（化工过程机械专业论文）往复压缩机气阀动力特性及故障模拟研究.pdf

摘要 本文对往复压缩机气阀的动力特性、故障模拟和振动测试进行了研究。首先采用理 论分析的方法，得出了气阀阀片运动规律曲线和阀隙的气体流速变化规律，然后运用数 值模拟的方法，计算出阀片的冲击应力、气阀的冲击响应，进而得出阀片自身的应力分 布情况和气阀部分故障的特征频谱，最后用实验研究的方法对气阀的振动情况进行测 试，分析得出了气阀振动测量参数的选择原则和振动频谱的组成成分。 通过对气阀的动力特性研究，计算得出了阀片运动的位移、速度和压力损失曲线， 进而求出了阀隙气体的流速；依据阀片的运动规律可得出阀片的碰撞速度，再利用显式 动力分析软件a n s y s l s d y n a 进行数值模拟计算，得出阀片与升程限制器碰撞过程 的应力值及应力分布情况，并将计算所得的应力值和近似解析计算值进行比较，结果表 明有限元计算结果较为可靠；根据a n s y s l s d y n a 计算出的冲击载荷值，利用有限 元计算软件a n s y s 的结构动力学模块进行数值模拟计算，得出了在正常情况和阀簧弹 力不足情况下阀片冲击升程限制器的冲击响应，并与实测的频谱规律进行对比，结果表 明，在出现弹力不足的情况下，加速度冲击响应在频域的主振频率比正常情况下有明显 的增大，实测频谱的故障规律与此相同；通过对气阀振动的实验研究表明，对阀盖处的 位移或速度进行测量无法检测到由阀片撞击引起的振动成分，高上限频率的加速度频谱 可以全面的代表气流脉动和阀片撞击引起的振动。研究结果能够为气阀的优化设计、故 障诊断和振动测试提供一定的理论基础和依据。 关键词：往复压缩机气阀，动力特性，冲击响应，故障模拟，振动测试 r e s e a r c ho fd y n a m i cp e r f o r m a n c ea n df a u l ts i m u l a t i o n a b o u tr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rv a l v e w ug u a n g y u ( c h e m i c a lp r o c e s sm a c h i n e r y ) d i r e c t e db yp r o f h a od i a n a b s t r a c t t h em a i nr e s e a r c hc o u t e m so ft h i sp a p e ra r ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，f a u l ts i m u l a t i o na n d v i b r a t i o nt e s to fr e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rv a l v e f i r s t l y , t h el a wo fm o t i o nc u r v e sf o rv a l v e p l a t ea n dg a sf l o ws p e e di np l a yo fv a l v ea r eo b t a i n e db yu s i n gt h e o r e t i c a la n a l y s i s s e c o n d l y , t h ei m p a c ts t r e s so fv a l v ep l a t ea n dt h ei m p a c tr e s p o n s eo fv a l v ea r ec a l c u l a t e db yu s i n g n u m e r i c a ls i m u l a t i o n ，f u r t h e rm o r e ，t h es t r e s sd i s t r i b u t i o no fv a l v ep l a t ea n dd i s t i n c t i o n s p e c t r u mo fv a l v ef a u l ta r eo b t a i n e d l a s t l y , t h es e l e c t i o np r i n c i p l eo fp a r a m e t e ri nv a l v e v i b r a t i o nt e s ta n dt h ec o m p o n e n t so ft e s t e ds p e c t r u ma r eo b t a i n e db yu s i n ge x p e r i m e n t a l s t u d y a c c o r d i n gt ot h er e s e a r c ho fv a l v ed y n a m i cp e r f o r m a n c e ，t h ec u r v e so fd i s p l a c e m e m ， v e l o c i t y , p r e s s u r el o s sa r ec a l c u l a t e d a n dt h