CN105545868B - 一种往复压缩机气量调节系统执行油缸 - Google Patents

一种往复压缩机气量调节系统执行油缸 Download PDF

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Abstract

本发明涉及一种往复压缩机气量调节系统执行油缸，针对现有往复压缩机无级气量调节执行机构在运用中普遍存在的油缸内部结构反复撞击或者动作性能不达标，以及漏气、漏油问题，本油缸采用弹簧、柱塞、顶杆结构，依靠弹簧作用力使柱塞与顶杆始终紧密接触，避免柱塞与顶杆在运动过程中反复撞击；本发明的一个关键点在于弹簧的设计与选择，此外本发明采用可更换密封块结构，漏气回收机构，保证密封块与顶杆之间密封安全可靠；设计了漏油回收腔与漏油回收口，解决了液压油泄漏进入密封块与压缩机吸气腔的问题。

Description

一种往复压缩机气量调节系统执行油缸
技术领域
本发明涉及一种往复压缩机气量调节系统执行油缸。
背景技术
往复压缩机在我国石油化工工行业中占据着重要的地位，应用相当的广泛，多用于气体的处理和运输方面。往复压缩机在石油化工行业生产中，常常由于工艺的改变，往往会造成所需气量的不同，因此为了满足不同工况下的气量需求，一定对它进行气量调节，无级气量调节的应用不但满足了气量要求，而且具有节能、压力平稳、操作方便等优点。
顶开吸气阀调节排气量的工作原理：在往复压缩机的压缩阶段，吸气阀的阀片被执行机构强制顶开，气体回流到进气管道，控制执行机构在压缩阶段强制顶开的时间决定回流气体的多少。部分行程顶开吸气阀的调节装置在国内、国外均有公示，国外的贺尔碧格在国内申请的专利CN03158561，另外国外的专利US-A-5695325，专利EP-A-0893605也都是部分行程顶开吸气阀的调节装置，国内的浙江大学申请的CN200610155395。
针对现有专利中调节装置大多采用油缸作为执行结构在运用中出现了不良的影响，油缸结构设计不合理，会出现撞击或者动作性能达不到控制要求，漏气、漏油效果不良，尺寸链封闭，经常松动从而导致磨损等。本发明提出了一种新的往复压缩机气量调节系统执行油缸，巧妙地解决了出现的不良影响。
发明内容
本发明是为了给往复压缩机无级气量调节系统提供执行机构，实现对气量的控制，达到节能的效果。
一种往复压缩机气量调节系统执行油缸，其特征在于：
包括缸体(1)、液压油口(6)、漏油回收口(8)、漏气回收口(9)、液压油工作腔(2)、弹性体(7)、柱塞(3)、漏油回收腔(4)、顶杆(11)、密封块(5)和漏气回收腔(10)；
油缸与往复压缩机吸气阀阀盖固定，缸体(1)与柱塞(3)之间为液压油工作腔(2)，弹性体(7)放置于液压油工作腔(2)内，在柱塞(3)与顶杆(11)接触的一端设置有漏油回收腔(4)，在密封块(5)中设有漏气回收腔(10)；液压油工作腔(2)与液压油口(6)相通，漏油回收口(8)与漏油回收腔(4)相通，漏气回收口(9)与漏气回收腔(10)相通。
进一步，密封块(5)与缸体(1)为分体结构，密封块(5)固定安装于缸体(1)上。
应用所述油缸的方法，其特征在于步骤如下：
1)初始安装时，顶杆(11)一端固定于气阀卸荷器上，另一端穿过油缸密封块(5)，液压油工作腔(2)内此时无液压油，在弹性体(7)弹力作用下柱塞(3)与顶杆(11)接触；
2)液压油工作腔(2)内通入液压油，在油压作用下柱塞(3)推动顶杆(11)沿液压油工作腔(2)中心线方向运动，顶杆(11)带动气阀卸荷器(12)，顶开吸气阀阀片；
