带自弹缓冲片网状阀设计

潘树林，伍永强，广柯平，欧胜芳

（1．广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004；2．浙江浙欧气阀制造有限公司，浙江温州325006）

带自弹缓冲片网状阀设计

潘树林1，伍永强1，广柯平1，欧胜芳2

（1．广西大学广西石化资源加工及过程强化技术重点实验室，广西南宁530004；2．浙江浙欧气阀制造有限公司，浙江温州325006）

提出一种新型结构自弹缓冲片，这种缓冲片中心无弹性臂，自身设计成为一弹性体。自弹缓冲片刚性系数较大，可采用较大缓冲片弹簧力，同时自身工作过程应力较小，具有良好的可靠性。对带自弹缓冲片网状阀结构设计进行阐述，利用ANSYS有限元分析软件计算自弹缓冲片刚性系数、等效运动质量及应力，并给出了其工程计算公式以方便自弹缓冲片的设计。带自弹缓冲片网状阀应用于一系列大中型压缩机气阀设计或改造，效果良好。

压缩机；网状阀；自弹缓冲片；结构设计；工程计算

1　引言

气阀是安装在压缩机气缸上控制气体进出的部件，气阀对压缩机经济性与可靠性有着重要影响，常被比作压缩机的“心脏”［1］。压缩机气阀结构型式众多，国内大中型压缩机普遍采用环状阀与网状阀。网状阀与环状阀相比而言，阀片各环连成一体，整个阀片起落较一致；在相同安装直径时，网状阀可以加工成通道数较多和宽度较小的环，升程相同时，网状阀阀隙周长与面积均较大，故气阀有效通流面积大，效率较高［2］。为节能降耗需要，近年来，网状阀应用越来越广泛。

从理论上讲，网状阀可以不需要缓冲片，这样一来，气阀结构就简单多了。但实践表明，网状阀如果不采用缓冲片，其使用寿命低于环状阀。其原因是网状阀片形状较复杂，工作过程应力复杂，易产生应力集中。为降低阀片与升程限制器碰撞速度，提高气阀使用寿命，网状阀通常设置缓冲片。网状阀缓冲片分为有摩擦缓冲片与无摩擦缓冲片［1］。有摩擦缓冲片工作过程需导向，缓冲片与导向块配合面存在摩擦与磨损。有摩擦缓冲片工作过程中，被当作刚体考虑，因此设计较容易。无摩擦缓冲片工作过程不需导向，不存在摩擦与磨损。由于无摩擦缓冲片工作过程中存在弹性变形，因此相对较难设计。本文自弹缓冲片是一种新型结构无摩擦缓冲片，与传统无摩擦缓冲片相比，刚性系数较大，可采用较大缓冲片弹簧力，因而缓冲效果较好，同时自身工作过程应力较小，具有良好的可靠性［3］。下面阐述带自弹缓冲片网状阀设计。

2　带自弹缓冲片网状阀结构设计

图1结构为传统典型无摩擦网状阀。该结构气阀适用压缩机转速范围较广、气阀安装直径较大等场合，既可适用于有油压缩机，又可适用于无油压缩机，特别是用于大中型无油压缩机的带金属阀片气阀，图1结构几乎是传统唯一适用的结构。图1中，从下至上依次为阀座、阀片、升程垫片、缓冲片及升程限制器。

通常，阀片在靠中心固定部位与外侧运动部位之间设计1个弹性臂，以降低阀片弹性臂工作过程应力。阀片上压有弹簧，称之为阀片弹簧。升程垫片可置于阀片与缓冲片之间，也可置于阀片两侧。缓冲片通常采用2片，缓冲片在靠中心固定部位与外侧运动部位之间设计2个弹性臂。缓冲片开有径向槽或是圆孔，以便阀片弹簧穿过缓冲片压在阀片上。缓冲片上压有弹簧，称之为缓冲片弹簧。

图1结构采用缓冲片与缓冲片弹簧不仅能大幅降低阀片与升程限制器的碰撞速度以及阀片倾侧运动的幅度，大幅提高气阀寿命，同时还有利于气阀及时关闭［4］。

图1无摩擦网状阀设计的重点与难点是缓冲片弹性臂的设计。当缓冲片弹性臂刚度较小时，压在缓冲片上的弹簧力较小，缓冲作用较小，阀片容易损坏。当缓冲片弹性臂刚度较大时，压在缓冲片上的弹簧力较大，缓冲片弹性臂两端部因应力较大而容易发生疲劳断裂［3］。事实上，国内许多压缩机气阀设计人员为避免缓冲片弹性臂两端部应力过大，而把缓冲片弹性臂刚度设计得较小，如缓冲片也只设计1个弹性臂，缓冲片上不再设置缓冲片弹簧，同时把升程垫片置于缓冲片两侧，但这样一来，缓冲效果明显下降［4］。为解决这一难题，需要对图1中缓冲片结构进行改进。

