王曉龍 張秋穎 郭殿文 路偉 安俊霖

摘 ?要：由于隔膜壓縮機(jī)不污染介質(zhì)的特性，越來越多的行業(yè)開始使用隔膜壓縮機(jī)來代替普通活塞式往復(fù)壓縮機(jī)，而雙作用結(jié)構(gòu)更是在保證大氣量、高壓比的情況下提高了壓縮機(jī)運(yùn)行的穩(wěn)定性。本文介紹了隔膜壓縮機(jī)雙作用結(jié)構(gòu)的工作原理及應(yīng)用。

關(guān)鍵詞：隔膜壓縮機(jī);雙作用;工作原理;應(yīng)用

中圖分類號(hào)：TH45 ??文獻(xiàn)標(biāo)識(shí)碼：A??文章編號(hào)：1671-2064（2019）16-0000-00

0 引言

隔膜壓縮機(jī)主要由液壓油增壓系統(tǒng)和氣體壓縮系統(tǒng)兩部分組成，一組三層膜片通過靜密封將兩個(gè)系統(tǒng)完全的分開，保證了氣體在被壓縮的過程中不會(huì)受到任何的污染，特別適用于一些稀有、易燃易爆、有毒有害、對(duì)純凈度要求極高的氣體的壓縮。

隨著各行各業(yè)的不斷發(fā)展，人們對(duì)氣量、壓力、純度的需求越來越高，而氣量越大、排氣壓力越高，造成隔膜壓縮機(jī)內(nèi)部運(yùn)動(dòng)部件所受到的氣體力、綜合活塞力、十字頭銷載荷越來越大，不得不通過增大所選的機(jī)型來滿足受力的要求。而一般的隔膜壓縮機(jī)大多為蓋側(cè)單作用結(jié)構(gòu)，使得十字頭銷處沒有反向角。API618中規(guī)定襯套的設(shè)計(jì)（如有槽襯套）具有經(jīng)證實(shí)的可靠性，在 3%幅度活塞桿反向只有 15 度。簡單的襯套設(shè)計(jì)（無槽）可能要求最小 45 度的活塞桿反向和 20%的幅度。

對(duì)于小機(jī)型（10噸以下綜合活塞力）而言，可以通過采用活塞尾端“T”形結(jié)構(gòu)，與十字頭采用浮動(dòng)連接，使活塞在做往復(fù)運(yùn)動(dòng)時(shí)可沿徑向自由竄動(dòng)，自動(dòng)找正，改善反向角對(duì)十字頭銷的影響。但是對(duì)于所受活塞力較大的大機(jī)型而言，活塞尾端“T”形結(jié)構(gòu)無法承受較大的活塞力，壓縮機(jī)運(yùn)行不平穩(wěn)，噪聲大，此時(shí)宜采用雙作用的結(jié)構(gòu)。

1 雙作用隔膜壓縮機(jī)工作原理

如圖1所示：一級(jí)的活塞和二級(jí)的活塞在同一根活塞桿上，一級(jí)的活塞直徑大于二級(jí)的活塞直徑。當(dāng)活塞向蓋側(cè)運(yùn)動(dòng)的過程中，一級(jí)氣缸油腔的體積逐漸減小，腔內(nèi)的油壓逐漸升高，當(dāng)油壓大于氣腔的氣壓時(shí)，膜片將克服氣體壓力，從而貼向缸蓋的穹形表面，將氣腔內(nèi)的氣體排出;與此同時(shí)，二級(jí)氣缸油腔的體積在一、二級(jí)活塞直徑的差值作用下逐漸增大，腔內(nèi)的油壓逐漸降低，當(dāng)油壓小于氣腔的氣壓時(shí)，膜片將克服油的壓力，從而貼向配油盤的穹形表面，使氣腔吸入氣體。

當(dāng)活塞向軸側(cè)運(yùn)動(dòng)的過程中，一級(jí)氣缸油腔的體積逐漸增大，腔內(nèi)的油壓逐漸降低，當(dāng)油壓小于氣腔的氣壓時(shí)，膜片將克服油的壓力，從而貼向配油盤的穹形表面，將氣體吸入氣腔當(dāng)中;與此同時(shí)，二級(jí)氣缸油腔的體積在一、二級(jí)活塞直徑的差值作用下逐漸減小，腔內(nèi)的油壓逐漸升高，當(dāng)油壓大于氣腔的氣壓時(shí)，膜片將克服氣體的壓力，從而貼向缸蓋的穹形表面，將氣腔內(nèi)的氣體排出。

