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往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计

往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
   1、引言
 
  往复式压缩机气缸的进、排气是通过气阀来完成的。气阀是否能按设计参数进行进、排气操作,其中的一个关键点是气阀不能漏气。这就要求气阀垫圈的接触压力在合理的范围。如果接触压力太小,垫圈就起不到密封的作用;如果接触压力太大,又容易导致垫圈变形超出范围。另一方面,压缩机运行过程中,垫圈接触压力是随着气阀进、排气的循环过程而不断变化的,这就增加了垫圈密封的难度。考虑到垫圈接触压力主要由压阀螺栓预紧力和垫圈结构来决定,其中压阀螺栓预紧力很容易调整而垫圈结构一旦确定就很难更改,因此,垫圈结构是气阀密封设计的重点。
 
  本文使用ANSYS有限元程序,对如图1所示气缸的两种气阀垫圈进行了应力分析。通过对比分析两种气阀垫圈,说明其结构优劣,以及优化和改进的方向,可为气阀垫圈典型设计结构提供参考依据。图2表示了优化前截面为近似平行四边形的气阀垫圈,图3表示了优化后截面为长方形的气阀垫圈。
 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计

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  2、气缸有限元分析模型
 
  根据气缸结构特点和载荷特性,取其1/8对称结构,用ANSYS分析程序生成有限元模型如图4所示。该有限元模型包含了缸体、气阀及密封垫圈。各部件的材料特性如表1所示。
 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
 
  在有限元分析模型中,相对于周围零件,气阀垫圈尺寸较小,因此对气阀垫圈以及和其相接触的压缩缸部件局部部位采用如图5所示较细密的网格划分,以捕捉到准确的应力变化。
 
  根据气缸分析模型结构的对称性,在其三个对称面上施加对称约束边界条件。气阀密封垫圈和缸体以及气阀的两个接触面采用摩擦接触,取摩擦系数0.1。其它各零件之间的接触面均假设为无摩擦可滑动接触。
 
  载荷方面,分别对压缩缸进气端和排气端进行4个不同气压状况载荷分析,具体如表2所示。
 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
 
  气阀密封垫圈有限元分析采用四个荷载逐步加载。第一个荷载步是只加螺栓的预紧力,第二个荷载步是增加气阀室的工作气压,第三个荷载步是增加压缩缸进气气压,第四个荷载步是增加压缩缸排气气压。
 
  3、改进前气阀垫圈有限元分析结果
 
  图6至图9显示了改进前排气阀垫圈在四个载荷作用下的应力分布图。从图中可以看出,垫圈的应力分布很不均匀且随着气缸和排气阀腔的压力变化而变化。


 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计

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  图10和图11分别是排气阀垫圈和进气阀垫圈在其边缘处压力汇总图,以及根据ASME VIII Div. 1计算得出的最小垫圈座压力和最小垫圈工作压力。从图中可以看出在载荷2时,即气阀室工作压力,气缸内常压时,气阀垫圈表面压力值最大。在载荷4,即气阀室和气缸均为工作压力时,气阀垫圈表面压力值最小。在四种载荷作用下,也就是气缸的不同工作过程中,气阀垫圈压力分布都极不均匀,且局部压力低于ASME VIII Div. 1要求的最小垫圈工作压力,说明此垫圈设计需要优化。
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
 
  4、改进后气阀垫圈有限元分析结果
 
  图12至图15显示了改进后排气阀垫圈在四个载荷作用下的应力分布图。从图中可以看出,垫圈的应力分布相对较均匀,但也是随着气缸和排气阀腔的压力变化而变化。
 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计

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  图16和图17分别是排气阀垫圈和进气阀垫圈在其边缘处压力汇总图,以及根据ASME VIII Div. 1计算得出的最小垫圈座压力和最小垫圈工作压力。从图中可以看出,在四种载荷作用下,也就是气缸的不同工作过程中,气阀垫圈压力均高于ASME VIII Div. 1要求的最小垫圈工作压力且其压力分布不均匀性较改进前得到了极大的改善,说明此垫圈优化设计是有效的。
 
往复式压缩机气缸气阀垫圈优化设计
 
  4、分析结果讨论
 
  气阀密封垫圈接触表面合适的压力是保证气密性的必要条件。工作时垫圈接触面压力要高于ASME VIII Div 1要求的最低座压压力和根据气阀气压计算出的最低工作压力。
 
  改进前模型中垫圈两接触面的压力分布极不均匀,在前沿边处(钝角处)的压力显著升高,远高于垫圈材料的屈服强度,会有塑性变形出现。且局部压力低于密封需求的最小垫圈工作压力,不满足气阀垫圈设计要求。
 
  改进后的垫圈形状切除了横截面锐角部分,横截面从平行四边形改变为长方形,减少了前沿边处(钝角处)的应力,并且增加了垫圈接触面宽度,接触面压力比较均匀且满足ASME VIII Div 1要求的最低座压压力和最低工作压力,满足气阀垫圈设计要求。
 
  5、结论
 
  本文采用ANSYS有限元程序,对往复式压缩机气缸气阀垫圈进行了应力分析和设计优化。分析结果表明,在气阀工作过程中,垫圈接触压力不断变化。通过对垫圈结构设计进行改进,其接触压力可以满足气阀密封要求且压力分布较均匀,可为气阀垫圈结构典型设计提供技术参考依据。
 
  参考文献
  1. C. Lee, K. Chiang, W. Chen, Rong. Chen, Design and Analysis of Gasket Sealing of Cylinder Head under Engine Operation Conditions, Finite Elements in Analysis and Design, 2005, 41, 1160-1174
  2. S.W. Chyuan, Finite element simulation of a twin-cam 16-valve cylinder structure, Finite Elements Analysis and Design, 2000, 35, 199–212.
  3. M. Krishna, M. Shunmugam, N. Prasad, A study on the sealing performance of bolted flange joints with gaskets using finite element analysis, International Journal of Pressure Vessels and Piping, 2007, 84(6), 349-357
  4. A. Kadam and S. Ingale, Experimental and Numerical Analysis of Effect of Washer Size and Preload on Strength of Double Lap Double Bolted GFRP-To-Steel Joint, International Journal of Science and Research, 2017, 6(6), 2397-2402
  5. ANSYS User Manual, 2016. 6. ASME Boiler & Pressure Vessel Code VIII, Div. 1, New York: ASME, 2001.
  7. 郁永章、姜培正、孙嗣莹 主编, 压缩机工程手册,中国石化出版社,2012年1月
 
 
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