图2为一典型带自弹缓冲片无摩擦网状阀［5］。图2所示气阀与图1所示气阀结构类似，不同之处仅在于缓冲片结构不同。图2气阀中缓冲片中心固定部位没有弹性臂，缓冲片自身设计成为一弹性体，因而这种缓冲片称之为自弹缓冲片。自弹缓冲片各环之间由筋连接，其在缓冲片弹簧力作用下的弹性变形主要是指各连接筋的变形。自弹缓冲片除最外环外，里面各环由直槽断开。这样，一方面阀片弹簧可以从这些槽中穿过压在阀片上，另一方面最主要的是可以降低缓冲片自身的刚度。

图1　传统无摩擦网状阀

图2　带自弹缓冲片无摩擦网状阀

图2结构无摩擦网状阀自弹缓冲片数为1～3，通常为2。缓冲片连接筋条数为4～8，外径越大，则连接筋越多；缓冲片连接筋宽与阀片对应部位筋宽一致。缓冲片单条连接筋上按需要可设置1～3个缓冲片弹簧，缓冲片弹簧通常分布于缓冲片外侧，这样既能使缓冲片产生较大变形，又可以减小倾侧运动幅度［4］。

由于塑料阀片具有良好的抗疲劳及抗冲击性能，自润滑性好，因此近年来，采用塑料阀片的压缩机网状阀逐渐增多。塑料网状阀片中心不设置弹性臂，流道数更多，允许的升程更大，因此通流面积更大，效率更高。自弹缓冲片同样适用于带塑料阀片压缩机网状阀中［6］，其结构如图3。图3结构气阀能用于有油压缩机，更适用于无油压缩机。

图3　带自弹缓冲片与塑料阀片的网状阀

3　自弹缓冲片计算

气阀运动规律对压缩机气阀的经济性与可靠性有重要影响［1］。良好的经济性要求气阀全开时有效通流面积大，且气阀能及时开启、关闭并有较长的全开期。良好的可靠性要求气阀工作过程中各元件冲击速度、应力及冲击应力较小。压缩机气阀设计时，必须计算模拟气阀运动规律。气阀运动规律与弹簧力、运动质量等有关。为使缓冲片自身有很好的可靠性，还需计算缓冲片的应力。自弹缓冲片结构与传统无摩擦缓冲片不同，其刚性系数、等效运动质量及应力计算也不同。由于自弹缓冲片形状较为复杂，通常采用有限元方法计算［3］。下面以图2中自弹缓冲片为例，对其进行计算。

图2中自弹缓冲片俯视图如图4，自弹缓冲片中心紧贴升程垫片的部位为固定部位，最外环外圆为自由端，图4中A～H处压有缓冲片弹簧。显然，在缓冲片弹簧力的作用下，缓冲片存在变形与应力。缓冲片的最大挠度在最外环外圆处，最大应力在连接筋根部与中心固定环接合部位。

自弹缓冲片刚性系数Ks定义为［3］

图4　自弹缓冲片

式中Fs——压在缓冲片上的总弹簧力

Wmax——自弹缓冲片最大挠度

自弹缓冲片各环挠度不一样，用单质点数学模型分析气阀的运动规律时，缓冲片的运动质量则需采用等效运动质量。自弹缓冲片等效运动质量可由瑞利法求得，以自弹缓冲片的静态挠曲面作为振动形状，采用有限元方法计算时，自弹缓冲片的等效运动质量Meq为［3］

式中ρ——自弹缓冲片的密度

Wi——第i个单元的平均挠度

ΔVi——第i个单元的体积

对图4所示自弹缓冲片，当其最外环外径为332 mm，筋宽为16 mm，中心固定环外径为74 mm，升程垫片外径为52 mm，最外环宽为13 mm，中间各环宽为10 mm，环与环间槽宽为5 mm，缓冲片厚为2 mm，缓冲片弹簧中心所在圆直径为312 mm，各环切开槽宽为30 mm，缓冲片材料为3Cr13时，通过ANSYS有限元分析软件计算［3］，得到自弹缓冲片的刚性系数为32.4 kN/m，等效运动质量为0.318 kg。当缓冲片的最大挠度为1 mm时，缓冲片最大应力为44.6 MPa。

压缩机网状阀自弹缓冲片工程设计时，采用有限元分析软件计算通常较为复杂。考虑到自弹缓冲片连接筋的变形与悬臂梁的变形有相似之处，自弹缓冲片的刚性系数可以采用下面公式近似计算［7］

