CN113007073A - 一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置。针对现有压缩机气量调节执行机构气阀冲击过大以及采用定截面节流孔进行缓冲导致气阀顶出和撤回时间存在较大的时间滞后，影响气阀控制精度的问题，本装置通过三个节流孔组合运用，依靠节流孔之间的相对运动设计了一种变截面节流孔，在气阀顶出和撤回过程中实现了双向缓冲，同时时间滞后很小，对气阀控制精度影响有限。本发明的关键在于节流孔相对位置和大小的设计，同时本发明采用双三角滑环式组合密封保证两节流孔作用时密封安全可靠。

Description

一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲 装置

技术领域

本发明涉及一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置。

背景技术

往复式压缩机作为一种气体输送设备，广泛应用在航空航天、冶金、化工等领域，压缩机在实际的生产过程中，因为生产需求在不断的发生着变化，所以整个生产过程工艺用气量也在无时无刻的随之发生变化，大部分情况下，都不满足满负荷运行的工况条件，同时压缩机在设计制造时对其容积设计都考虑了一定的设计余量，这些因素都导致了往复式压缩机往往都是在低于设计工况下运行的，造成了较大的能源浪费，提高了工业生产成本，为此往复式压缩机应具备气量调节装置，根据实际负荷需求进行气量调节，达到节能省功的目的。

现有往复式压缩机气量调节技术，基于部分行程顶开气阀原理的无级气量调节技术由于其高效性而被广泛应用，即在气缸的压缩过程中，根据上游用气量的需求使气阀打开一段时间，只压缩所需气体的体积，达到节流省功的目的，为了精准的控制压缩机的排气量，在气量调节的过程中，需要将气阀快速的打开和关闭，现在大多数无级气量调节系统，通过液压油压力将气阀顶开，液压油压力过小会导致气阀顶出过程过慢或者难以顶开，液压油压力过大会使气阀在落座时承受较大的冲击，而气阀作为气量调节系统的关键部件之一，其稳定性和可靠性对压缩机气量调节系统作用的发挥起着决定性作用，因此有必要发明一种缓冲装置，在进行气量调节的过程中减少气阀的冲击，提高延长气阀的使用寿命，提高气量调节系统的稳定性。

针对往复式压缩机气量调节过程中减少气阀冲击的问题，国内专利CN101173658B提出了一种控制进气阀间歇工作的方法，即通过控制占空比的方法控制压缩机的加载循环和空载循环，虽然能部分解决气阀冲击问题，延长气阀使用寿命，但是应用范围有限，只能在小型压缩机上推广；国外贺碧格公司在控制阀执行机构的进口处设计了一个节流嘴，在阀打开的过程中依靠该节流嘴节流，阀关闭时则依靠回油通道内设计的缓冲活塞进行缓冲，该设计虽然在阀打开的过程中依靠节流减速起到缓冲作用，但是却延缓了气阀的开启过程，使得控制精度降低。

发明内容：

本发明要解决的技术问题是为了克服现有压缩机气阀控制系统中，气阀冲击过大，缓冲结构控制精度低的问题。

本发明通过以下技术方案解决上述技术问题：

一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置，用于往复式压缩机气阀控制系统，其特征在于，所述缓冲装置包括第一缸体、第二缸体、第三缸体、第四缸体、柱塞、缓冲弹簧、密封组件、顶杆、液压油工作腔、漏油回收腔、漏气回收腔、液压油口、漏油口、漏气口、泄油口。

第一缸体和柱塞上端之间形成液压油工作腔，缓冲弹簧放置在液压油工作腔内，顶杆滑设于第三缸体和第四缸体工作腔内，柱塞和顶杆接触的位置设置有漏油回收腔，第四缸体密封块内设置有漏气回收腔，液压油工作腔与位于第一缸体的液压油口相连通，漏油回收腔与位于第三缸体的漏油口相连通，漏气回收腔与位于第四缸体的漏气口相连通，泄油口位于第二缸体。