eg a sf l o ws p e e di np l a yo fv a l v ec o u l db e c a l c u l a t e dt o o i nt e r m so ft h ei m p a c ts p e e do b t a i n e di nc a l c u l a t i o no fv a l v ep l a t ev e l o c i t y c u r v e ，t h ei m p a c ts t r e s sa n dt h ed i s t r i b u t i o no fs t r e s si ni m p a c tp r o c e s sc a nb eo b t a i n e db y u s i n gt h es o f t w a r en a m e da n s y s l s - d y n a c o m p a r i n gt h ec a l c u l a t i o nr e s u l t sw i t ht h e t h e o r e t i c a lv a l u e ，i ti sc o n v i n c e dt h a tt h ev a l u eo ff i n i t ee l e m e u tc a l c u l a t i n gi sr e l i a b i l i t y i n t e r m so ft h ei m p a c tl o a dv a l u ec a l c u l a t e db ya n s y s l s d y n a ，t h ei m p a c tr e s p o n s e su n d e r b o t hn o r m a lc o n d i t i o na n dl a c k i n go fs p r i n gf o r c e sc o n d i t i o na r ec a l c u l a t e db yu s i n gt h e s t r u c t u r a ld y n a m i c sm o d u l eo fs o f t w a r en a m e da n s y s c o m p a r e d 、衍mt h er e s p o n s e st e s t e d i ne x p e r i m e n t ，t h er e s u l ts h o w st h a tt h em a i nr e s p o n s es p e c t r u mo fa c c e l e r a t i o ni n c r e a s e s o b v i o u s l yu n d e rt h ec o n d i t i o no fl a c k i n gs p r i n gf o r c e s ，a n dt h et h i sl a wa g r e e s 谢廿lt h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t s t h er e s u l t so fv i b r a t i o nt e s ts h o wt h a tt h eh i g hf r e q u e n c yc o m p o n e n t c a u s e db yv a l v ep l a t ei m p a c t i n gc a nn o tb et e s t e db ys e l e c t i n gd i s p l a c e m e n to rv e l o c i t y , b u t t h ea c c e l e r a t i o ns p e c t r u m 、玩廿1k 曲u p p e rl i m i tc a nt e s tt h ev i b r a t i o nc a u s e db yp r e s s u r e l l p u l s a t i o na n dv a l v ep l a t ei m p a c t i n g a n dt h er e s e a r c hr e s u l t sc a l lo f f e rs o m er e f e r e n c e sf o r d e s i g n ，c o n d i t i o nm o n i t o r i n ga n dv i b r a t i o nt e s to fv a l v e k e yw o r d s ：r e c i p r o c a t i n gc o m p r e s s o rv a l v e ，l a wo fm o t i o n ，i m p a c tr e s p o n s e ， f a u l ts i m u l m i o n ，v i b r a t i o nt e s t i i i 主要符号表 有效通流截面，m 2 阀座通流截面，m 2 阀隙通流截面，m 2 第j 圈通道的宽度，m 平均阀隙气速，m s 材料的弹性模量，g p a 结构的固有频率，h z 气阀的升程，m 膨胀过程指数 