3)液压油工作腔(2)内液压油回流，液压油工作腔(2)压力降低，在气阀卸荷器内弹簧作用下气阀卸荷器与顶杆(11)向柱塞(3)方向运动，吸气阀阀片关闭，顶杆(11)推动柱塞(3)向弹性体(7)方向运动；
4)后续动作重复步骤2)-3)。
进一步，当弹性体(7)采用弹簧，弹簧刚度的计算方法如下：
1)最大弹簧刚度kmax
初始安装后弹簧的弹力计算公式如下：
F1＝nFmo-mg cosθ ①
公式①中各字母代表意义如下：
F1：初始安装后弹簧的压缩力；
n：摩擦力放大系数，取值1.2；
Fmo：柱塞(3)与缸体(1)之间的摩擦力；
m：柱塞的质量；
g：重力加速度；
θ：油缸安装后，柱塞和地面垂直线夹角；
设顶杆(11)行程为x，弹簧初始安装后预缩量为L0，则液压油作用后弹簧压缩量为L0-x，根据弹簧与柱塞(3)应保持接触的要求，L0-x最小值为0，即液压油作用后弹簧恢复原长，因此L0最小值为x；弹簧作用力相对变化量ΔF＝F1；弹簧长度相对变化量ΔL＝x-l'，l′为顶杆行程x误差，取值为x×10％，；通过ΔF与ΔL求得最大弹簧刚度kmax；
2)最小弹簧刚度kmin
Hb为弹簧的最小高度，令L为弹簧原长，则；
Hb＝L-L0-l' ②
公式②中：
L-L0＝l4+l5+l6-(l1+l2+l3) ③
公式③中，各字母代表意义如下：
l1：阀座安装端面到卸荷器上端面高度；
l2：顶杆(11)长度；
l3：柱塞(3)长度；
l4：吸气阀阀室高度；
l5：吸气阀阀盖高度；
l6：吸气阀阀盖上端面到弹簧安装孔底面高度；
通过Hb与弹簧截面形状参数ξ得到最小弹簧刚度kmin；
综上得出弹簧的刚度k范围：
kmin<k<kmax ④
附图说明
图1是油缸结构原理图；
图2是油缸及往复压缩机卸荷器图；
图3是柱塞与顶杆配合图；
图4是弹簧与柱塞的受力分析图。
具体实施方式
下面结合附图和实施实例对本发明进一步说明：
图1是油缸结构原理图，油缸采用柱状结构外形，缸体(1)与往复压缩机吸气阀阀盖通过螺栓固定，液压油通过液压油口(6)进入液压油工作腔(2)，推动柱塞(3)和顶杆(11)沿液压油工作腔(2)中心线方向运动，漏油回收口(8)和漏气回收口(9)分别与漏油回收腔(4)和漏气回收腔(10)相通，弹簧的预压缩力能够克服摩擦力，使柱塞(3)与顶杆(11)保持接触，密封块(5)能密封阀盖内的气体，以防泄漏到油缸外部，顶杆(11)固定于吸气阀卸荷器(12)上。
图2是往复压缩机油缸及卸荷器图，图中由下到上结构依次是吸气阀、卸荷器、压盖、油缸。吸气阀放置在往复压缩机气室内，利用压罩以及阀盖上的顶丝固定，卸荷器利用卸荷器内的锁紧螺母固定在吸气阀螺柱上，油缸和卸荷器之间的动力传递是依靠柱塞(3)和顶杆(11)，油缸依靠螺栓固定在吸气阀阀盖上。当液压油通过液压油口(6)进入液压油工作腔(2)，依次推动柱塞(3)、顶杆(11)、卸荷器壳体、压叉，最终顶开吸气阀阀片，由于阀片被顶开在压缩阶段气体能回流到进气管道，压缩阶段内阀片保持顶开时间的长短决定了调节气量的大小；阀片撤回动作实现：液压油工作腔(2)内液压油回流，压力降低，卸荷器内的复位弹簧依次推动压叉、卸荷器壳体、顶杆(11)、柱塞(3)向油缸弹簧方向运动，阀片关闭；图中虚线表示卸荷器在液压油作用下运动极限位置，卸荷器的运动位移量等于油缸顶杆(11)的行程。
图3是柱塞(3)与顶杆(11)配合图，柱塞(3)和顶杆(11)是接触配合；能保证在出现测量、加工、装配误差的情况下，弹簧的预压缩力能使柱塞(3)和顶杆(11)保持接触。
图4是柱塞(3)和弹簧的受力分析图，弹簧在推动柱塞(3)运动时，弹簧压缩力与摩擦力方向是同一方向的，但是柱塞(3)重力由于油缸安装方向的不同，重力在运动方向上的分量需要根据具体安装位置进行具体计算。
