梁璞玉

（中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶246001）

淺析某型艦用高壓空壓機排污裝置的設(shè)計與計算

梁璞玉

（中國人民解放軍第四八一二工廠，安徽 安慶246001）

排污裝置是高壓空壓機中必不可少的重要組成部分，常使用隔膜閥或電磁閥等來實現(xiàn)定時排污。近年來，工廠使用的隔膜閥逐漸減少，而用戶反饋高壓級使用的電磁閥故障不斷增多，為了解決這個問題，有的已逐步使用氣動閥來代替高壓級的電磁閥，經(jīng)耐久性試驗和裝機使用，運行靈敏可靠，已取得了良好的經(jīng)濟效益，值得推廣應(yīng)用。

高壓空壓機；排污裝置；聯(lián)動；電磁閥；氣動閥

1 引言

隨著艦船及軍港、軍械等場所對高壓氣源的需求越來越多，同時，為了獲得良好的氣源品質(zhì)，并減輕后置干燥機的處理負(fù)荷，進一步提高干燥機處理后的氣體品質(zhì)，一般在空壓機的各級冷卻器后均設(shè)置一個液氣分離器，以處理掉氣體中包含的大部分的潤滑油和水分等，這就需要在各級液氣分離器的下方設(shè)置一個定時排污閥，以便及時排掉貯存在分離器腔體內(nèi)的油污水等。

目前，一般使用隔膜閥或電磁閥來實現(xiàn)定時排污，因隔膜閥體積大且維修性不高，工廠已逐漸棄用，現(xiàn)在普遍選用常開或常閉式的電磁閥來控制排污。而高壓級場合使用的電磁閥，隨著近些年反饋的質(zhì)量問題不斷增多，同時考慮現(xiàn)階段國產(chǎn)高壓電磁閥的技術(shù)現(xiàn)狀，其暫不適合高壓級場合的使用，在工廠已逐步達(dá)成共識。為了解決高壓級油污水的排放問題，工廠已逐漸采用氣動閥來代替高壓級的電磁閥，這就涉及到高壓空壓機排污裝置即氣動閥的設(shè)計與計算等問題。

2 分離方法及排污的作用

為了減少或消除壓縮氣體中的油、水及其它冷凝液，必須經(jīng)過有效分離才能被排出，一般根據(jù)空壓機的各級壓力及排氣量等參數(shù)，選用慣性式、過濾式及吸附式3種分離方法，實際使用過程中往往是3種或其中的2種進行組合應(yīng)用。對于含濕量較高的場所，則可以借鑒兩級氣液分離裝置的方法[1]，進行多次循環(huán)分離，以達(dá)到最優(yōu)的分離效果。

大氣是由一定量的干空氣和一定量的水蒸氣混合而成的，空壓機工作時，隨著氣體不斷被壓縮升壓，蒸氣的分壓力也將提高，而后在冷卻器中冷卻，當(dāng)壓縮后的蒸氣分壓超過冷卻器氣體出口溫度下水的飽和蒸氣壓時，氣體中的蒸氣將冷凝而析出水分。此時，若不及時進行分離和排除，油污水等就會伴隨著壓縮氣體進入到后面的高壓級氣缸內(nèi)，如此，不僅會降低氣體的品質(zhì)，而且可能會發(fā)生液擊現(xiàn)象，發(fā)生非常嚴(yán)重的質(zhì)量事故[2]。

3 氣動閥的設(shè)計原理

氣動閥的設(shè)計原理是利用空壓機各級壓力的不同，在氣動閥兩端產(chǎn)生壓力差，并通過閥活塞的上、下移動，實現(xiàn)某一低壓級氣源間接地控制高壓級氣源油污的泄放和關(guān)閉。