阀隙马赫数 当量阀片运动质量，l 唱 压缩过程指数 名义吸气压力，n m 2 名义排气压力，n m 2 压力损失，n m 2 气体常数，j ( m o l k ) 应变能，j 行程容积，m 3 圈数 平均相对吸气压力损失 4 4 4 哆 一g e 厂 日 m m 刀 b 既 卸 r u z 瓯 磊 乡 允 6 国 凡 瓯 、 万 v 平均相对排气压力损失 曲柄转角，r a d 曲柄半径与连杆大小头中心距之比 推力系数 曲柄转角旋转角度，m d s 容积系数 对应于阀座通流截面的气阀流量系数 对应于阀隙通流截面的气阀流量系数 气缸内压力和吸、排气名义压力之比 相对余隙容积 关于学位论文的独创性声明 本人郑重声明：所呈交的论文是本人在指导教师指导下独立进行研究工作所取得的 成果，论文中有关资料和数据是实事求是的。尽我所知，除文中已经加以标注和致谢外， 本论文不包含其他人已经发表或撰写的研究成果，也不包含本人或他人为获得中国石油 大学( 华东) 或其它教育机构的学位或学历证书而使用过的材料。与我一同工作的同志 对研究所做的任何贡献均已在论文中作出了明确的说明。 若有不实之处，本人愿意承担相关法律责任。 学位论文作者签名：邃艺鱼日期：砂男年石月力日 学位论文使用授权书 本人完全同意中国石油大学( 华东) 有权使用本学位论文( 包括但不限于其印刷版 和电子版) ，使用方式包括但不限于：保留学位论文，按规定向国家有关部门( 机构) 送交学位论文，以学术交流为目的赠送和交换学位论文，允许学位论文被查阅、借阅和 复印，将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检索，采用影印、缩印或其他 复制手段保存学位论文。 保密学位论文在解密后的使用授权同上。 学位论文作者 指导教师签名 日期：渺留年月2 日 日期：加男年月日 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 1 1 研究背景及研究意义 第一章前言 压缩机是一种用于压缩气体借以提高气体压力的机械，它的种类很多、用途极广。 按照压缩气体的原理，压缩机可以分为容积式和速度式两大类。容积式压缩机是指依靠 改变工作腔容积来提高气体压力的压缩机。按照结构形式的不同，又可分为往复式和回 转式【1 1 。 往复式压缩机有压力和排量范围广、效率高、气量调节时压力稳定等优点，广泛地 应用于工农业、交通运输、国防、冶金和化工等部门。此外，往复式压缩机还是制冷和 低温系统中的关键设备之一。但是它的结构比较复杂，振动大，易损件多，维修工作量 大。频繁的故障和较长的检修时间常常造成整个生产工艺的中断，直接影响到工厂的生 产活动。在长期的生产实践中，人们发现，往复压缩机最常见的故障零部件有气阀、活 塞环、填料函以及一些联接件的摩擦副等，其中气阀故障占总故障数的6 0 以上。因此， 对气阀的动力特性及故障进行研究，对于气阀的设计及压缩机运行的可靠性具有很重要 的意义 2 1 。 气阀按照启、闭元件的名称进行分类，主要有环状阀、网状阀、条形阀、蝶状阀、 菌状阀、舌簧阀等。本文研究的是环状阀，环状阀的动力特性主要是指阀片在气体力和 弹簧力作用下的运动规律、阀片冲击升程限制器的响应及阀片冲击时自身的应力分布情 况。当气阀出现故障时，其动力特性随之发生变化，例如当气阀出现阀片外边缘及阀体 断裂或弹簧失效等故障时，其阀片的运动规律和冲击响应会出现明显的异常。 目前通过振动信号对往复压缩机故障进行判别的方法，主要是从往复压缩机复杂的 振动信号中提取出具有某一故障特征频谱信号。这样的做法只能在故障出现以后，才能 得出该故障的特征频谱，并不能对故障进行提前预防。因此，利用计算机对气阀的故障 进行模拟，对于往复压缩机气阀故障的监测和诊断是很有用的【3 】。 本课题采用理论分析、数值模拟和实验研究的方法，主要对往复压缩机气阀阀片运 动规律、阀隙气体的流速、阀片的冲击应力、气阀的冲击响应进行研究分析，进而模拟 出气阀部分故障的特征频谱，并利用现有的实验条件对气阀的振动情况进行了现场测 试，对振动成分的组成和振动参数的选择进行了研究分析。通过以上的理论分析、数值 模拟和实验研究为气阀的设计、故障诊断和振动测试提供了一定的理论基础和依据。 第一章前言 1 2 国内外研究现状 气阀是往复压缩机中最为关键的一个组件。压缩机运行的可靠性与经济性都与气阀 的设计( 选择) 的好坏有关。因此，从往复压缩机诞生以来，气阀一直是被研究得最多 的课题【4 1 。 原始的往复压缩机中，应用的是菌状阀。随着压缩机容积流量的增大，菌状阀难以 满足要求。1 9 8 4 年奥地利的贺尔碧格( h a n n sh o e r b i g e r ) 发明了网状阀，阀片中心设有 导向部件。后来贺尔碧格与罗格娄共同发明了中心具有单臂与双臂弹性条，能实现阀片 运动无摩擦的结构，并于1 9 0 6 年获得专利。 当压缩机转速在1 0 0 r m i n 以下时，气阀在经验设计及调试的基础上，一直未暴露出 重大问题，但随着转速的提高，气阀问题便显得逐渐突出。 在1 8 9 3 年，德国的威史特福( w e s t p h a l ) 发表了一个适用于气体及液体的自动阀力 学模型，他考虑了阀片上的作用力与阀内的流体流动。