本发明实施例中采用的弹簧为圆柱压缩弹簧，截面形状参数ξ为直径d，弹簧设计流程主要包括：
第一步：测量气量调节系统的弹簧相关计算尺寸，包含系统结构尺寸和相关系数，如表1所示；
表1气量调节系统尺寸(1)
系统摩擦力及相关系 符号 大小
密封圈摩擦力 Fmo 10N
安装角度 θ 30°
液压柱塞重量 m 0.05kg
放大系数 n 2
误差值 l′ 1mm
重力加速度 g 9.8kg/m3
第二步：根据表1中的数据，计算弹簧截面直径；
第三步：根据系统尺寸计算弹簧的极限尺寸：弹簧最大刚度和弹簧最小刚度；
第四步：根据第三步得到的弹簧刚度范围取一个值，确定实际运用的弹簧刚度；
第五步：检验弹簧实际效果；
根据计算弹簧参数所需要的数据，测量无级气量调节系统的相关尺寸，如表2所示。
表2气量调节系统尺寸(2)
根据表1、表2的尺寸，进行弹簧设计：
1、弹簧最大刚度计算：
1)弹簧初始安装压缩力：
F1＝nFmo-mg cosθ＝2×10-0.05×9.8×cos30°≈20N
2)弹簧最大刚度
查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-8可得上式。
2、弹簧最小刚度计算：
1)弹簧预压缩后高度：
L-L0＝l4+l5+l6-(l1+l2+l3)
＝121+35+125-(109+108.5+48.5)
＝15mm
上式中，L为弹簧原长，原长计算公式可查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-14，L0为弹簧预压缩量。
2)弹簧截面直径：
查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-8，可以得到公式：和其中Pn为弹簧最大工作载荷，在本实施实例中大小为F1，C为旋绕比，K为曲度系数，d为弹簧线径，τp为许用切应力，许用切应力的数值可查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-6。
弹簧截面直径计算，首先根据弹簧安装空间给出d和D的估计值，然后依次计算或者查表得出C、K、τp、d'，最后比较d和d'，当d'≈d时，即能确定弹簧截面直径。
经过查表和计算，得到d＝1.35mm,D＝10mm。
3)弹簧自由圈数
查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-8可得到上式，式中，n1为弹簧有效圈数，G弹簧材料的切变模量。
4)弹簧的最小高度：查机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧表11-2-14可得下式。
Hb＝L-L0-l′＝(n1-0.5)d
5)由1)和4)可以得出弹簧最小刚度：
综上，弹簧刚度的取值范围为3302N/m～5000N/m。
在设计弹簧时，根据上述的刚度计算范围，取弹簧刚度为4000N/m进行计算，由于根据3)计算弹簧有效圈数时，得到的结果有可能存在非整数的情况，因此需要调整弹簧的中经和刚度，使弹簧有效圈数圆整为机械设计手册中的系列值，下表为根据机械设计手册(第五版)第三卷第2章圆柱螺旋弹簧进行设计的气量调节系统使用的弹簧参数表格。
表3气量调节弹簧参数表格
在无级气量调节实验中，油缸采用上述的弹簧效果良好。现场安装可以看出：在安装油缸缸体部分时，由于弹簧力设计合适，能够克服摩擦力，使弹簧能够将柱塞顶出，缸体及卸荷块在安装到壳体上时，需要克服较小的弹簧力才能使缸体和壳体相互接触，完成安装。安装过程中能明显的体验到弹簧力，因此满足了要求。