所述第一缸体开有进油节流孔，所述进油节流孔一端连接液压油工作腔，一端连接液压油口。

所述密封组件包括O形密封圈、唇形密封圈、密封块、双三角滑环式组合密封，每两缸体之间通过O形密封圈和唇形密封圈进行密封，密封块与第四缸体为分体结构，密封块填充于第四缸体内，双三角滑环式组合密封由双三角滑环和O形密封圈组成，固定于第二缸体内壁某一位置处。双三角滑环内部开有一泄油节流孔，泄油节流孔与第二缸体泄油口相连通。

所述柱塞体内开有轴向通油孔和径向节流孔，两孔连通，轴向通油孔内径大于径向节流孔内径，轴向通油孔中心轴线与缸体内工作腔中心轴线重合，柱塞径向节流孔内径大小与双三角滑环泄油节流孔内径大小相等，径向节流孔出口与泄油节流孔进口截面形状均为圆形。

应用所述的缓冲油缸装置的方法，其特征在于步骤如下：

1)初始时刻，液压油工作腔内无液压油，在缓冲弹簧作用下，顶杆与柱塞接触，此时柱塞径向节流孔在泄油节流孔上端某一位置，两节流孔完全错位不重合，通流面积为0；

2)液压油口通过进油节流孔向液压油工作腔内进油，在油压作用下，柱塞推动气阀向下运动顶开气阀；

3)当柱塞向下运动一端距离后径向节流孔与泄油节流孔开始接触，液压油工作腔内的一部分液压油经径向节流孔和泄油节流孔从泄油口排出，此过程两孔通流面积逐渐增大，排出的液压油也越来越多，直至两孔完全重合，泄油流量达到最大；

4)柱塞继续向下运动，两孔由完全重合到再次错位状态，此过程两孔通流面积逐渐减小，排出的液压油也越来越少，直至两孔再次刚好完全错位，泄油孔通流面积再次为0，此时柱塞推动顶杆，顶杆推动气阀到达下限位；

5)液压油通过进油节流孔向液压油口回油，在气阀卸荷器内弹簧力作用下，气阀卸荷器与顶杆向柱塞方向运动，柱塞向缓冲弹簧方向运动，吸气阀阀片开始关闭，

6)柱塞从下限位启动到向上运动一段距离，径向节流孔与泄油节流孔再次开始接触到完全重合，液压油工作腔内液压油经进油节流孔和泄油节流孔同时回油，此过程泄油节流孔通流面积逐渐增大，排出的液压油也越来越多，直至两孔完全重合，回油流量达到最大；

7)柱塞继续向上运动，径向节流孔与泄油节流孔由完全重合到再次错位状态，此过程泄油节流孔通流面积逐渐减小，排出的液压油也越来越少，直至两孔再次刚好完全错位，泄油孔通流面积再次为0，此过程仍由进油节流孔和泄油节流孔同时回油，只是回油流量逐渐变小；

8)柱塞继续向上运动直至到达上限位，此时吸气阀阀片完全闭合，此过程中径向节流孔与泄油节流孔始终完全错位不重合，通流面积为0，此过程只通过进油节流孔一条通路回油，回油流量保持最小不变；

9)重复2)-8)。

所述的缓冲油缸装置，其特征在于采用三个节流孔组合作用进行缓冲。进油节流孔半径大小r，泄油节流孔半径大小R和径向节流孔半径大小R'(R＝R')，径向节流孔和泄油节流孔相对位置设计方法如下：

1)根据柱塞运动位移x确定泄油节流孔半径大小R和径向节流孔半径大小R'(R＝R')及其初始时刻相对位置；

设径向节流孔和泄油节流孔初始时刻最短距离为d，则有：

x＝d+4R

柱塞顶出过程中缓冲距离为4R，撤回过程中缓冲距离为d+2R；

当d偏大时会出现顶出缓冲效果不明显，撤回过慢现象，当d偏小会出现顶出过慢，撤回过程缓冲效果不明显现象，所以设计原则应满足两过程缓冲距离相等，即4R＝d+2R，

所以径向节流孔和泄油节流孔半径大小

径向节流孔和泄油节流孔初始时刻最短距离

2)确定进油节流孔半径大小r

Ⅰ.应用Amesim软件，建立缓冲装置液压模型，其中将进油节流孔和泄油节流孔组合作用等效替代为一开度可调的节流阀。当柱塞向下运动时，第一缸体进油节流孔和泄油节流孔共同作用等效为进油通路上有一开度可调的节流阀，当柱塞向上运动时，第一缸体进油节流孔和泄油孔共同作用等效为回油通路上有一开度可调节的节流阀。