1 9 2 2 年德国的霍特( h o r t ) 在他 的教科书中介绍并完善了威史福特的模型。 在计算机未发明前，气阀模型的求解是很困难的，但仍不乏有人探索。1 9 4 1 年前苏 联的独连闸列曾发表片状自动阀理论与计算的论文。1 9 4 9 年美国的柯史塔格略拉 ( c o s t a g l i o l a ) 完成了一个舌簧阀的研究。他把舌簧阀处理成一个一维振动微分方程， 并于1 9 5 0 年发表了具有弹簧压紧的压缩机气阀理论一文，他用逐点积分并绘制一些 图表的方法来表达所求得的解。但实验表明，所得结果精度不高，当转速超过1 0 0 r m i n 时误差更大。 二十世纪6 0 年代初，电子计算机的发展以及以数值解为基础的计算方法的不断完 善，为阀片的运动规律提供了有力的手段。同时也为阀片的受力计算提供了工具。 为了减少气体流经气阀的压力损失，对气阀的结构形式与形状也进行了大量研究， 以获得在有限的气缸室安装截面，有最大的气阀有效通流面积。 气阀的精心研究与精心制作，使得现在的气阀已经成为一个比较可靠的组件；其寿 命对于低、中压级可达8 0 0 0 h ；高压级可达4 0 0 0 h ；对于制冷与空调所用的全封闭压缩， 其断续运行可达时间可达1 2 - 1 5 年；流经气阀的能量损失也从1 5 降低到了5 左右。 但气阀仍是往复压缩机中最易损坏的部件【5 】。 下面分别对气阀数学模型、阀片的冲击作用、气阀的故障诊断和振动测试的研究现 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 状进行简要的介绍： 1 2 1 气阀数学模型的研究 往复压缩机的气阀，其工作原理虽然简单，但用数学模型描述气阀运动规律并不容 易。阀片位移是气缸与气腔内气体压差与弹簧力的函数，因而与压缩机的转速、阀片质 量、阀弹簧的刚度等参数有关。用数学模型描述气阀的运动规律，至少需要两个微分方 程式，一个是流动微分方程式，用以描述气体流经气阀时的流动情况；另一个是运动微 分方程式，用以描述阀片在各种力作用下的运动。方程式中各变量均随时间而变化，因 此与曲柄转角有一定的联系。 最早提出气阀数学模型者，当推前苏联的道列士和美国的考斯特列。在他们提出的 数学模型中，包括了大约5 0 个变量，微分方程是非线性的。由于只能用简单的计算工 具或图解法求解，不但十分枯燥，也不能保证计算精度，因而当时的压缩机设计者对这 些模型并不感兴趣。 电子计算机的惊人进步改变了这种情况，用电子计算机求解上述线性方程组时，既 快又准确。1 9 6 6 年，美国的m w w a m b s g a n s s 和r c o h e n 发展了一个1 8 6 w ( 1 4 h p ) 、 3 6 0 0 r m i n 、多自由度进气阀模型1 6 。取得这一突破性进展的时间为1 9 6 7 年，当年有四 篇论文在马德里举行的第十二届国际制冷大会上发表。这四篇论文均以考斯特列提出的 数学模型为基础，用电子计算机求解。四篇论文的作者均声称，他们用数学模型求得的 压缩机特性和气阀特性均与压缩机运转时实测的结果相符，因而有信心将他们的模型和 计算机软件用于研究和设计工作，并能预计对机器修改时可能产生的结果 7 1 。 马德里会议后，对往复式压缩机的数学模型的研究有了更快的发展。研究目标之一， 是减少建立数学模型时所作的一些假定，以获得更精确地数学模型。1 9 6 7 年澳大利亚的 r w u p f o l d 考虑了热交换与阻尼，1 9 7 0 年意大利的t r a v e rs a s il a c i l i g n o l a 建立了一个有 阻尼的多环气垫阀模型：1 9 7 2 年美国的m m o a v e n i ，j h a m l i t i o n 和r c o h e n 完成了对舌 簧阀具有变刚度变质量系统的动变形预测方法；1 9 7 2 年我国的吴业正、林梅用计算机求 解了环状阀的运动规律，并提出计算阀片倾侧运动的方法；1 9 7 4 年英国的s v k e r r 和 j f t m a c l a r e n 初步考虑了进、排管道的压力脉动对气阀的影响【8 】，与此同时也对压缩机 系统吸排气性能进行了研究1 9 1 ；1 9 8 4 年，l a w s o ns 和m e l a r e nr j l 通过多流动单元， 考虑了阀隙压降，对舌簧阀的动力学进行了计算机模拟【1 0 1 。 3 第一章前言 在以往的数学模型中，假定气体流经气阀的流动可以用一维稳定流动理论计算，流 量系数和推力系数均在稳定流动实验台上测定。实际上，气阀开启和关闭时气流不是稳 定的，因此需要进一步测定不稳定流动时的流量系数和气体推力系数；另一个假定是吸、 排气腔压力为常数。实际上，流入和流出压缩机的气流是间歇性的。由于吸、排气腔及 其连接管道内的空间有限，腔内和管道内的气体压力是脉动的。压力脉动值受吸、排气 过程中活塞速度变化的影响，以及阀隙通流面积变化的影响，它随时间变化的规律是很 复杂的，t i w a r ia s h e s h 和m a n e p a t i ls s 在考虑了热力学、气阀运动规律、质量流动和 运动平衡的基础上对往复压缩机管系的压力脉动进行了较为精确的计算【l l 】。 迄今在多数数学模型中，假定气缸内压力分布是均匀的。