Claims (3)

1.一种往复压缩机气量调节系统执行油缸，其特征在于：
包括缸体(1)、液压油口(6)、漏油回收口(8)、漏气回收口(9)、液压油工作腔(2)、弹性体(7)、柱塞(3)、漏油回收腔(4)、顶杆(11)、密封块(5)和漏气回收腔(10)；弹性体(7)采用弹簧；
油缸与往复压缩机吸气阀阀盖固定，缸体(1)与柱塞(3)之间为液压油工作腔(2)，弹性体(7)放置于液压油工作腔(2)内，在柱塞(3)与顶杆(11)接触的一端设置有漏油回收腔(4)，在密封块(5)中设有漏气回收腔(10)；液压油工作腔(2)与液压油口(6)相通，漏油回收口(8)与漏油回收腔(4)相通，漏气回收口(9)与漏气回收腔(10)相通；密封块(5)与缸体(1)为分体结构，密封块(5)固定安装于缸体(1)上。
2.应用如权利要求1所述油缸的方法，其特征在于步骤如下：
1)初始安装时，顶杆(11)一端固定于气阀卸荷器上，另一端穿过油缸密封块(5)，液压油工作腔(2)内此时无液压油，在弹性体(7)弹力作用下柱塞(3)与顶杆(11)接触；
2)液压油工作腔(2)内通入液压油，在油压作用下柱塞(3)推动顶杆(11)沿液压油工作腔(2)中心线方向运动，顶杆(11)带动气阀卸荷器(12)，顶开吸气阀阀片；
3)液压油工作腔(2)内液压油回流，液压油工作腔(2)压力降低，在气阀卸荷器内弹簧作用下气阀卸荷器与顶杆(11)向柱塞(3)方向运动，吸气阀阀片关闭，顶杆(11)推动柱塞(3)向弹性体(7)方向运动；
4)重复步骤2)-3)。
3.根据权利要求1所述的油缸，其特征在于，弹簧刚度的计算方法如下：
1)最大弹簧刚度kmax
初始安装后弹簧的弹力计算公式如下：
F1＝nFmo-mgcosθ ①
公式①中各字母代表意义如下：
F1：初始安装后弹簧的压缩力；
n：摩擦力放大系数，取值2；
Fmo：柱塞(3)与缸体(1)之间的摩擦力；
m：柱塞的质量；
g：重力加速度；
θ：油缸安装后，柱塞和地面垂直线夹角；
设顶杆(11)行程为x，弹簧初始安装后预缩量为L0，则液压油作用后弹簧压缩量为L0-x，根据弹簧与柱塞(3)应保持接触的要求，L0-x最小值为0，即液压油作用后弹簧恢复原长，因此L0最小值为x；弹簧作用力相对变化量ΔF＝F1；弹簧长度相对变化量ΔL＝x-l'，l′为顶杆行程x误差，取值为x×10％；通过ΔF与ΔL求得最大弹簧刚度kmax；
2)最小弹簧刚度kmin
Hb为弹簧的最小高度，令L为弹簧原长，则；
Hb＝L-L0-l' ②
公式②中：
L-L0＝l4+l5+l6-(l1+l2+l3) ③
公式③中，各字母代表意义如下：
l1：阀座安装端面到卸荷器上端面高度；
l2：顶杆(11)长度；
l3：柱塞(3)长度；
l4：吸气阀阀室高度；
l5：吸气阀阀盖高度；
l6：吸气阀阀盖上端面到弹簧安装孔底面高度；
通过Hb与弹簧截面形状参数ξ得到最小弹簧刚度kmin；
综上得出弹簧的刚度k范围：
kmin<k<kmax ④。
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