计为例，其在气量调节系统中的作用主要表现在使气量调节信号得以及时提供，如转速、报警等信号，且可执行系统联锁保护功能。在设计过程中应根据压缩机不同运行要求进行设计，如DCS监控系统对上位机控制的要求以及多级控制方案的选择等[2]。

3 无级气量调节系统的优化分析

无级调节系统应用下，阀片、压叉存在的碰撞可能极大，其易使进气阀在顶开、关闭等时间上出现延迟。对此现状，在实际优化过程中可引入有限元分析方法。有限元模型在构建过程中主要考虑到也压力作用下进气阀的表现情况，且结合不同材料构建应用下阀片与压叉碰撞的问题。根据以往学者实验研究，有限元模型下除将液压油油力与材料进行考虑外，还需对压叉重量以及装备进行分析，可推出：阀片与的碰撞在顶开阶段发生的次数为三次或四次，碰撞后保持稳定；撞击应力在液压力增加情况下会表现出上升趋势，需在实际设计中进行顶开油压的控制工作；阀片撞击力因装配缺陷问题极易发生压力增大情况，要求做好压叉装配倾斜角控制工作；在材料使用方面为保证结构刚度得以提高需做好主体材料选择工作。这样才可降低阀片碰撞对无级调节系统运行的影响[3]。

4 结束语

无级调节系统的应用是活塞式压缩机功能得以发挥的关键部件。实际设计中应正确认识压缩机热力循环的内涵，保证调节系统各部分设计更为合理，且使阀片碰撞问题得以解决，提高活塞式压缩机应用的节能效果。

参考文献

[1]金江明.活塞式压缩机排气量无级调节系统关键技术的研究[D].浙江大学，2010.

[2]韩杰，谢元华，李拜依，等.活塞式压缩机的研究进展[J].节能，2014，12：17-23+2.

[3]李大成，高金吉.部分行程顶开吸气阀调节的时间控制理论分析[J].北京工业大学学报，2012，8：1143-1147.