随着计算机容量及运算速 度的增加，这一假定将被取消。目前已有全面考虑压降、压缩循环和压力波动的研究蚴。 气体流经气阀时，其压力随时间变化的规律，对于计算阀片的位移及其对升程限制器和 阀座的撞击速度有重要影响，必须精确确定。只有做到这一点，才能可靠的计算阀片弯 曲和撞击时的动应力。 在我国，应用电子计算机及数学模型研制往复压缩机始于1 9 7 3 年。最初的工作针 对l 2 1 0 8 型空压机性能的提高。为了降低该机的能耗，进行了压缩机气阀的理论和实 验研究。为此建立了描述阀片一维运动的数学模型，用于计算阀片垂直于升程限制器平 面的位移。与此同时，用光电式位移传感器测量阀片的位移，以检验数学模型【5 】。 1 2 2 阀片冲击升程限制器( 或阀座) 的研究 关于阀片冲击问题的研究可以分为两个方面：一是阀片冲击升程限制器( 或阀座) 引起升程限制器( 或阀座) 的响应，包括时域响应和频域的响应，这是和故障诊断方面 相联系的；二是阀片冲击升程限制器( 或阀座) 时自身的受力情况。以下是这两方面的 研究情况。 冲击响应问题属于瞬态动力学的范畴。瞬态动力学分析，也称为时间历程分析，是 用于确定承受任意的随时间变化的载荷的结构动力学响应的一种方法。可以使用瞬态动 力学分析确定结构在静载荷、瞬态载荷和简谐载荷的任意组合作用下随时间变化的位 移、应变、应力和力。由于在阀片冲击问题中，阀座和升程限制器一般不会损坏，所以 我们关心的是冲击引起的时域或频域响应【1 3 1 。 目前，关于冲击响应的研究主要有产品的跌落分析、爆炸和汽车的撞击分析等。这 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 一方面的内容还涉及到信号分析和处理方面的内容。其主要的分析方法是把计算、仿真 和实验结合进行的。随着计算机技术的不断发展，计算和模拟的准确度越来越高，其和 实验的吻合程度也越来越高，当然也越来越多地用于安全评价、产品的设计开发等方面。 常用的方法就是冲击响应谱的研列1 4 1 。 根据定义，冲击响应谱反映的是线性单自由度系统固有频率与系统受到冲击时所产 生的最大响应之间的关系，其间不包含激励与响应之间的相位信息，因此，冲击时域波 形和冲击响应谱之间不存在唯一的对应关系。不同的冲击时域波形可以有相同的冲击响 应谱，同一冲击响应谱可以对应无穷多个冲击时域波形。用振动台进行冲击试验的实质 就是利用冲击响应谱时域合成的不唯一性，人为地产生一种冲击时域波形，使其能够匹 配规定的冲击响应谱。 国外已有可以做冲击谱试验的电动振动台产品及其相应的控制软件，国内生产的电 动振动台不推荐做冲击响应谱试验，也未见有详细研究相应控制软件的介绍。冲击响应 谱控制系统仿真研究，就是采用计算机仿真方法，对冲击响应谱控制原理进行研究，首 先根据试验规范合成一个加速度时域波形作为驱动信号，使该时域波形的最大值小于振 动台加速度最大许可值，同时使对应的冲击响应谱符合规范要求，然后将驱动信号转化 为一小量级电信号通过功率放大器后作用到振动台系统，系统在低量级下均衡，再分几 个量级逐步升至试验量级在预置量级上升的过程中，对波形幅值进行均衡，实现冲击 响应谱控制，这一研究可为研制冲击响应谱控制系统打下基础【1 5 1 。 冲击问题是二个物体碰撞时由于外力急速变化时引起结构物的短时相应，控制方程 和一般的问题没什么不同，但是在碰撞过程中有应力波传播、局部区域的塑性变形、短 时相应以及局部破坏等现象。冲击问题引起的应力应变关系一般来说均为非线性关系， 相应的变形速度很大，它和静的本构关系不同，在冲击过程中对应变速度由依赖性，因 此研究本构关系对应变速的依赖性的各种模式是显的非常重要。 研究冲击问题的方法主要是通过实验或数值计算，数值计算的工具有m s c 系列或 者a n s y s 系列软件。在进行计算要使用较小的网格划分，对时间间隔也要取得很小， 因此对于三维问题来说，有较大的计算费用。 从查阅文献来看，目前对于气阀冲击问题的研究较少，而且主要集中在对气阀阀片 材料的研究方面【1 6 1 ，而对于阀片冲击响应及故障模拟方面的研究也不是很多。 5 第一章前言 1 2 3 气阀故障诊断的研究 气阀的常见主要故障主要有阀片外边缘及阀体断裂、弹簧失效、气阀紧固螺母松动 和由于装配或设计不当造成气阀的漏气等。气阀各种故障都会引起压缩机热力性能和动 力性能出现异常，相关的信号主要有气体温度、压力、流量、噪声、振动等信号【1 刀。目 前较为主要的方法就是对振动信号的测量，现在许多压缩机在制造时都考虑到故障的监 测，并且也有很多的在线监测系统女i s 8 0 0 0 等【1 8 j 。 采用振动信号对气阀进行故障诊断方便可行，但是往复压缩机结构复杂，振动部件 多，很难从测得的振动信号中，直接得到有用的频谱成分，尤其是对振动信号的时域进 行测试时所得的故障信号和正常情况下几乎没有区别，故障诊断研究也一度陷入低谷。 但随着信号处理技术的飞速发展，其中快速傅立叶变换算法的出现大大降低了傅立叶变 换的计算量，也就是说振动信号从时域和频域之间的转换变得更加的容易，而窗函数技 术的出现使信号的提取变成了可能，可以从复杂的信号中提取出有用的故障信号，这些 技术都对故障诊断的发展起到了很大的推动作用【1 9 1 。 