為便于說明，以本文下一節(jié)的實例進行闡述。在高壓空壓機正常運轉(zhuǎn)時，二級壓力應(yīng)能推動氣動閥中的閥活塞向下移動，并能使密封面與其下的三級排污孔口d3緊密接觸而實現(xiàn)密封。四級的密封過程與三級類似，當(dāng)四級的壓力建立起來后，就可以對外供氣了。

當(dāng)二級電磁閥排污時（設(shè)定的排污間隔時間可調(diào)），圖1上端的“接二級壓力表管路”中的壓力將降低，當(dāng)二級壓力p2降到最低值時，其氣動閥下端的三級壓力p3將克服上端的二級壓力、閥活塞的摩擦力及重力，推動閥活塞上移，從而使下端“接三級排污管”內(nèi)的污水介質(zhì)按圖示箭頭方向流出，實現(xiàn)三級排污。同理，當(dāng)三級進行排污時，其壓力也必然下降，當(dāng)其壓力降到最低值時，也滿足四級壓力能夠推開閥活塞向上移動而實現(xiàn)排污。

當(dāng)二級電磁閥排污時長結(jié)束后（設(shè)定的排污時長也可調(diào)），二級排污電磁閥隨即關(guān)閉，二級壓力表管中的壓力將快速升高，反過來把三級閥活塞向下推動而密封住三級的排污孔口，此時，三級關(guān)閉而停止泄放，其管內(nèi)的壓力也將逐漸升高。同理，升高后的三級壓力則會把四級閥活塞向下推動而密封住四級的排污孔口，使四級停止泄放，這樣四級壓力就重新建立起來，繼續(xù)對外供氣了 [3]。

到了設(shè)定的排污間隔時間后，各級將依次再進行排污，其排污過程就是上一個排污動作的循環(huán)。

現(xiàn)以二級壓力控制三級排污為列，給出了氣動閥的設(shè)計原理圖，如圖1所示，其中圖示箭頭表示排污介質(zhì)的流向。

4 氣動閥設(shè)計實例

4.1 總體方案設(shè)計

現(xiàn)以某型艦用高壓空壓機排污裝置中氣動閥的設(shè)計為例，簡述其設(shè)計過程。所述高壓空壓機的排污裝置，其低壓級的一級和二級選用PLC自動控制的電磁閥排污，高壓級的三級和四級采用氣動閥排污，并利用低壓級的二級壓力作為聯(lián)動氣動閥工作的壓力源。即當(dāng)二級電磁閥排污、泄壓后，滿足二級聯(lián)動三級、三級聯(lián)動四級的需要，能夠?qū)崿F(xiàn)逐級聯(lián)動、有序排污。

4.2 設(shè)計參數(shù)

該型高壓空壓機采用單作用活塞式，末級壓力40 MPa，排氣量3.5 m3/min，共計4級，各級壓力表的公稱壓力值如下表1所示。

氣動閥活塞的推開距離，活塞上部直徑及三級排污孔口、四級排污孔口直徑等參數(shù)值見表2所示。

4.3 設(shè)計條件關(guān)系式

二級壓力的變化將聯(lián)動三級氣動閥關(guān)閉或排污，且在二級不排污和排污二種工況下應(yīng)滿足的條件關(guān)系式為：

p2·Sd2＞p3·Sd3（二級不排污時，二級能推動閥活塞下移而使三級關(guān)閉）

p2·Sd2＜p3·Sd3（二級排污時，三級能推開閥活塞上移而實現(xiàn)三級排污）

因閥活塞的摩擦力和重力遠(yuǎn)小于氣體力，故忽略不計。為了提高氣動閥的靈敏度及可靠性，同時結(jié)合不排污和排污兩種工況下，二級壓力p2和三級壓力p3均會有變化的情況（受氣閥泄漏等影響，其壓力會略有波動），故要合理設(shè)計閥活塞的外徑d2和排污孔口的直徑d3，才能滿足二級壓力出現(xiàn)波動時，均能適時控制三級油污的泄放與關(guān)閉。同時，根據(jù)油污水量及排污的速度，以及各排污管的通徑，綜合設(shè)定閥活塞的推開距離h值。