Ⅱ.建立节流阀开度调节函数

当柱塞向下运动时，随着柱塞运动，当泄油孔通流面积增大时等效为节流阀开度变小，当泄油孔通流面积变小时等效为节流阀开度变大，

由孔口淹没出流流量公式得进油节流孔进油流量Q_in的表达式如下：

泄油节流孔泄油流量Q_泄

上式中各字母意义代表如下：

Q_in:第一缸体进油节流孔进油流量；

Q_泄：泄油节流孔泄油流量；

A₁：进油节流孔截面积；

A₂：泄油节流孔通流面积；

C_d：流量系数；

ρ：液压油密度；

ΔP₁:进油节流孔进油时两端压差；

ΔP₂：柱塞顶出时泄油节流孔前后两端压差；

进油节流孔和变截面的泄油节流孔共同组合作用产生缓冲效果，为简化计算可使两节流孔的缓冲效果近似相同，即满足

ΔP₁≈ΔP₂

进油节流孔截面积A₁和泄油节流孔通流面积A₂计算如下；

A₁＝πr²

A₂计算参照附图4，

A₂＝2×(S₁-S₂)

式中，S₁：扇形面积；

S₂：三角形面积；

θ：扇形角度；

h：径向节流孔和泄油节流孔重合的最大长度；

综上，进油通路上等效节流阀开度调节函数K₁的表达式如下：

当柱塞向上运动时，随着柱塞运动，当泄油孔通流面积增大时等效为节流阀开度变大，当泄油孔通流面积变小时等效为节流阀开度变小，同理可得回油通路上等效节流阀开度调节函数K₂的表达式如下：

Ⅲ.依次令进油节流孔半径大小r＝R,R+0.5mm,R+1mm,R+1.5mm......代入步骤Ⅱ中K₁，K₂的表达式里，进行仿真运算，根据仿真的计算结果选出缓冲效果最好的进油节流孔半径大小r。

上式中各字母意义代表如下：

Q_out：第一缸体进油节流孔回油流量；

Q_泄max：泄油节流孔最大泄油流量；

A_2max：泄油节流孔通流的最大面积。

与现有技术相比，本发明的优点是：

(1)能够使气阀在打开和关闭过程中均获得一定的缓冲作用，实现了双向缓冲，且实现缓冲作用的节流孔通流面积大小随着柱塞运动不断变化，解决了定截面节流孔产生的控制精度降低问题，减小了落座冲击和噪声污染，延长了气阀控制系统的使用寿命；

(2)具备本发明特征的气量调节系统，稳定性高，具有广泛的应用前景；

(3)本发明缩短了和进口同类产品的技术差距，能够有效降低压缩机能耗，降低耗电和运营成本。

附图说明

图1为本发明缓冲油缸装置的结构示意图；

图2为柱塞工作过程中径向节流孔和泄油孔重合关系示意图；

图3为三角密封与第二缸体装配图；

图4为泄油节流孔流通面积计算图；

图5为Amesim软件中建立的缓冲油缸模型。

附图标记说明：

1：进油口

2：进油节流孔

3：第一缸体

4：泄油口

5：第二缸体

6：漏油回收腔

7：漏油口

8：第三缸体

9：漏气口

10：漏气回收腔

11：第四缸体

12：顶杆

13：密封块

14：唇形密封圈

15：O形密封圈

16：柱塞

17径向节流孔

18：泄油节流孔

19：双三角滑环

20：轴向通流孔

21：缓冲弹簧

22：液压油工作腔

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：

如图1所示，为油缸结构原理图，包括第一缸体3、第二缸体5、第三缸体8、第四缸体11，顶杆12，柱塞16，缓冲弹簧21，唇形密封圈14，双三角滑环19和O形密封圈15共同组成双三角环式组合密封，液压油通过进油口1经进油节流孔2进入液压油工作腔22推动柱塞16和顶杆12沿其中心轴线方向运动，漏油口7、漏气口9、泄油口4分别与漏油回收腔6、漏气回收腔10和泄油节流孔18相连通，缓冲弹簧21的顶部抵接于第一缸体3工作腔22底部，底部套接于柱塞16的头部，柱塞16的底部与顶杆12上端相互作用。