目前，对于气阀故障诊断的振动信号的处理方法有很多种，主要有时频分析、小波 分析、小波包分析、包络解调法等【2 们。另外还可以建立故障诊断数据库，再加上人工神 经网络，可以让故障诊断智能化。 随着信号处理技术和计算机技术的进一步发展，对于振动测试过程中丢失的信号进 行恢复已成为可能，目前已有关于这方面的研究【2 1 1 。 除了对振动信号进行处理达到故障诊断的目的外，还可以通过数值模拟对气阀的故 障进行模拟计算，从计算的结果中得出故障，然后再通过实验的方法进行验证，得出结 论，从而为故障诊断数据库的建立和故障诊断系统的设计提供参考，减少费用。e l h a im ， g uf 和b a l la d 等人在考虑了速度扭矩参数、气缸压力变化、曲轴旋转运动、气阀的流 动参数和阀片振动等因素的情况下，对往复压缩机进行了故障进行模拟，并与实验规律 进行对比，得出了令人满意的结果【2 2 1 。 1 2 4 阀片振动测试的研究 由于气阀位于压缩机内部，其振动情况很难直接测得。在早期的研究中有采用在压 缩机上内置传感器的测量方法，但该方法灵活性差，而且费用较高，对于故障诊断意义 很小。随着测量精度的提高和数字信号处理技术的发展，目前主要的测量方法是在气阀 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 阀盖上合理的布置测点，通过数据采集器或者采集卡把数据采集到p c 机上，然后再用 数字信号处理技术对采集出的数据进行处理，提取出能够准确反映气阀振动情况的振动 数据瞄】。 对于气阀的振动测试方向，一般都采用垂直气阀阀片运动方向。而对于测量参数( 位 移、速度、加速度) 的选择没有明确的说明。 测量参数的选取应根据振动信号的频率特征来确定，常用振动测量参数有加速度、 速度和相对位移，一般按下列原则选取： 低频振动( 1 0 0 0 h z ) 采用加速度； 对于压缩机气阀而言，其振动的主要是由气流脉动冲击和阀片冲击升程限制器( 阀 座) 引起的，另外再叠加上机身的振动。机身的振动对于气阀信号而言，相当于是一个 不变值，可以通过数字信号处理中的滤波技术进行处理。同时由气流脉冲引起的振动频 带集中在较低的范围，而阀片冲击升程限制器( 阀座) 引起的振动频率则在1 0 0 0 h z 以 上，集中在高频段内。因此对于气阀振动参数的选择应该采用具有大的测试范围的数据 采集仪器。 1 3 研究内容和研究方法 本文采用理论分析的方法对气阀阀片运动规律、阀隙气体的流速进行了研究，然后 运用数值模拟的方法，对阀片的冲击应力、气阀的冲击响应进行计算分析，进而模拟出 自身的应力分布情况和气阀部分故障的特征频谱，最后利用现有的实验条件，采用实验 研究的方法对气阀的振动情况进行了现场测试，对振动成分的组成和振动参数的选择进 行了研究分析。主要技术路线如下： ( 1 ) 对往复压缩机气阀的数学模型进行理论研究分析，然后对数学模型进行求解， 得出阀片运动的位移、速度和阀隙压力损失曲线，并对阀隙气体的流速进行进一步的研 究分析； ( 2 ) 依据阀片的运动规律可得出阀片的碰撞速度，再利用a n s y s l s d y n a 有限 元软件，对阀片撞击升程限制器的过程进行数值模拟，计算出阀片的冲击应力值的大小 与分布情况，并与理论值进行比较，分析其可靠程度； 7 第一章前言 ( 3 ) 根据a n s y s l s d y n a 的计算出的冲击载荷，在a n s y s 软件中用结构动力 学模块计算得出阀片撞击升程限制器的响应，进而对所得加速度响应进行傅立叶变换， 求出气阀弹簧失效故障下的频域响应，并把计算出的响应故障特征规律与实测频谱规律 进行对比，得出结论； ( 4 ) 利用p l 3 0 2 数据采集器和p m 系统软件对气阀的振动情况进行测试，对测量 参数( 位移、速度和加速度) 的选择、测试范围的确定和测得频谱的成分进行分析，得 出相关结论。 8 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 第二章气阀运动参数的计算研究 气阀的主要运动部件是阀片，阀片运动规律和阀隙气体流速是气阀设计和评价的重 要依据，要计算其运动规律需要用到有关阀片运动微分方程和气体流经气阀的流动微分 方程。本章介绍了气阀的基本工作原理和和特性参数，在对气阀数学模型进行理论分析 的基础上，计算出了气阀阀片的运动规律和阀隙的气体流速，为气阀的设计和性能评价 提供了一定的依据。 2 1 气阀的基本组成、工作原理及性能要求 2 1 1 气阀的基本组成 气阀的基本组成见图2 1 2 4 。 1 阀座它具有被阀片覆盖的气体通道，并承受工作腔内外气体压力差。 2 启闭元件它交替地开启与关闭阀座通道，控制气体进、出工作腔，通常制成片 状，因此常称为阀片。 3 升程限制器它用来限制气阀的升起高度( 升程) ，并往往作为弹簧的承座。升程 限制器在一些资料中称为阀盖。 4 弹簧它是气阀关闭时推动阀片落向阀座的零件，并在开启时抑制阀片对升程限 制器的撞击。如果阀片本身具有弹性，则可不必另设弹簧，此时，阀片既是启闭元件， 又是弹性元件。 1 阀座 2 启闭元件 3 升程限制器 4 _ _ 弓单簧 图2 - 1 气阀的基本组成 f i 9 2 - 1 b a s i cc o m p o n e n t so f v a l v e 2 1 2 气阀工作原理 压缩机的气阀均为自动阀。