大型无油空压机气阀结构设计

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气阀是安装在空压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”。大型空压机排气量大，功率大，通常气阀安装直径大。在各种结构型式空压机气阀中，由于网状阀与环状阀气流通道呈圆环状，气阀通流面积与安装面积之比较大，因此大型空压机广泛采用网状阀与环状阀，以便气阀有良好的经济性。无油压缩机气缸内无润滑油，气阀内也不存在润滑油，因此空压机气阀工作过程中应无摩擦或者气阀运动元件采用自润滑材料。气阀按照阀片材料分类，可分为带金属阀片气阀与带塑料阀片气阀。金属阀片具有强度高、硬度高、耐高温、线膨胀系数小、成本低、厚度小等优点。塑料阀片材料通常采用尼龙、聚醚醚酮等，塑料阀片具有良好的抗疲劳及抗冲击性能，自润滑性好，同时带塑料阀片气阀密封性能较好，工作时噪声小。空压机气阀设计首先是气阀的结构设计，下面分别讨论用于大型无油空压机的带金属阀片气阀与带塑料阀片气阀的结构设计。
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# |3 r: |& W! a6 x3 {带金属阀片气阀的结构设计
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环状阀可分为普通环状阀与气垫阀，网状阀分为有摩擦网状阀与无摩擦网状阀。由于普通环状阀工作过程中阀片与升程限制器导向凸台有摩擦，气垫阀工作过程中阀片与升程限制器气垫腔壁有摩擦，有摩擦网状阀工作过程中阀片与导向块有摩擦，因此采用金属阀片的普通环状阀、气垫阀、有摩擦网状阀都不能很好适用于大型无油压缩机。目前，在大型无油空压机中运用最为广泛的采用金属阀片的气阀为图1 所示无摩擦网状阀。
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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。阀片上压有弹簧，称之为阀片弹簧。升程垫片可以置于阀片与缓冲片之间，也可以置于阀片两侧。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。静止状态下，缓冲片弹性臂在缓冲片弹簧力作用下最大挠度为升程的40%左右。
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从理论上讲，无摩擦网状阀可以不需要缓冲片与缓冲片弹簧，这样，气阀结构就简单多了。但实践表明，用于大型无油空压机中的无摩擦网状阀，如果不采用缓冲片与缓冲片弹簧，气阀的寿命极低。缓冲片与缓冲片弹簧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。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。事实上，国内许多空压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，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。为解决这一难题，需要对图1 中缓冲片结构进行改进。
图1：无摩擦网状阀
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图2所示气阀与图1所示气阀结构类似，不同之处在于缓冲片结构不同。图2所示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。自弹缓冲片最外环与中心固定部位之间由多条弹性筋连接，其在缓冲片弹簧力作用下的弹性变形主要是指各弹性筋的变形。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。通常用于大型无油压缩机无摩擦网状阀中的自弹缓冲片弹性筋较多，为4-8条;弹性筋较长，其变形长度为最外环到中心固定部位之间距离;弹性筋较宽，与对应阀片筋宽一致;因此自弹缓冲片刚性系数较大，而同时工作过程应力较小，自身有良好的可靠性。自弹缓冲片单条弹性筋上通常可设置1-2 个缓冲片弹簧。
图2：带自弹缓冲片无摩擦网状阀
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由于存在倾侧运动，网状阀阀片并非整体与阀座及升程限制器碰撞，碰撞仅发生在局部，主要是最外环，因此网状阀片最外环最容易损坏。为提高网状阀片使用寿命，阀片最外环相比其它环宽1-3。为避免无油空压机气阀弹簧与升程限制器弹簧孔壁摩擦磨损过大从而影响气阀可靠性，气阀弹簧通常采用截锥螺旋压缩弹簧。当气阀弹簧采用圆柱螺旋压缩弹簧时，升程限制器弹簧孔应为阶梯孔。为减小倾侧运动的幅度，阀片弹簧与缓冲片弹簧通常分布于阀片与缓冲片外侧。

