活塞式制冷压缩机气阀的设计

活塞式制冷压缩机气阀的设计

1舌响阀的发展舌弹簧阀是气阀的形状。阀片由弹性薄钢制成，阀片的一端固定在阀座上，另一端是自由的。由于阀片本身是柔性的启闭元件,具有弹性,可不另设弹簧,舌簧阀具有结构简单、运动质量轻、余系容积小的特点,从而被广泛应用于微小型空气压缩机和小型制冷压缩机上。由于阀片具有弹性,所以舌簧阀的研究源于自动阀的发展。1941年,前苏联学者曾发表“片状自动阀理论与计算”;1949年美国的Costagliola完成了舌簧阀的研究,并于1950年发表了“具有弹簧压紧的压缩机气阀理论”一文。20世纪70年代,美国Purdue大学的学者们,对压缩机气阀进行了深入细致的研究,同时带动了舌簧阀的发展。在我国,舌簧阀的早期研究多集中于20世纪80、90年代。其中西安交通大学的学者在这方面做了大量的研究工作。文献系统介绍了簧片阀运动学的基本数学模型,对阀片的流量系数、推力系数等影响气阀效率的关键参数进行了研究;文献中对舌簧阀结构设计、工作的计算机模拟、动静态测试等做了详尽的论述。文献中所建立的理论为后来的舌簧阀研究工作提供了坚实的理论基础。另外,杨乐之等对舌簧阀的工程设计、优化设计进行了研究[5~7]。对于舌簧阀的工程设计而言,阀片的运动规律、有效流通面积,流量系数,升程限制器是设计研究的关键问题,因此本文就这几方面进行对比分析。2系统的主要组成部件是阀片、阀片和阀片,适当时关闭由舌簧阀构成的气阀组件如图1所示,它是由阀座、阀片和升程限制器3个主要零部件组成,阀片是受两侧气体压力差控制而自行起闭的自动阀。舌簧阀的有效工作状态就是在吸排气过程中,适时打开,适时关闭。不当的开启会导致压缩机容积效率的降低,影响压缩机的效率。2.1气阀的动力学特性气阀的动力学研究着重于气阀在工作时的运动规律、状态,即阀片是否适时打开,适时关闭,以及在启闭过程中阀片的运动曲线。气阀的动力学性能直接影响压缩机的经济性与可靠性。主要的研究方法是这样:将一端固定一端自由的舌簧阀片按其运动特征及不同的简化条件,运用不同的力学原理,进行简化,同时兼顾考虑气阀、气体、压缩机等参数,建立起相应的数学模型,并借助于计算机进行计算、模拟。最早的气阀的动力学研究是从1950年开始的,1967年Purdue大学的Wambsganss和Cohen对舌簧阀提出多自由度的弯曲梁的数学模型,其计算曲线和实验曲线获得了良好的吻合。在我国,林梅等将舌簧阀作为单质点力学系统;吴丹青将阀片当做易弯曲的梁或者薄板模型进行分析。文献对单质点力学系统、连续梁力学系统及平板振动力学系统进行了对比分析,认为连续梁模型能比单质点模型更精确地反映阀片的动态响应,但对于工程设计及进一步的理论分析意义不大,因此不推荐用连续梁模型及仿真程序;当需要对阀片进行强度分析或阀片形状优化时,推荐使用平板模型及仿真程序;对于工程设计或仅一般了解阀片的启闭及时性,推荐使用单质点模型及仿真程序。近几年对舌簧阀运动规律没有提出新的数学模型。2.2气阀的流量分析气阀的通流截面积有两处,阀片开启时,其与阀座间所形成隙缝的截面,即阀隙通流面积,以及阀座孔道处的阀座通流面积(如图1所示)。舌簧阀的有效流通面积和流量系数影响着气阀的效率。需要指出的是,压缩机行程容积随特征尺寸的三次方增大,而气阀通道的有效面积只随特征尺寸的二次方增大,因而在给定转速下,随着压缩机尺寸的增大,越来越难为气阀提供足够大的流通截面。同时,所需的气阀流通面积也正比于压缩机转速,故高速大型压缩机的气阀的设计最困难,建议采用缸径行程比较大的设计方案。就流通截面限制来说,压缩机越小,气阀设计越容易。对于舌簧阀有效通流面积的研究,文献[1、3、10]上提供了计算方法,其中通流面积的计算准则是数值方法,通过公式计算获得,不同参考资料上提供的计算方法几乎是一致的。而流量系数则一般采用和标准孔板相比较的方法测试获得的,即将气阀组件安装在气阀静吹风试验装置上,进行试验测定,试验条件的不同决定着测试的数据存在着差异。文献提供的流量系数主要考虑了不同形状的舌簧阀随着阀隙与阀座面积比的不同测试得到的;文献主要考虑了舌簧阀特征升程与阀孔直径的关系来进行测试的,并给出了详尽的分析;杨乐之等的测试结果表明,流量系数不仅跟舌簧阀的形状有关,而且与孔的数量,与隶属于吸气阀片还是排气阀片均有关系。