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        基于SolidWorks的移動式潔凈壓縮空氣分氣缸設(shè)計與建模

        2022-08-12 09:30:32郭佩超吳志超何順權(quán)楊超然
        工業(yè)儀表與自動化裝置 2022年4期
        關(guān)鍵詞:出氣口潔凈度供氣

        郭佩超,吳志超,何順權(quán),楊超然,楊 磊

        (中國醫(yī)學(xué)科學(xué)院醫(yī)學(xué)生物學(xué)研究所,云南 昆明 654000)

        0 引言

        隨著全球疫情的肆虐,疫苗的研發(fā)和生產(chǎn)成為重中之重,而潔凈壓縮空氣作為輔助氣源,其使用范圍也越來越廣,同時對潔凈壓縮空氣的潔凈度要求也越來越高。水潤滑無油螺桿空壓機產(chǎn)出6~8 Pa的潔凈壓縮空氣,經(jīng)壓縮空氣管道運輸至各個使用點,為疫苗生產(chǎn)和科研提供氣源動力。在實際疫苗生產(chǎn)過程中,由于增加生產(chǎn)設(shè)備或者改變工藝流程,需要增加很多壓縮空氣使用點,對于這種情況,移動式壓縮空氣分氣缸應(yīng)運而生,一方面可以避免因房間改造鋪設(shè)壓縮空氣管而破壞房間潔凈度,造成產(chǎn)品污染;另一方面可以根據(jù)房間潔凈壓縮空氣使用點的數(shù)量進行設(shè)計,由于分氣缸的緩沖和儲存,可以避免因大量用氣而造成壓力波動而對設(shè)備造成影響?;谝陨锨闆r,故做此創(chuàng)新設(shè)計,為疫苗生產(chǎn)和科研的潔凈壓縮空氣氣源提供技術(shù)保障。

        1 工作原理

        移動式潔凈壓縮空氣分氣缸,其主體結(jié)構(gòu)為分氣缸,以潔凈壓縮空氣為動力來源,通過進氣-儲氣-出氣的工作模式,通過控制分氣缸出氣口的數(shù)量,實現(xiàn)廠房內(nèi)設(shè)備潔凈壓縮空氣使用的數(shù)量要求,同時因其可移動的支架結(jié)構(gòu),可以根據(jù)需要移動分氣缸,大大提高了利用率。其分氣缸結(jié)構(gòu)原理示意圖如圖1所示。

        圖1 分氣缸結(jié)構(gòu)原理圖

        1端連接潔凈壓縮空氣,2端共有22個出氣口并連接橡膠皮管,潔凈壓縮空氣經(jīng)進氣口進入分氣缸,在設(shè)備連接壓縮空氣端口時,操作者根據(jù)實際情況,選擇性的打開出氣口開關(guān)。因為壓縮空氣經(jīng)三級過濾器過濾,因此其懸浮粒子數(shù)和浮游菌等指標(biāo)滿足疫苗生產(chǎn)和科研的使用要求,也能保證廠房潔凈度的要求。

        2 移動式壓縮空氣分氣缸設(shè)計

        移動式壓縮空氣分氣缸不僅占地空間小,而且可以根據(jù)后端設(shè)備壓縮空氣的使用要求,能最大限度的利用潔凈壓縮空氣。下面將對移動式壓縮空氣分氣缸進行詳細(xì)的介紹。

        2.1 壓縮空氣分氣缸尺寸的確定

        移動式壓縮空氣分氣缸的核心部件是分氣缸,其作用是降低壓縮空氣系統(tǒng)的壓力波動,保證儲氣系統(tǒng)能平穩(wěn)、連續(xù)的供氣,確保供氣效率和質(zhì)量。壓縮空氣由空壓機產(chǎn)出,由空壓站接至使用點,進入分氣缸(1個進口,24個出口)。在設(shè)備運行過程中,由于有的操作為間歇用氣,會導(dǎo)致壓縮空氣用氣量波動,因此,要選擇1個合適容器的分氣缸,最大限制的降低氣量波動對系統(tǒng)及設(shè)備造成的影響。下面就以CompAir 37H空壓機為例,進行設(shè)計選型:

        2.1.1 容積的確定

        壓縮空氣由CompAir 37H空壓機產(chǎn)出,壓力范圍為0.6~0.8 MPa,為保證潔凈壓縮空氣供應(yīng)的效果,要求出氣口流量為0.1 Nm3/min,等效于每開啟1個出氣口,進氣口與出氣口相比流量波動為0.1 Nm3/min,由于壓力波動不大,近似按照恒壓恒流量考慮。

        為了保證后端設(shè)備的正常使用,分氣缸出口壓力不得低于0.4 MPa??諌簷C到移動式壓縮空氣分氣缸的供氣管線總長為100 m,空壓機恒壓控制響應(yīng)延遲時間取15 s,流速取10 m/s,因此:流量延遲時間t1=100/10=10 s;壓力降低到波動壓力時供氣時間為t=25 s,

        又因為:S=ΔQ=0.1 Nm3/min

        式中:P0為標(biāo)準(zhǔn)大氣壓,取101 325 Pa;P1為起始壓力,取空壓機供氣壓力0.7 MPa;P2為終點壓力,即出口壓力0.4 MPa;S為供氣流量,取0.1 Nm3/min;t為供氣流量延遲時間(min)。

        代入公式求得:

        即:移動式壓縮空氣分氣缸的容積不得小于0.014 m3即可滿足使用要求。

        在進行分氣缸材料選擇時,可以采用Φ168無縫鋼管作為分氣缸制作耗材,由于容積不得小于0.014 m3,所以h取70 cm,即:

        因為:V1>V

        所以,采用304Φ168無縫鋼管,h=70 cm滿足使用要求。

        2.1.2 壁厚的確定

        由于空壓機產(chǎn)出壓縮空氣壓力范圍為0.6~0.8 MPa,取P=0.6 MPa;根據(jù)國標(biāo)GB8163,查得304無縫鋼管許用應(yīng)力為σt=137 MPa ,由此可得:

        因此,移動式壓縮空氣分氣缸的分氣缸壁厚不得小于0.372 26 mm,根據(jù)上述確定的材料為304Φ168無縫鋼管壁厚,壁厚滿足使用要求。

        2.1.3 進氣管道管徑確定

        根據(jù)以上可知,空壓機壓力范圍為0.6~0.8 MPa,取0.6 MPa;壓縮空氣平均流速為u=10 m/s;壓縮空氣容積流量為 。

        因此,分氣缸進氣管道管徑為:

        即:進氣口管道管徑d不得小于9.21 mm即可滿足使用需求,取d=15 mm。

        綜上,在保證后端設(shè)備正常使用的情況下,采用304Φ168不銹鋼無縫鋼管作為分氣缸,壁厚選取0.5 mm,進氣口管道直徑d為15 mm即可滿足使用要求。

        2.2 移動式壓縮空氣分氣缸三維設(shè)計

        根據(jù)對移動式壓縮空氣分氣缸主體結(jié)構(gòu)分氣缸的設(shè)計,計算得到其各個部分的具體尺寸。同時,為了提高移動式壓縮空氣分氣缸的機動性和便捷性,在固定分氣缸的底座裝置決定采用車輪結(jié)構(gòu),這不僅能提高壓縮空氣分氣缸的可移動性,而且操作者可根據(jù)具體的工作情況,隨意移動壓縮空氣分氣缸進行操作。下面將對移動式壓縮空氣分氣缸進行三維建模,對分氣缸和底座支架進行詳細(xì)介紹,確定移動式壓縮空氣分氣缸的三維結(jié)構(gòu)。

        2.2.1 分氣缸三維建模

        利用SolidWorks三維建模功能和計算設(shè)計的尺寸進行建模,如圖2所示。

        圖2 分氣缸建模圖

        2.2.2 分氣缸的功能

        根據(jù)分氣缸的尺寸和結(jié)構(gòu),在分氣缸上設(shè)置有缸體壓力表、壓力傳感器和取樣口;在出氣端口配備電磁閥;可直觀查看分氣缸氣體工作壓力,在取樣口可檢測壓縮空氣質(zhì)量:懸浮粒子數(shù)、含水量、含油量、浮游菌數(shù)等。如下圖3所示:

        圖3 底座支架示意圖

        2.2.3 移動式壓縮空氣分氣缸三維自控裝配

        根據(jù)對移動式壓縮空氣分氣缸的三維建模,確定了分氣缸和底座支架的具體尺寸。底座支架底部設(shè)置4個萬向輪,方便移動;同時車輪安裝座的一端設(shè)置有固定座和限位塊,在到達使用位置后可以支架穩(wěn)定支撐分氣缸工作;同時對分氣缸固定方式進行優(yōu)化,通過卡箍以硅膠墊固定分氣缸,卡箍開口處設(shè)置緊固螺桿,螺桿內(nèi)安裝彈簧,既能保證分氣缸的固定,由滿足方便快速拆裝的需求。該移動式壓縮空氣分氣缸具有方便移動、固定穩(wěn)定、方便快速拆裝的優(yōu)點,滿足生產(chǎn)科研對可移動式分氣缸使用的需求。

        同時,將裝備的壓力傳感器、電磁閥與自控系統(tǒng)相配合,可實現(xiàn)該分氣缸的自動切換功能。通過選擇手動按鈕或者點擊觸摸屏,可選擇供氣通道,其自控模型如下圖4所示。

        圖4 移動式壓縮空氣分氣缸自控裝配圖

        3 移動式壓縮空氣分氣缸的測試及應(yīng)用

        基于移動式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計理論基礎(chǔ),結(jié)合實際工作需要,根據(jù)用SolidWorks三維建模功能和計算設(shè)計的尺寸,作者及團隊設(shè)計出了一款移動式壓縮空氣分氣缸,并對其進行了測試后投入到實際應(yīng)用中。相關(guān)參數(shù)如表1所示。

        表1 移動式壓縮空氣分氣缸參數(shù)

        安裝完成后,在設(shè)計的取樣口對分氣缸供應(yīng)的壓縮空氣質(zhì)量進行檢測,檢測標(biāo)準(zhǔn)為A級潔凈級別,檢測結(jié)果如表2所示。

        表2 壓縮空氣質(zhì)量檢測數(shù)據(jù)

        根據(jù)取樣檢測結(jié)果可看出,使用移動式壓縮空氣分氣缸的方法增加壓縮空氣使用點,未對壓縮空氣質(zhì)量造成污染,有效保證了壓縮空氣的質(zhì)量。

        同時注意到,在上游壓縮空氣源以7.0 Pa為設(shè)定壓力持續(xù)供應(yīng)的情況下,即使供氣壓力輕微波動,后端用氣設(shè)備的運行消耗并未對分氣缸壓力造成影響,其壓力始終保持在5.5 Pa~6.0 Pa的范圍內(nèi),分氣缸對用氣設(shè)備的氣體供應(yīng)的穩(wěn)定性顯著。

        本次增加壓縮空氣使用點的改造中,采用移動式分氣缸的方式,安裝前對分氣缸表面采用75%過濾酒精進行噴灑、擦拭消毒后轉(zhuǎn)移至潔凈廠房內(nèi),未對潔凈廠房的潔凈度造成影響,無需對增加設(shè)備的區(qū)域進行潔凈度檢測。

        4 結(jié)論

        基于SolidWorks軟件的三維建模,簡化了移動式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計難度,保證了分氣缸參數(shù)尺寸的有效性,為潔凈壓縮空氣的結(jié)構(gòu)和安裝提供了一種新的思路和方法。移動式壓縮空氣分氣缸的設(shè)計使用,經(jīng)過測試使用及氣體質(zhì)量檢測,無需對房間進行打孔、主管道的切割、焊接的傳統(tǒng)方法,既能避免改造過程中對供氣管道、潔凈區(qū)域及房間造成污染及壓差變化,同時也省去了改造后的恢復(fù)及改造區(qū)域的潔凈度檢測,降低了改造成本。得力于移動式壓縮空氣分氣缸的機動性,其安裝、拆卸都顯得十分便捷。

        移動式壓縮空氣分氣缸的成功應(yīng)用,已證明其實用性是可行的。其與自控系統(tǒng)的深度結(jié)合,將會使其應(yīng)用性更廣,能夠適應(yīng)更復(fù)雜的工況及滿足更高的要求。移動式壓縮空氣分氣缸的自動化控制,也將成為下一步的研究方向。

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