它借助于气缸工作腔和阀腔之间的气体压力差而开启， 9 第二章气阀运动参数的计算研究 并由于受到进、排气过程中流经气阀的气流推力e 的作用而上升；当推力大予弹簧反作 用力时，阀片停留在升程限制器上；反之，当气流推力小于弹簧力时，阀片便开始向下 关闭【2 5 1 。 进、排气阀的工作原理是雷同的，现以吸气阀为例进行详细说明。如图2 2 所示， 当膨胀过程终了，若工作腔与阀腔之间的气体压力差p 作用在阀片上的力，足以克服 弹簧力及阀片和一部分弹簧的质量力时，阀片便开始开启。阀片一旦离开阀座，便有气 体通过此缝隙进入工作腔，并且在流入气体的推力作用下，阀片继续上升，直到撞击到 升程限制器( 如图2 2 中a 6 ) 。阀片撞击升程限制器时，若两者不能把阀片的动能完全 吸收，则能产生反弹力。若反弹力与弹簧力之和大于气流的推力，则阀片出现反弹现象， 即回向阀座( 如图2 2 中6 一c ) 。在正常情况下，反弹现象是轻微的，阀片又在气流推力 的作用下，再次贴到升程限制器上( 如图2 2 中c - d ) 。经过一次反弹后，也有可能出现 第二次反弹，但这时反弹力更小。当气缸中余隙容积很小时，气体膨胀后的压力差能使 阀片开启，但因活塞速度低而使气流速度太小，阀片也会返回。若气流推力大于弹簧力， 则阀片就停留在升程限制器上( 如图2 2 中d - e ) ，直到活塞接近止点位置时，活塞速度 降低，进气速度和气流推力也相应减小。当气流推力不足以克服弹簧力时，阀片便开始 脱离升程限制器，向阀座方向运动( 如图2 2 中e - f ) 。最好的情况是活塞到达止点位置 时，阀片也恰好落在阀座上，此时，吸气阀完成一次工作。图中面积口一b c d - e - f - a 称为 时间截面；曲线a b c d e f 称为阀片的运动规律曲线【5 】。 图2 - 2 气阀正常的启、闭工作过程 f i 9 2 - 2w o r k i n gp r o c e s so fn o r m a lv a l v e l o 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 阀片的升程( a - b ) 所需的时间取决于阀片的升程、弹簧力、运动元件质量及气流 推力等。当升程高、弹簧力大、运动元件质量大、气流推力小时，升起的时间便相对较 长。过长的升起时间，会使时间截面减小，使气流通过气阀的阻力损失增加。 2 1 3 气阀性能的基本要求 1 ) 阀隙马赫数低 阀隙马赫数定义为 万：旦 ( 2 1 ) c 式中：m 阀隙马赫数； 己气体流经阀隙时的平均阀隙速度，m s ； c 阀隙处气体的声速，m s 。 c = 派而 ( 2 2 ) 阀隙马赫数对压缩机的绝热指示效率有重大影响。 图2 - 3 买际指不功图 f i 9 2 - 3 p i c t u r eo ff a c t u a li n d i c a t e dw o r k 按图2 - 3 ，压缩机绝热指示效率与相对吸排气压力损失，以及压缩和膨胀过程指数 有关。指示效率 锄= 胞，暖，坞功 ( 2 - 3 ) 式中：皖叶均相对吸气压力损失，唾2 等； 第二章气阀运动参数的计算研究 以平均相对排气压力损失，岛：鲤； p d 见名义吸气压力，n m 2 ； 瓴平均吸气压力损失，n m 2 。 办名义排气压力，n m 2 ； 哦_ 平均排气压力损失，n m 2 ； 胛压缩过程指数； m 膨胀过程指数。 吸、排气过程中，平均压力损失为 万：芝竺鲤竺色鲨! 一西 式中：x l 、恐分别表示阀片开启和关闭时对应的活塞位移，m ； 毋对应于五的曲柄转角，r a d ； 幺对应于x 2 的曲柄转角，r a d ； ( 2 _ 4 ) m 阀隙马赫数； ，曲柄半径； 五曲柄半径与连杆大小头中心距之比。 因平均相对压力损失与m 数平方成正比，故在判别气阀对压缩机绝热指示效率影 响时需用阀隙马赫数的平方衡量。为减少流动阻力损失，提高压缩机效率，阀隙马赫数 应尽量小，由于氟利昂等制冷工质的分子量大，气体常数r 较小，因此氟利昂气体的声 速较低，阀隙马赫数较高。为此，应注意结构参数选择，以降低阀隙马赫数【2 6 】。 2 ) 阀片对升程限制器或阀座的撞击速度低 阀片对升程限制器或阀座的冲击，是阀片损坏的主要原因。过分大的撞应力使阀片 出现裂纹。对环状阀，当阀片撞击升程限制器时，阀片与弹簧也发生撞击，此时阀簧的 变形量最大，变形速度最快，比较容易损坏。因此，降低阀片对升程限制器的撞击速度， 以保护阀簧和阀片，是提高气阀寿命的重要措施。 1 2 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 研究得出，环状阀阀片撞击升程限制器的速度为参数缈和丝的函数 m o j y = 他h ，面p a , p ， ( 2 5 ) 式中：彩曲柄转角旋转角度，r a d s5 日升程，m ； 推力系数； 彳。阀座出口处通流面积，n 1 2 ； p 气腔内气体压力，n m 2 ； m 当量的阀片运动质量，k g 。 按式( 2 5 ) ，阀片对升程限制器的撞击速度与升程有关，提高升程会使撞击速度增 加。因此，设计气阀应慎重确定升程。 3 ) 良好的阀片运动规律 阀片启、闭时，其位移与时间的关系称为阀片的运动规律。