其中，在組合式氣動閥的設(shè)計原理圖上，為了提高四級排污時的響應(yīng)速度，圖2左側(cè)視圖下端的“接三級排污管”與右側(cè)視圖上端的“接三級壓力表管路”是通過一個三通接頭相連的，故兩處的三級壓力時刻相等，即p3=p3′。

4.4 設(shè)計計算過程

根據(jù)以上的原理和關(guān)系式，某型艦用高壓空壓機排污裝置中氣動閥的設(shè)計計算過程如下：即根據(jù)二級排污電磁閥的通徑（DN15），以及二級排污管子的規(guī)格（φ18×2），設(shè)定二級電磁閥的排污時長為5 s，兩次排污間隔時間為15 min?？諌簷C啟動后，二級壓力快速上升到p2=1.8 MPa左右，其對應(yīng)閥活塞上部的有效直徑為d2=25 mm，閥活塞下部的三級排污孔口的有效直徑為d3=8.5 mm，而空壓機啟動初期，三級壓力還沒有完全建立起來，約p3=4 MPa（由后面計算可知，當(dāng)二級壓力升起來后，無論三級壓力建立與否，均滿足關(guān)系式），此時滿足關(guān)系式p2·Sd2＞p3·Sd3，式中10.2為單位換算系數(shù)，下同，即有

由計算可知，二級對閥活塞向下產(chǎn)生的壓力遠(yuǎn)大于三級向上的壓力，因此，二級壓力建立起來后，將使三級排污氣動閥關(guān)閉而升壓。同理，三級升壓后，會把四級排污氣動閥關(guān)閉而升壓。這樣，各級壓力就先后建立起來了，隨著末級壓力的升高，就可以對外供氣了。

到了設(shè)定的15 min排污間隔時間后，二級電磁閥打開排污，二級壓力將迅速降低至p2=0.5 MPa左右，此時三級壓力仍為最高值p3=8.2 MPa（受上一級排污的影響，本級壓力會略降一點，但不影響分析和計算，下同），此時滿足關(guān)系式p2·Sd2＜p3· Sd3，即

經(jīng)計算，壓差為47.5-25.0=22.5 kgf，故三級壓力能夠推開閥活塞上移而打開排污。因三級壓力高，排污速度快，泄壓迅速，在1～2 s內(nèi)壓力即由8.2 MPa降至1.0 MPa左右。同理，右側(cè)上端的三級壓力p3′同步下降，此時由三級壓力控制的四級排污氣動閥也滿足條件關(guān)系式p3′·Sd2＜p4·Sd4，即有

經(jīng)計算，壓差為115.4-50.1=65.3 kgf，故由二級聯(lián)動的三級開始排污而壓力下降后，四級壓力也同樣能夠及時推開閥活塞上移而排污。

通過比較有無動態(tài)特性補償反應(yīng)過程仿真結(jié)果,對絕熱加速量熱儀測試系統(tǒng)中的影響因素進行分析。追蹤階段爐體溫度是跟蹤樣品溫度變化的隨動控制,兩者之間的差值越小,絕熱性能越高,越滿足式(2)。仿真結(jié)果顯示高濃度樣品反應(yīng)后期溫度劇烈變化,補償后樣品與爐體之間的差值較補償前小,如表3所示,反應(yīng)全過程差值趨勢如圖4所示,表明對反應(yīng)過程動態(tài)特性進行補償,系統(tǒng)響應(yīng)更快,絕熱程度更高。

當(dāng)設(shè)定的二級電磁閥排污時長5 s結(jié)束后，將立即關(guān)閉而停止排污，其壓力將快速上升到正常壓力值1.8 MPa，此時又因滿足了關(guān)系式p2·Sd2＞p3· Sd3，其中三級壓力p3按最高值帶入公式計算，即有

