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弹簧力不匹配而导致的气阀故障分析

弹簧力不匹配而导致的气阀故障分析
我公司给型号为2D40-54/3.5-16-BX往复压缩机配套气阀，这台压缩机是双一级压缩，气阀采用网状PEEK闭式气阀。在用户现场试车时发生气阀故障，压缩机运行时气缸发出类似“撞缸”的异响，出口压力远低于设计值。
2 故障原因分析
在现场查看了工况后发现，压缩机试车时是采用试车工况，而我公司接到的设计工况中并没有试车工况，也就是说把正常工况的气阀用于试车工况。表1为空气试车工况与正常工况参数对比。
由表1可知，正常工况下压缩机入口压力为0.45 MPa（A），而空气试车工况下仅为常压0.1 MPa（A），相差接近5倍，且气体介质也不同。原气阀在空气试车工况下肯定不能正常运行。
用户现场员工已将气阀拆开检查，并没有发现零件损坏，测量了气阀的主要配合尺寸，也都是正确的。证明气阀在加工制造上是没有问题的，问题只可能是在气阀设计上未考虑到空气试车工况。

表2是复算后得出的计算结果。
如表2所示，因为气阀是同一个，所以两种工况下进/排气阀的弹簧力都是一样的，而气体力因压力和气体分子量不同，故其值也不同。我们知道气阀参数中的滋值为弹簧力与气体力的比值，该值是用来表征气阀弹簧力选取是否合理的重要参数之一。空气试车工况下的进/排气阀滋值分别达到了4/2，而正常工况下的进/排气阀滋值分别为0.72/0.36。显然空气试车工况下的弹簧力相对于气体力大了很多。所以可以判断出该问题的原因在于空气试车工况下弹簧力相对于气体力太大导致。我们再来看一下阀片运动情况。图1和图2分别为空气试车工况下进/排气阀片位移曲线。图3和图4分别为正常工况下进/排气阀片位移曲线

通过以上的阀片位移曲线可以看出，空气试车工况下阀片出现明显的振荡，而正常工况下阀片位移曲线十分正常。图1和图2的振荡是由于气阀弹簧力过大造成的，故从阀片位移曲线上也可以看出空气试车工况下进/排气阀压缩弹簧力太大。
由此可知空气试车工况下的进/排气阀的弹簧力大于平均气体力很多，造成的结果即为：在气缸吸气阶段，气阀阀片被弹簧顶住，气体力不足以克服弹簧力，阀片处于未打开状态或者打开程度很小，气体无法有效进入气缸，造成气缸内产生类似“吸真空”状态；与进气类似，在气缸排气阶段，气体力也不足以克服弹簧力，气体无法有效排出气缸，造成类似“堵塞”状态。以上两种情况均会使活塞综合力大大增加，活塞、十字头、连杆受力情况恶化，故气缸发出类似“撞缸”的异响。
3 解决方案
针对以上分析出的原因，理想情况是新做一套试车阀专门用于压缩机空气试车。但是现场情况不允许这么做，只能退而求其次，改造现有气阀以适应2种工况下运行。综合考虑现场情况后决定仅更换气阀弹簧，其余零件不变，可以短时间、最少人工解决问题。
考虑到气阀出现故障的原因为：空气试车工况下气阀弹簧力相对于阀片受到的气体力太大，所以改进方案采用减小气阀弹簧力来达到目的。但是也不能减小的太多，若满足了空气试车工况的话，正常工况下的弹簧力就会显得太小，也无法使压缩机正常开机运行。
这个方案关键是找出合适的弹簧力，在两种工况下均能使气阀及压缩机正常运行。但是因2种工况下的气体分子量和压力差别较大，使用同一种规格的弹簧分别在2种工况下均达到理想情况是不可能的，只能是以正常工况为主，兼顾空气试车工况，而且每种工况均无法达到理想使用效果。
在气阀设计中，弹簧力的选取是有一个区间的，在这个区间内的弹簧力都能使气阀正常运行，只不过其他参数会不一样，设计时考虑的侧重点不同，则弹簧力的取值也不同。所以目前的方案只能是空气试车工况取弹簧力上限再大一点，正常工况取弹簧力下限再小一点，尽量使其不要偏离极限值太多。使用新弹簧后的计算结果如表3所示。
通过表3可以看到空气试车工况进/排气阀滋值分别下降为1.8/1.6，超出上限值不是并不很多（上限值分别为0.92/0.67），而正常工况的进/排气阀滋值也同时下降为0.33/0.29，低于下限值很少（下限值分别为0.46/0.23）。也就是说，改造后的新气阀在空气试车工况下可以保证压缩机开机试车，试车结束后换用正常工况，气阀也可以让压缩机正常运行，且使用效果与理想情况相比不会差太多。
4 结论
有问题的气阀经过以上方案改进后，使压缩机可以正常开机试车，没有影响用户建设该装置的工期，在后期正常工况下，也保证压缩机稳定运行了2年左右时间。因此选取合理的弹簧力对于气阀设计来说是至关重要的一环，前期设计时对各种工况都需要充分考虑周全，才能保证制造出合格的气阀产品。

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