活塞式空壓機低頻調速時的氣閥運行特性分析

【摘 要】 針對應用變頻調節的空壓機氣閥工作狀況可能產生的問題，對空壓機在低頻運行時的氣閥進行工作特性的數學分析與模擬，確定了使壓縮機氣閥正常工作及不發生延遲關閉的頻率下限，對變頻調節壓縮機頻率范圍選擇有一定參考作用。

一、前言
空氣壓縮機是礦山生產的重要設備之一，它生產壓縮空氣，用以帶動風動鑿巖機、風動裝巖機等設備以及其他風動工具，其耗電量約占全礦總電耗的8％～11％，隨著礦井的延伸，耗電量還將進一步增加。變頻器的出現，引發了空壓機節能新的革命，變頻壓縮機依據使用氣量實際情況，通過變頻器調整電動機的轉速，按需提供實際所需的空氣量，同時可以保持壓縮空氣的恒定壓力，變頻調節范圍寬，能量損失小，控制方法簡單，變頻技術在壓縮機上的應用越來越廣泛。空壓機的實際用氣量一般小于額定排氣量，所以一般是在工頻以下調節，它的頻率下限可以調到多少受壓縮機本身性能的影響，如轉速太低會影響壓縮機的潤滑以及氣閥正常工作和壓縮機的起動等等，所以變頻調節只能接近而不能達到理想曲線，其頻率下限不可能太低，對于已經應用變頻調節的壓縮機，其調節F限一般根據實驗獲得，關于這方面的理論計算很少，本文以氣閥低頻運行時的特性為主要內容，進而從氣閥運動特性方面確定壓縮機變頻調節的頻率下限，為壓縮機實現變頻調節頻率范圍的選取起到參考作用。
二、氣閥閥片運動與轉速的關系
在壓縮機進排氣過程中，氣閥閥片的開啟和關閉不是瞬時的；氣閥閥片的位移隨曲柄轉角θ而變化，閥片位移取決于氣缸中和進排氣腔中的氣體壓力、氣閥彈性元件的剛性、氣閥運動元件的質量，以及曲軸轉速等。閥片位移h與時間t的函數關系為

忽略質量力、氣體阻尼力、油黏著力的單質點單自由度振動系統的閥片運動微分方程為

當λ＝0時，求得θ＝90°或270°時的△Pv值最大，當考慮λ的影響時，θ值偏離90°或270°，但△Pv的最大值相差不大。定義μ等于氣閥全開時的彈簧力和θ＝90°時的氣體推力之比，則

氣閥正常工作時，0<μ<1，因μ>1時，彈簧將超過閥片全開時可能產生的最大氣體推力，閥片不能充分開啟。μ＝0時，氣閥無彈簧力，閥片將延遲關閉。所以可以通過分析轉速對值μ的影響來確定氣閥的工作狀況。
假定吸排氣過程中缸內壓力不變，以一臺5L—40／8型壓縮機的各參數為例代入，得Ma＝0.0015n，可見當壓縮機及氣閥結構給定時，Ma與轉速有關，即μ只與轉速有關，繼續把各參數值代入，

所以當n≤104，即μ≥1時，彈簧力將超過閥片全開時可能產生的最大氣體推力，閥片不能充分開啟，產生顫振。在實際氣閥設計中，為了氣閥工作的穩定性，μ值一般最大值取到0.8，所以n應大于117r／min以保證氣閥不發生顫振。
三、仿真復算
下面對理論計算進行一下仿真復算，根據文獻，氣閥的數學模型

運用SIMULINK進行仿真，取任意小于117r／min的轉速，例如，輸入n＝115r／min，即ω＝12.04m／s，系統框圖如下。
根據仿真結果可以看出，當轉速n＝115r／min時，閥片不斷顫振，無法正常開啟，與理論計算結果相符。
四、結論

把n≤117r/min代入，得f≤8Hz時，壓縮機氣閥產生顫振，工作不穩定，氣閥容易損壞，所以當變頻調節壓縮機轉速時，要考慮原有氣閥低頻下的工作特性，改進或更換氣閥，以便在較低的頻率范圍內保證壓縮機能正常工作。對于其他類型的壓縮機，計算代人相應的參數，可求得不同的頻率下限值。所以根據本文提供的方法．可粗略確定變頻調節壓縮機的頻率調節范圍。