經(jīng)計算，壓差為90.1-47.5=42.6 kgf，即二級壓力上升后，三級壓力即使處于最高值，二級壓力依然能夠推動閥活塞下移而密封住三級的排污孔口，實現(xiàn)密封。

當(dāng)三級排污孔口被密封而停止泄放時，其三級壓力表管內(nèi)的壓力也將逐步上升到正常的壓力值8.2 MPa，此時四級排污氣動閥也滿足了條件關(guān)系式p3′·Sd2＞p4·Sd4，其中四級壓力p4也按最高值帶入公式計算，即有

經(jīng)計算，壓差達(dá)411-115.4=295.6 kgf，也即三級壓力上升后，即使四級處于最高壓力狀態(tài)，三級壓力也能夠推動閥活塞下移而密封住四級的排污孔口，實現(xiàn)密封。

以上設(shè)計計算過程也即電磁閥與氣動閥聯(lián)動時的工作過程，在到了下一個15 min的排污間隔時間后，各級又將依次進行排污，保障了持續(xù)供氣。

由計算的壓差可知，雖然帶入關(guān)系式中的數(shù)值為每一級壓力的極限值，但只要氣動閥兩端產(chǎn)生的壓差能夠克服閥活塞的摩擦力和重力，各級無需泄壓或升壓到極限值時，就能聯(lián)動氣動閥工作，因此，實際工作過程中，各級的排污過程在時間上是有重疊的。

5 耐久性試驗情況

按照GJB1491-92艦用電動高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機通用規(guī)范[4]和GB12929-2008船用高壓活塞空氣壓縮機[5]中的相關(guān)要求，該空壓機進行了1000 h的耐久性試驗。在試驗期間，一級和二級排污電磁閥先行排污，聯(lián)動三級氣動閥排污，最后四級氣動閥排污，所述排污動作和順序周期性地重復(fù)執(zhí)行，且排污動作靈敏、可靠，實現(xiàn)了逐級聯(lián)動，有序排污。

在耐久性試驗考核期間，為了驗證電磁閥和氣動閥在選用、設(shè)計及時間設(shè)定上的正確性和合理性。逐級拆掉各級排污分管路進行檢查。經(jīng)目測觀察排出的污水，可以看到呈乳白色狀的污水連續(xù)排出，同時在污水接近排盡時（可目測，在氣壓的作用下，呈流線狀的乳白色污水逐漸減弱），各級的電磁閥和氣動閥可以及時關(guān)閉，不僅滿足了排污的需要，而且避免了高壓氣源的浪費。

6 氣動閥設(shè)計注意事項

為了提高氣動閥工作時的靈敏度、及時性和可靠性，在設(shè)計氣動閥時，要合理選用和設(shè)計各個零部件的參數(shù)，其中，設(shè)計過程中要重點注意以下幾點：

（1）選用的低壓級排污電磁閥不僅關(guān)系到自身工作的可靠性，而且關(guān)聯(lián)到高壓級氣動閥工作的可靠性，故要合理選用電磁閥的類型（如常開或常閉型），同時選用國產(chǎn)或進口質(zhì)量可靠的電磁閥。

（2）為了減少氣量的損耗，應(yīng)盡可能地縮短排污時長或者油污水即將排盡時能及時關(guān)閉排污閥。即要根據(jù)各級壓力的大小，合理設(shè)計氣動閥中的活塞直徑d2，三級和四級排污孔口的直徑d3和d4，以及閥活塞的推開距離h等，這些參數(shù)都將關(guān)系到排污時間的設(shè)定和工作時的靈敏度，而減少耗氣量，就意味著增加了排氣量，降低了比功率。