图2为柱塞16工作过程中径向节流孔17和泄油节流孔18重合关系示意图。此时以柱塞16运动位移x＝3mm为例进行说明，

当液压油从进油节流孔2进入工作腔22，液压油推动柱塞16向下运动，柱塞16在初始位置时，径向节流孔17与泄油节流孔18最短距离为1mm，此时泄油孔18通流面积为0，相当于进油通路上等效节流阀开度最大状态；当柱塞16向下运动1mm时，径向节流孔17开始与泄油节流孔18接触，泄油通路打通，当柱塞16向下运动位移1≤x≤2mm时，径向节流孔17与泄油节流孔18的通流面积不断增大，此时相当于等效节流阀开度不断减小；当柱塞16向下运动位移2≤x≤3mm时，径向节流孔17与泄油节流孔18的通流面积不断减小，此时相当于等效节流阀开度不断增大，当柱塞16运动位移为3mm时，重合面积再次减小为0时，柱塞16停止运动，此过程中，等效为进油通路上的节流阀开度经历了一个先变小后变大的变化，使得柱塞16的运动速度变慢，达到顶出过程的缓冲效果。

当气阀撤回时，柱塞16从下限位开始向上运动，撤回运动也分为三个过程，第一个过程，当柱塞16向上运动位移0≤x≤1mm时，径向节流孔17与泄油节流孔18的通流面积不断增大，此时液压油通过第一缸体3进油节流孔2和泄油节流孔18同时回油，此时相当于回油通路上等效节流阀开度不断增大，当柱塞16向上运动位移1≤x≤2mm时，径向节流孔17与泄油节流孔18的通流面积不断减小，此时相当于回油通路上等效节流阀开度不断减小，当柱塞16向上运动位移2≤x≤3mm时，径向节流孔17与泄油节流孔18再次错位不重合，此时作用在柱塞16上端的液压油只通过第一缸体进油节流孔2回油，此过程中，等效为回油通路上的节流阀开度经历了一个先变大后变小的变化，使得柱塞16的运动速度变慢，达到撤回过程缓冲的效果。

如图3所示，双三角滑环19和O形密封圈15共同组成双三角环式组合密封安装在泄油口4端面处，双三角环式组合密封中的O型圈15有一定的预压缩量，为双三角滑环19提供了一定的径向张力，使其始终与柱塞16在相对运动中保持贴紧状态，在该贴紧状态下长期运动，会使双三角滑环19有一定的磨损量，O型圈15的预压缩量弥补了双三角滑环19的磨损量，使双三角滑环19仍始终与柱塞体16壁面贴紧，保证柱塞16在运动过程中，液压油始终只能从泄油节流孔18排出。

图4是泄油节流孔流通面积计算图，泄油节流孔流通面积为径向节流孔17和泄油节流孔18相对运动时的重合面积，其计算方法为一扇形面积S₁和三角形面积S₂之差的2倍。

图5是在Amesim软件中建立的缓冲油缸模型，分别在SC_1和SC_2模块中构建等效节流阀开度调节函数K₁和K₂

本发明实施实例中柱塞运动位移设定为3mm,节流孔的设计流程如下：

第一步：根据柱塞运动位移x确定径向节流孔17和泄油节流孔18半径大小R及其初始时刻相对位置d；

x＝3mm，则

第二步：建立等效节流阀开度调节函数

第三步：应用Amesim软件，建立缓冲装置液压模型，并设置相关状态参数如下表所示，进行仿真运算；

第四步：分析仿真结果

由仿真结果，从缓冲和控制精度的角度综合考虑，可以确定进油节流孔半径大小为r＝2mm。

结论：

应用Amesim软件，可以找出某一工况下的符合需求的节流孔设计，本实例中，确定进油节流孔半径大小为r＝2mm，径向节流孔和泄油节流孔半径大小即相对位置关系为

顶出和撤回的落座速度分别为0.462m/s和0.408m/s，顶出和撤回时间均为10.3ms，没有该缓冲结构的油缸顶出和撤回的落座速度分别约为1.05m/s和0.61m/s，顶出时间为10ms，撤回时间为7ms，起到了良好的缓冲效果，且时间滞后很小，对控制精度影响有限。