阀片运动规律对压缩机 的排气量、效率以及气阀的寿命均有直接联系。若将阀片在压缩机一个循环过程中所完 成的运动用办一口坐标表示，所得的曲线称为阀片运动规律曲线( 见图2 2 ) 。曲线下的 面积为气阀开启时的位移一时间截面。 阀片的运动规律有三种类型： a 正常的阀片运动 正常的阀片运动是指阀片能及时启、闭，并在运动过程中无振颤。正常运动的阀片 开启迅速，在撞击过程中产生轻微的回弹，然后在气体力作用下，又重新紧贴在升程限 制器上，直到活塞运动到离止点不远的位置上才开始回行，并在活塞运动到止点位置时， 或在止点后适当的小角度时完全关闭，见图2 - 2 。 正常的阀片运动保障气阀有充分的时间截面，气体流经阀隙通道时的阀隙马赫数比 较低，相对压力损失也小，从而提高了压缩机的排气量和效率。同时，由于撞击速度适 当，气阀寿命高，噪声亦低。 b 阀片颤振 图2 2 中的d - e 段的曲线形状，主要取决于弹簧力和气流推力。如果弹簧力过强， 1 3 第二章气阀运动参数的计算研究 则在活塞速度达到最大值时气流推力也不足以克服弹簧力，则阀片出现在阀座和升程限 制器之间来回跳动，称为颤振，如图2 4 a 所示，这时气阀的时间截面大为减小，阻力损 失也相应增加，且阀片来回撞击，使气阀与弹簧的寿命缩短。 c 阀片延迟关闭 如果弹簧力过弱，则气阀停留在升程限制器上的时间延长，阀片将在活塞更接近止 点的位置、气流达到更低一些的速度时才开始关闭，以致活塞到达止点位置时，阀片来 不及闭上，出现滞后关闭的现象( 如图2 4 b 中所示) 。延迟关闭的危害是：届时活塞 己开始压缩气体，故使一部分吸入的气体又窜出去，从而使排气量减小；阀片将在弹 簧力和有窜出气流的推力共同作用下撞向阀座，造成严重的敲击，致使阀片应力增加， 阀片和阀座的磨损加剧，由此导致气阀的提前损坏；敲击还能发出更大的噪声。 w 图2 - 4 气阀的不正常工作 a ) 颤振型b ) 延迟型 f i 9 2 - 4a b n o r m a l w o r ko f v a l v e a ) o s c i l l a t o r y ”d e l a y e d 由于气阀的运动规律取决于作用在阀片上的弹簧力以及气体对阀片的顶推力，而顶 推力与气体流经气阀时的流动情况有关，因此计算气阀阀片的运动规律的数学模型必须 包含气体的流动微分方程和阀片的运动微分方程。 4 ) 余隙容积小 容积系数五的表达式为 1 4 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 五= l 一万( 占i 一1 ) ( 2 6 ) 式中：万相对余隙容积； s 压力比； ，广_ 膨胀过程指数。 公式表明，降低相对余隙容积使压缩机排气量增加，因此，设计气阀时应尽量减少 余隙容积。 此外还要求气阀结构简单，制造方便，易于维修，零件的标准化、通用化程度高等。 2 2 气阀通流截面、流量系数及推力系数 2 2 1 气阀通流截面 气阀中通流截面有两处：阀片开启时其与阀座间所形成缝隙的截面；阀座通道处 的通流截面【2 7 1 。 1 阀片全开时的阀隙通流面积 或 4 = x h ( d o j + 嘭) 一码j ( 2 7 ) = l 4 = 2 x h d j 一码0 = l 式中：4 阀隙通流面积； 如、吒、第j 环阀片的外径、内径和平均直径； z 1 、0 第j 环阀片处的导向凸台数和相应的导向凸台宽度； z 环数； ( 2 - 8 ) 日升程。 2 阀座通流截面 阀座通流截面可分为阀座出口处的通流截面九和阀座入口处的通流截面以。后者 为扣除各环之间连接肋的所有环形通道的最小面积之总和。 1 5 第二章气阀运动参数的计算研究 或 或 厶= 喜 ；c 瑶一巧) 如= 万q = l 以= 嘉陪( 瑶一瑶) 一z 2 ，够。 a s , = 主 万屯一z 2 ， = l 式中：、岛、第j 圈通道的内径、外径和平均直径； z 圈数； 屯第j 圈通道的宽度； z 2 、7 ，第j 圈通道内连接肋的个数与弧长。 2 2 2 流量系数及有效通流截面 ( 2 9 ) ( 2 1 0 ) ( 2 1 1 ) ( 2 _ 1 2 ) 1 流量系数的定义 气阀的流量系数是在同样的压力差时，气体流经气阀的实际流量与气体绝热流经 同样截面的理想喷管的理论流量之比值，用符号口表示。气阀流量系数数值与选取的决 定截面有关。 2 决定截面 代表气阀流通能力的一个气阀通道截面，它可以是阀隙的通流截面，也可以是阀 座通道截面。 3 气阀有效通流截面 流量系数与相应的通道面积之乘积，称为气阀的有效通流截面。若取阀隙通流截 面4 为决定截面，则有效通流截面4 为 4 = q 4 ( 2 1 3 ) 式中：瓯对应于阀隙通流截面4 的气阀流量系数。 当取阀座通流截面彳。为决定截面时，则 1 6 中国石油大学( 华东) 硕士学位论文 4 = q 4 ( 2 - 1 4 ) 式中：q 对应于阀座通流截面4 的气阀流量系数。 一个气阀的有效通流面积是确定的，按照流体连续性原理： q 4 = 4 ( 2 1 5 ) 4 气阀流量系数的确定 气阀的流量系数完全由气阀通道的形状、表面粗糙度及所选取的代表性截面来决 定，可通过吹风试验获得，或从己有的图表中查得。 2 2 3 推力系数 气体流经气阀时，在