（3）氣動閥中的閥活塞，其下方的密封面要使用硬度高的聚酰亞胺（或硬度相當(dāng)?shù)模┎牧?，否則氣動閥工作時極易失效。作者曾經(jīng)使用尼龍66做過對比試驗，在經(jīng)過幾次排污后，氣動閥的排污過程表現(xiàn)的越來越遲緩，最后徹底失效而不動作了。經(jīng)拆卸檢查，發(fā)現(xiàn)閥活塞在高壓的沖擊下，經(jīng)歷幾次上、下運動后，其下方的金屬排污孔口已嵌入到尼龍66的密封面內(nèi)，導(dǎo)致閥活塞“拔不出來”了。

（4）氣動閥工作過程中，高壓氣體會從密封用的O型圈（圖中所示位置）處滲漏一點進入到閥體的中間部位，從而會改變氣動閥原設(shè)計的兩端壓力差，故需要在氣動閥的某個側(cè)面預(yù)留一個泄壓小孔，以及時釋放掉泄漏過來的少量高壓氣體。

（5）本文所述的空壓機為四級，氣動閥為組合式結(jié)構(gòu)，當(dāng)控制壓力管線較長而影響管路布局或降低響應(yīng)速度時，也可以把氣動閥獨立安裝，分開使用，以提高氣動閥使用的靈活性和維修性。

（6）通過PLC自動控制，設(shè)定一級和二級排污電磁閥同步泄放，并合理加大電磁閥和排污管路的通徑，能夠加快二級排污時的壓降速度，而二級壓力下降的越快，三級和四級排污時的響應(yīng)時間就越短（即可以增加排污重疊時間），也即可以提高三級和四級排污時的靈敏度和及時性。

7 結(jié)語

在高壓空壓機的排污裝置中，使用氣動閥來代替高壓級的電磁閥，不僅可以解決高壓電磁閥的可靠性問題，極大地降低所屬部件的成本，而且可以避免電磁閥損壞后，其不可修復(fù)或修復(fù)周期長及維修成本高等一系列缺點。而本文設(shè)計的氣動閥，零件加工過程可控，使用及維修成本低，備品備件更有保障，加上原理運用明確，根據(jù)壓力及排污需要，稍加改動氣動閥的相關(guān)參數(shù)，即可運用到各種壓力及排量的空壓機上，適用范圍廣，值得推廣應(yīng)用。

[1] 梁璞玉，石盧文，朱永嘉.兩級氣液分離裝置[P].中國專利，ZL201420142166.2，2014.

[2] 郁永章.容積式壓縮機技術(shù)手冊[M].北京：機械工業(yè)出版社，2000.

[3] 王積偉，章宏甲，黃誼，等.液壓與氣壓傳動[M].北京：機械工業(yè)出版社，2005.

[4]GJB1491-92.艦用電動高壓往復(fù)活塞空氣壓縮機通用規(guī)范[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，1992.

[5]GB12929-2008.船用高壓活塞空氣壓縮機[S].北京：中國標(biāo)準(zhǔn)出版社，2008.

Design and Calculation of High Pressure Air Compressor Drainage Device for a Certain Type of Warship

LIANG Pu-yu
(4812 PLA Factory，Anqing 246001，China)

Drainage device is the indispensable important component in high pressure air compressors，which often uses a diaphragm valve or solenoid valve to achieve timing blowdown.In recent years，with the use of diaphragm valve factory gradually reduced，and the users feedback stage high pressure solenoid valve fault more and more,in order to solve this problem,some of which have been gradually use pneumatic valve instead of high pressure stage of solenoid valve.After the durability test and installed to use，sensitive and reliable running,and has achieved good economic benefits,is worth popularization and application.

high-pressure air compressor;drainage device;linkage;solenoid valve;pneumatic valve

TH45

A

1006-2971（2015）06-0039-05

梁璞玉（1981-），男，本科，工程師，現(xiàn)就職于中國人民解放軍第四八一二工廠技術(shù)中心，主要從事往復(fù)活塞式高壓空壓機的設(shè)計和開發(fā)工作。E-mail：jzh01334lpy@126.com

2015-07-29