2應(yīng)用

（1）10噸以上綜合活塞力的機(jī)型需采用雙作用的結(jié)構(gòu)，用以消除反向角對(duì)壓縮機(jī)的影響，十字頭銷的潤滑得以保證。雙作用結(jié)構(gòu)對(duì)稱的兩列受力情況完全相同，使得壓縮機(jī)運(yùn)行更加平穩(wěn)。

（2）10噸以下綜合活塞力的機(jī)型，若為兩級(jí)壓縮，且每一級(jí)膜片的直徑都很大時(shí)，也宜采用雙作用結(jié)構(gòu)。因?yàn)槟て闹睆酱?，意味著氣缸缸蓋的尺寸更大，活塞的直徑也很大，因基礎(chǔ)件本身（機(jī)身、曲軸、連桿、十字頭）尺寸較小，使整個(gè)機(jī)組看起來不是很協(xié)調(diào)，機(jī)組的振動(dòng)也會(huì)過大。若采用雙作用結(jié)構(gòu)，即通過增加氣缸的數(shù)量減少了膜片及缸蓋的尺寸，也減少了活塞直徑的大小，同時(shí)機(jī)組運(yùn)行也更加平穩(wěn)。若每一級(jí)的膜片直徑不大，單作用結(jié)構(gòu)即可，避免了增加氣缸數(shù)量造成的成本的增加。

（3）基于活塞密封的考慮，排氣壓力大于35MPA時(shí)不宜采用活塞環(huán)式的密封結(jié)構(gòu)，而需采用柱塞式的密封結(jié)構(gòu)。

然而柱塞式的活塞本身要求與氣缸缸徑的間隙非常小，所以此結(jié)構(gòu)不宜應(yīng)用到雙作用氣缸的結(jié)構(gòu)當(dāng)中，主要是因?yàn)殡p作用結(jié)構(gòu)的活塞較長，間隙小時(shí)安裝極其困難。所以柱塞式的活塞結(jié)構(gòu)主要應(yīng)用在蓋側(cè)單作用的結(jié)構(gòu)當(dāng)中。

3實(shí)例分析

現(xiàn)有一組氫氣隔膜壓縮機(jī)的基本參數(shù)為：進(jìn)氣壓力29.8bar（G），排氣壓力200bar（G），氣量1100Nm³/h。

方案初定為蓋側(cè)單作用結(jié)構(gòu)，兩級(jí)壓縮，D型布置，每級(jí)一個(gè)膜頭，級(jí)間壓力78bar（G），行程210mm。通過計(jì)算得出：

氣缸直徑：一級(jí)145mm，二級(jí)95mm;各列受力情況如圖2/3/4所示。

從圖2可以看出氣體力無反向角。

從圖3可以看出在氣體力和往復(fù)慣性力綜合作用下，十字頭銷處并不存在反向角反向角。

改用雙作用結(jié)構(gòu)方案重新計(jì)算，每級(jí)各有兩個(gè)膜頭，同樣通過計(jì)算可以得出：

氣缸直徑：一級(jí)105mm，二級(jí)68mm;各列受力情況如圖5/6/7所示。

從圖4可以看出氣體力存在反向角。

從圖5可以看出在氣體力和往復(fù)慣性力綜合作用下，十字頭銷處反向角為160°，滿足API618的設(shè)計(jì)要求。

對(duì)比單、雙作用氣缸受力圖，可以看出雙作用氣缸各列所受氣體力比單作用的小100KN，所選機(jī)型大大降低。

4 結(jié)語

目前，沈陽遠(yuǎn)大壓縮機(jī)有限公司為空氣化工（南京）有限公司生產(chǎn)的MD12-D-1000/29.8-200型氫氣隔膜壓縮機(jī)，雙作用結(jié)構(gòu)，最大許用綜合活塞力12噸，氣量1000Nm3/h，排氣壓力達(dá)到200barg，已經(jīng)在用戶現(xiàn)場(chǎng)投入使用，各項(xiàng)參數(shù)滿足設(shè)計(jì)要求，運(yùn)行平穩(wěn)，得到了用戶的認(rèn)可。

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收稿日期：2019-07-10

作者簡介：王曉龍（1989—），男，遼寧沈陽人，本科，研發(fā)部室主任，工程師，主要從事特種壓縮機(jī)的研發(fā)工作。