虽然以上描述了本发明的具体实施方式，但是本领域的技术人员应当理解，这仅是举例说明，而非用于限制本发明。任何熟悉此技术的人士皆可在不违背本发明的精神及范畴下，对上述实例进行修饰或改变。因此，凡属技术领域中具有通常知识者在未脱离本发明的精神与技术性思想下所完成的一切改变，仍应由本发明的权利要求所涵盖。

Claims (4)

1.一种应用于往复式压缩机气量调节的变截面液压双向缓冲装置，用于往复式压缩机气阀控制系统，其特征在于，所述缓冲装置包括第一缸体、第二缸体、第三缸体、第四缸体、柱塞、缓冲弹簧、密封组件、顶杆、液压油工作腔、漏油回收腔、漏气回收腔、液压油口、漏油口、漏气口、泄油口；

第一缸体和柱塞上端之间形成液压油工作腔，缓冲弹簧放置在液压油工作腔内，顶杆滑设于第三缸体和第四缸体工作腔内，柱塞和顶杆接触的位置设置有漏油回收腔，第四缸体密封块内设置有漏气回收腔，液压油工作腔与位于第一缸体的液压油口相连通，漏油回收腔与位于第三缸体的漏油口相连通，漏气回收腔与位于第四缸体的漏气口相连通，泄油口位于第二缸体；

所述第一缸体开有进油节流孔，所述进油节流孔一端连接液压油工作腔，一端连接液压油口；

所述柱塞体内开有轴向通油孔和径向节流孔，两孔连通，轴向通油孔内径大于径向节流孔内径，轴向通油孔中心轴线与缸体内工作腔中心轴线重合，柱塞径向节流孔内径大小与双三角滑环泄油节流孔内径大小相等，径向节流孔出口与泄油节流孔进口截面形状均为圆形。

2.根据权利要求1所述的缓冲油缸装置，其特征在于，所述密封组件包括O形密封圈、唇形密封圈、密封块、双三角滑环式组合密封，每两缸体之间通过O形密封圈和唇形密封圈进行密封，密封块与第四缸体为分体结构，密封块填充于第四缸体内，双三角滑环式组合密封由双三角滑环和O形密封圈组成，固定于第二缸体内壁某一位置处；双三角滑环内部开有一泄油节流孔，泄油节流孔与第二缸体泄油口相连通。

3.应用权利要求1所述的缓冲油缸装置的方法，其特征在于步骤如下：

1)初始时刻，液压油工作腔内无液压油，在缓冲弹簧作用下，顶杆与柱塞接触，此时柱塞径向节流孔在泄油节流孔上端某一位置，两节流孔完全错位不重合，通流面积为0；

2)液压油口通过进油节流孔向液压油工作腔内进油，在油压作用下，柱塞推动气阀向下运动顶开气阀；

3)当柱塞向下运动一段距离后径向节流孔与泄油节流孔开始接触，液压油工作腔内的一部分液压油经径向节流孔和泄油节流孔从泄油口排出，此过程两孔通流面积逐渐增大，排出的液压油也越来越多，直至两孔完全重合，泄油流量达到最大；

4)柱塞继续向下运动，两孔由完全重合到再次错位状态，此过程两孔通流面积逐渐减小，排出的液压油也越来越少，直至两孔再次刚好完全错位，泄油孔通流面积再次为0，此时柱塞推动顶杆，顶杆推动气阀到达下限位；

5)液压油通过进油节流孔向液压油口回油，在气阀卸荷器内弹簧力作用下，气阀卸荷器与顶杆向柱塞方向运动，柱塞向缓冲弹簧方向运动，吸气阀阀片开始关闭，

6)柱塞从下限位启动到向上运动一段距离，径向节流孔与泄油节流孔再次开始接触到完全重合，液压油工作腔内液压油经进油节流孔和泄油节流孔同时回油，此过程泄油节流孔通流面积逐渐增大，排出的液压油也越来越多，直至两孔完全重合，回油流量达到最大；