2 N- Z3 t/ w4 s3 k! T带塑料阀片气阀的结构设计

9 d2 W" H* C* p* `* g6 g5 p3 |由于塑料与金属线膨胀系数相差较大，为避免阀片在升程限制器气垫腔中卡死，因此气垫阀一般不采用塑料阀片。塑料阀片中心部位通常不设置弹性臂，因此无摩擦网状阀也不能采用塑料阀片。用于大型无油压缩机的带塑料阀片气阀的结构主要有图3、图4 两种型式。图3 带塑料阀片环状阀阀片各环独立，形状简单，加工制造方便，与其它结构型式气阀相比，还有较好的气密性能与抗堵塞、抗液击性能。图" 带塑料阀片网状阀阀片各环连成一体，整个阀片起落较为一致;气阀安装直径相同时，网状阀往往流道数较多，效率较高。
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图3 带塑料阀片环状阀与传统带金属阀片环状阀结构设计有许多相似之处，但也有许多不同之处。由于塑料相对金属强度、硬度较低，因此塑料阀片相比金属阀片厚许多，阀座密封边也较宽。由于塑料具有良好的抗疲劳及抗冲击性能，带塑料阀片气阀升程较大，气阀流道较宽，流道数较少。塑料线膨胀系数比金属大许多，塑料阀片通常不通过外圆导向，因此升程限制器上一圈导向凸台仅为一片阀片导向。对于工作气体含较多杂质的压缩机，带塑料阀片环状阀升程限制器结构设计时，在与环状阀片接触的环形表面开设环形抗堵塞凹槽。
( u, u4 u3 N2 Q+ P6 Y& v, O* }' P图3：带塑料阀片环状阀

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图4 带塑料阀片网状阀与传统带金属阀片网状阀结构设计类似，但也有一些地方不同。当塑料阀片承受较大集中载荷时，阀片变形也较大，因此带塑料阀片网状阀弹簧数较多，单个弹簧刚度较小，各弹簧均布于阀片上。塑料网状阀片通常比金属网状阀片连接筋略多，阀片最外环相比其它环宽。图4 结构气阀塑料网状阀片直接与阀座及升程限制器碰撞，碰撞速度大，同时由于存在倾侧运动，阀片应力复杂，阀片最外环容易疲劳断裂。为提高气阀使用寿命，一些空压机气阀生产企业在图4 中塑料网状阀片与升程限制器间采用图1中结构型式的金属缓冲片，当然也可以采用图2中结构型式的金属自弹缓冲片，这样效果更好。部分空压机气阀生产企业则在图4中塑料网状阀片与升程限制器间增加一片与阀片完全相同的缓冲片。图4 结构气阀增设缓冲片后，气阀总厚度增大。
: u1 j: v  }' X, X图4：带塑料阀片网状阀
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大型无油空压机带塑料阀片气阀设计时，一定要明确阀片材料的力学性能、物理性能与化学性能，特别是材料的弯曲强度、拉伸强度、冲击强度、弹性模量、热变形温度、硬度、线膨胀系数、密度等。塑料的性能不仅与基本成分有关，还与填充剂成分与含量、加工质量等有关。
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当大型无油空压机气阀采用金属阀片时，可以采用图& 结构无摩擦网状阀，也可以采用图2结构带自弹缓冲片无摩擦网状阀，但显然图2 结构气阀可靠性更好。图1 结构气阀设计时，需计算阀片、缓冲片弹性臂的刚度、应力及等效运动质量。图2结构气阀设计时，需计算阀片弹性臂与缓冲片的刚度、应力及等效运动质量。当大型无油压缩机气阀采用塑料阀片时，可以采用图3结构环状阀，也可以采用图4 结构网状阀。图3结构环状阀有良好的抗堵塞、抗液击性能;图4结构网状阀效率较高，为提高图4 结构气阀的可靠性，可在阀片与升程限制器间设置缓冲片。带塑料阀片气阀结构设计时，必须考虑塑料的各种性能。随着特种工程塑料综合性能的不断提升，制造成本不断下降，带塑料阀片气阀在大型无油空压机中应用会越来越广泛。

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