式中nr——连接筋条数

EI——连接筋抗弯刚度

l——连接筋根部到最外环外径之间距离

a——弹簧中心到连接筋根部之间距离

CK——修正系数

修正系数CK主要受到连接筋相对宽度λr的影响，λr为连接筋宽度与最外环宽度之比。λr一般在1～2之间取值，此时，CK在1.2～1之间取值，λr越大，CK越小。

自弹缓冲片最大应力工程计算公式采用下面悬臂梁最大应力计算公式［7］，实际自弹缓冲片最大应力小于悬臂梁最大应力，采用下面公式计算自弹缓冲片最大应力是偏安全的。

式中b——自弹缓冲片连接筋的宽度

h——自弹缓冲片厚度

自弹缓冲片等效运动质量采用下面公式近似计算［7］

式中mi——各运动环质量

n——运动环数

Wci——各运动环中心线按悬臂梁计算的挠度

Wcmax——缓冲片按悬臂梁计算的最大挠度

mr——最内运动环与中心固定环之间连接筋的质量

Wre——连接筋靠最内运动环端的挠度

Ce——修正系数

修正系数Ce在1.01～1.06之间取值，当连接筋相对宽度λr较小、运动环数n较大时，Ce取较大值。

通过对各种不同结构参数自弹缓冲片与传统无摩擦缓冲片弹性臂计算分析表明，由于与传统无摩擦缓冲片弹性臂相比，自弹缓冲片连接筋条数较多，连接筋较宽，因此自弹缓冲片刚性系数较大，工作过程应力较小。带自弹缓冲片网状阀设计时，可以通过提高压在缓冲片上的弹簧力，来提高缓冲性能，使阀片寿命延长，同时还有利于气阀及时关闭。压在缓冲片上的弹簧力提高还有助于降低压在阀片上的弹簧力，对低压级而言，可以使压力系数与压缩机排气量提高［8］。

带自弹缓冲片网状阀设计时，自弹缓冲片刚性系数应与压在缓冲片上的弹簧力匹配。当自弹缓冲片刚性系数过大时，静止状态下缓冲片靠升程限制器过近；当自弹缓冲片刚性系数过小时，静止状态下缓冲片靠阀片过近；2种情况的缓冲效果均不好。通常，静止状态下自弹缓冲片的最大挠度为升程的40%左右较为合适［3］。自弹缓冲片刚性系数可通过改变缓冲片厚度、连接筋长度、宽度等达到要求。

4　结论

自弹缓冲片与传统无摩擦缓冲片相比，刚性系数较大，同时自身工作过程应力较小，具有良好的可靠性。带自弹缓冲片网状阀设计时，可以采用较大的缓冲片弹簧力，以提升缓冲效果；同时还可以降低压在阀片上的弹簧力，提高低压级的压力系数与压缩机排气量。自弹缓冲片既可用于带金属阀片网状阀，也可用于带塑料阀片网状阀。带自弹缓冲片无摩擦网状阀、带自弹缓冲片与塑料阀片的网状阀可用于有油、无油压缩机。迄今为止，带自弹缓冲片网状阀已用于4M12、4D12、4M16、4M20、4M22、4M32、4M50、H22、6M25、6M32、6M40、6M50、MH、D、DW、L、LW、VW、ZW等系列50余种压缩机气阀设计或改造，效果良好，自弹缓冲片工作过程中从未发生断裂，带自弹缓冲片网状阀具有良好的综合性能。

［1］林梅，吴业正.压缩机自动阀［M］.西安：西安交通大学出版社，1991.

［2］王迪生，杨乐之.活塞式压缩机结构［M］.北京：机械工业出版社，1990.

［3］潘树林，龚曙光，卢朝霞，等.带自弹缓冲片压缩机网状阀研究及应用［J］.中国机械工程，2004，15（3）：214-217.

［4］潘树林，刘小龙，伍永强，等.大型无油压缩机气阀结构设计［J］.压缩机技术，2013，（4）：54-57.

［5］潘树林，谢莲花，杨霖.一种压缩机气阀：中国，98217013.0［P］.

［6］潘树林，李小华，姜辉.带自弹缓冲片网状阀：中国，201120097439.2［P］.

［7］莫乾赐.压缩机网状阀自弹缓冲片研究［D］.南宁：广西大学，2005.

［8］唐翠华，张秀娟，袁本中.气阀弹簧力对压力系数的影响及控制［J］.压缩机技术，2010，（4）：30-32.

Design of Compressor Plate Valves with Self-elastic Damping Plates

PAN Shu-lin1，WU Yong-qiang1，GUANG Ke-ping1，OU Sheng-fang2
（1.Guangxi Key Laboratory of Petrochemical Resource Processing and Process Intensification Technology，Guangxi University，Nanning 530004，China；2.Zhejiang Zheou Valves Manufacture Co.，Ltd.，Wenzhou 325006，China）

A new self-elastic damping plate is presented.There are no elastic arms in the center of the damping plate，and the damping plate is designed as a se1f-elastic plate.Because of the higher stiffness coefficient of the damping plate，the larger spring force can be loaded on it.Because of the smaller stresses in the working process，the reliability of the damping plate is higher.The structural design of the valve with self-elastic damping plates is illustrated.The stiffness coefficient，the stresses and the equivalent motion mass of the self-elastic damping plate are calculated by ANSYS software.Their engineering calculation formulae are provided for the easier design of the self-elastic damping plate.The valves with the self-elastic damping plates are used in series of large and middle-sized compressors，and the results are good.

compressor；plate valve；self-elastic damping plate；structural design；engineering calculation

TH457；TH138.52

A

1006-2971（2015）01-0027-04

潘树林（1970-），男，教授，博士，研究方向为压缩机气阀。E-mail：panshulin@163.com

2014-08-11

科技型中小企业技术创新基金资助项目（13C26213302272）