作者在设计气缸径为Υ73压缩机(容积是151m3/h)的吸排气阀片时,分别参考了文献和提供的流量系数,从试验结果上看(试验是由压缩机来测试的),文献的数据气阀模型较为准确一些。从样机测试的结果上可以看出,流量系数的确定,不仅要考虑舌簧阀特征升程与阀孔直径的关系,阀片的形式(比如单孔阀还是多孔阀),还要考虑阀片的吸排气状态、以及气缸直径的大小等因素。因此工程设计人员在参考这些数据的时候需要根据自己设计有条件地进行选择,而且要经过试验验证后再进行修正优化,最终得到符合自己产品的设计参数,且不可盲目的进行搬用。需要指出的是气阀通流面积的增加,可以使气阀阀隙马赫数明显下降,压缩机的能效比提高,而且还可以降低排气温度。但是气阀通流面积的增大不能用增加气阀升程的方法来实现,因为气阀升程的增加会降低气阀的寿命,以及产生高噪声等危害[11、12]。2.3阀片升程设计升程限制器是气阀组件的重要组成部件,在以舌簧阀为特征的气阀组件中,吸气阀片通常没有升程限制器,而是在气缸的相应位置,开设一个凹槽,限制吸气阀片的行程(参见图1)。所以,本文重点讨论排气升程限制器,在部分文献中又称为限位阀片。升程限制器的形状将直接影响阀片的运动规律和寿命,同时也影响气流的有效流通面积。目前对升程限制器的研究多集中于限制器的线型、特征升程(图1所示的los即为特征升程)以及对阀片寿命的影响[11~17]。由于舌簧阀的弯曲疲劳断裂经常发生于阀片根部及相对的孔部位[13~16,30],因此升程限制器的形状应与阀片运动撞击升程限制器时的运动规律相适应,这样接触应力小,阀片寿命长。文献给出了常用的3种升程器的结构形式(参见图2),其主要区别是根部的形状不同。目前,在小型制冷压缩机气阀的设计中,对升程器限制器的形状并没有一个固定的设计模式,一般都采用弧形,目的是为了改善阀片在运动时根部和气孔处的受力状况。文献通过有限元对这3种升程器进行分析,计算了阀片根部弯曲应力,并对比了他们的优缺点。指出圆弧式升程限制器使阀片有更好的运动特性。文献针对弧面升程器的4种线型进行对比分析,如图3所示,直线型,单曲率型,双直线型,单曲率直线型,并指出经过试验测试单曲率直线型(前部直线和根部直线均与大圆弧相切)一方面可以使气流有效通流面积增大,根部变形减小,另一方面其线型与阀片实际运动的变形比较吻合,使得阀片撞击应力减小。作者在设计条状舌簧阀时分别采用了单曲率和单曲率直线型两种方案,经分析发现,对于小型制冷压缩机,采用单曲率和单曲率直线型限制器形状几乎一致,对于中型压缩机,两种方案的限制器形状存在一定差异,单曲率直线型设计方案的优点得以体现,即流通面积比较大,特征升程比较小。对于升程限制器特征升程的计算,最常见的是根据材料力学理论提出的公式进行计算,文献则根据振动力学的理论,提出了条状簧片阀升程限制器曲率的工程计算方法。作者在设计阀片时,分别采用两个公式进行计算,并绘制出图形,对比分析之后发现,两种设计方案的计算结果几乎一致,线型基本重合。舌簧阀的升程是影响阀片寿命的一个决定性因素,很多学者对此进行了研究。阀片升程大,气阀有大的阀隙通流面积,压力损失降低,马赫数小,但是升程过大,阀片的撞击速度随之加大,阀片磨损加快,导致阀片使用寿命降低。作者在设计中,将升程从3.5mm增加到5.5mm,运转几个小时后,阀片与阀座接触部分便出现了明显的磨损痕迹。因此在设计阀片升程时,要兼顾阀隙通流面积和阀片撞击速度两方面的因素,在保证通流面积的前提下,尽量降低阀片的升程。对于中小型半封闭活塞式制冷压缩机,一般特征升程可以控制在3.5~1.7mm之间,小型的可取下限值,中型的可取上限值,吸排气阀片的升程可以选用相同的值。3对阀片的设计要求活塞式制冷压缩机发展历史悠久,具有丰富的设计、研究、制造和运行经验,同时现代计算机和新材料的发展,推动了舌簧阀从实验室进入了工厂,目前围绕舌簧阀的优化设计多是在已有的理论基础上进行改进的,比如对阀片的运动规律进行改进,对舌簧阀形状优化等。近十几年在舌簧阀的设计上没有提出更新的设计方法,这说明舌簧阀的设计理论已日趋完善。随着现代制造业和材料科学的发展,使得阀片的制造精度大幅提高,其所用的材料的机械的机械性能也比以前有了更多的改善。作者在设计中发现,现有文献上提供很多设计参数(比如流量系数,推