7)柱塞继续向上运动，径向节流孔与泄油节流孔由完全重合到再次错位状态，此过程泄油节流孔通流面积逐渐减小，排出的液压油也越来越少，直至两孔再次刚好完全错位，泄油孔通流面积再次为0，此过程仍由进油节流孔和泄油节流孔同时回油，只是回油流量逐渐变小；

8)柱塞继续向上运动直至到达上限位，此时吸气阀阀片完全闭合，此过程中径向节流孔与泄油节流孔始终完全错位不重合，通流面积为0，此过程只通过进油节流孔一条通路回油，回油流量保持最小不变；

9)重复2)-8)。

4.根据权利要求3所述的方法，其特征在于采用三个节流孔组合作用进行缓冲；进油节流孔半径大小r，泄油节流孔半径大小R和径向节流孔半径大小R'(R＝R')，径向节流孔和泄油节流孔相对位置设计方法如下：

1)根据柱塞运动位移x确定泄油节流孔半径大小R和径向节流孔半径大小R'(R＝R')及其初始时刻相对位置；

设径向节流孔和泄油节流孔初始时刻最短距离为d，则有：

x＝d+4R

柱塞顶出过程中缓冲距离为4R，撤回过程中缓冲距离为d+2R；

当d偏大时会出现顶出缓冲效果不明显，撤回过慢现象，当d偏小会出现顶出过慢，撤回过程缓冲效果不明显现象，所以设计原则应满足两过程缓冲距离相等，即4R＝d+2R，

所以径向节流孔和泄油节流孔半径大小

径向节流孔和泄油节流孔初始时刻最短距离

2)确定进油节流孔半径大小r

Ⅰ.应用Amesim软件，建立缓冲装置液压模型，其中将进油节流孔和泄油节流孔组合作用等效替代为一开度可调的节流阀；当柱塞向下运动时，第一缸体进油节流孔和泄油孔共同作用等效为进油通路上有一开度可调的节流阀，当柱塞向上运动时，第一缸体进油节流孔和泄油孔共同作用等效为回油通路上有一开度可调节的节流阀；

Ⅱ.建立节流阀开度调节函数

当柱塞向下运动时，随着柱塞运动，当泄油孔通流面积增大时等效为节流阀开度变小，当泄油孔通流面积变小时等效为节流阀开度变大，

由孔口淹没出流流量公式，得进油节流孔进油流量Q_in的表达式如下：

泄油节流孔流量Q_泄

上式中各字母意义代表如下：

Q_in:第一缸体进油节流孔进油流量；

Q_泄：泄油节流孔泄油流量；

A₁：进油节流孔截面积；

A₂：泄油节流孔通流面积；

C_d：流量系数；

ρ：液压油密度；

ΔP₁:进油节流孔进油时两端压差；

ΔP₂：柱塞顶出时泄油节流孔前后两端压差；

进油节流孔和变截面的泄油节流孔共同组合作用产生缓冲效果，为简化计算可使两节流孔的缓冲效果近似相同，即满足

ΔP₁≈ΔP₂

进油节流孔截面积A₁和泄油节流孔通流面积A₂计算如下；

A₁＝πr²

A₂＝2×(S₁-S₂)

式中，S₁：扇形面积；

S₂：三角形面积；

θ：扇形角度；

h：径向节流孔和泄油节流孔重合的最大长度；

综上，进油通路上等效节流阀开度调节函数K₁的表达式如下：

当柱塞向上运动时，随着柱塞运动，当泄油孔通流面积增大时等效为节流阀开度变大，当泄油孔通流面积变小时等效为节流阀开度变小，同理可得回油通路上等效节流阀开度调节函数K₂的表达式如下：

Ⅲ.依次令进油节流孔半径大小r＝R,R+0.5,R+1,R+1.5......代入步骤Ⅱ中K₁，K₂的表达式里，进行仿真运算，根据仿真的计算结果选出缓冲效果最好的进油节流孔半径大小r；

上式中各字母意义代表如下：

Q_out：第一缸体进油节流孔回油流量；

Q_泄max：泄油节流孔最大泄油流量；

A_2max：泄油节流孔通流的最大面积。

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