活塞式空压机低频调速时的气阀运行特性分析

【摘要】针对应用变频调节的空压机气阀工作状况可能产生的问题，对空压机在低频运行时的气阀进行工作特性的数学分析与模拟，确定了使压缩机气阀正常工作及不发生延迟关闭的频率下限，对变频调节压缩机频率范围选择有一定参考作用。

一、前言
空气压缩机是矿山生产的重要设备之一，它生产压缩空气，用以带动风动凿岩机、风动装岩机等设备以及其他风动工具，其耗电量约占全矿总电耗的8％～11％，随着矿井的延伸，耗电量还将进一步增加。变频器的出现，引发了空压机节能新的革命，变频压缩机依据使用气量实际情况，通过变频器调整电动机的转速，按需提供实际所需的空气量，同时可以保持压缩空气的恒定压力，变频调节范围宽，能量损失小，控制方法简单，变频技术在压缩机上的应用越来越广泛。空压机的实际用气量一般小于额定排气量，所以一般是在工频以下调节，它的频率下限可以调到多少受压缩机本身性能的影响，如转速太低会影响压缩机的润滑以及气阀正常工作和压缩机的起动等等，所以变频调节只能接近而不能达到理想曲线，其频率下限不可能太低，对于已经应用变频调节的压缩机，其调节F限一般根据实验获得，关于这方面的理论计算很少，本文以气阀低频运行时的特性为主要内容，进而从气阀运动特性方面确定压缩机变频调节的频率下限，为压缩机实现变频调节频率范围的选取起到参考作用。
二、气阀阀片运动与转速的关系
在压缩机进排气过程中，气阀阀片的开启和关闭不是瞬时的；气阀阀片的位移随曲柄转角θ而变化，阀片位移取决于气缸中和进排气腔中的气体压力、气阀弹性元件的刚性、气阀运动元件的质量，以及曲轴转速等。阀片位移h与时间t的函数关系为

忽略质量力、气体阻尼力、油黏着力的单质点单自由度振动系统的阀片运动微分方程为

当λ＝0时，求得θ＝90°或270°时的△Pv值zui大，当考虑λ的影响时，θ值偏离90°或270°，但△Pv的zui大值相差不大。定义μ等于气阀全开时的弹簧力和θ＝90°时的气体推力之比，则

气阀正常工作时，0<μ<1，因μ>1时，弹簧将超过阀片全开时可能产生的zui大气体推力，阀片不能充分开启。μ＝0时，气阀无弹簧力，阀片将延迟关闭。所以可以通过分析转速对值μ的影响来确定气阀的工作状况。
假定吸排气过程中缸内压力不变，以一台5L—40／8型压缩机的各参数为例代入，得Ma＝0.0015n，可见当压缩机及气阀结构给定时，Ma与转速有关，即μ只与转速有关，继续把各参数值代入，

所以当n≤104，即μ≥1时，弹簧力将超过阀片全开时可能产生的zui大气体推力，阀片不能充分开启，产生颤振。在实际气阀设计中，为了气阀工作的稳定性，μ值一般zui大值取到0.8，所以n应大于117r／min以保证气阀不发生颤振。
三、仿真复算
下面对理论计算进行一下仿真复算，根据文献，气阀的数学模型

运用SIMULINK进行仿真，取任意小于117r／min的转速，例如，输入n＝115r／min，即ω＝12.04m／s，系统框图如下。

根据仿真结果可以看出，当转速n＝115r／min时，阀片不断颤振，无法正常开启，与理论计算结果相符。
四、结论

把n≤117r/min代入，得f≤8Hz时，压缩机气阀产生颤振，工作不稳定，气阀容易损坏，所以当变频调节压缩机转速时，要考虑原有气阀低频下的工作特性，改进或更换气阀，以便在较低的频率范围内保证压缩机能正常工作。对于其他类型的压缩机，计算代人相应的参数，可求得不同的频率下限值。所以根据本文提供的方法．可粗略确定变频调节压缩机的频率调节范围。