張成彥，譚躍進(jìn)，李金祿，姜慧君，李小仨

（合肥通用機(jī)械研究院 壓縮機(jī)技術(shù)國(guó)家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，安徽 合肥 230031）

1 概述

在吸附式壓縮空氣干燥器、變壓吸附制氮機(jī)等設(shè)備的工作原理中，進(jìn)氣部分一般為四閥結(jié)構(gòu)。該結(jié)構(gòu)占用空間大、笨重，在高壓設(shè)備中更為明顯，針對(duì)高壓吸附式干燥器的減重要求，發(fā)明了組合換向閥，該閥能夠代替原有的四閥結(jié)構(gòu)，結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單、重量輕、可靠性高，傳統(tǒng)四閥結(jié)構(gòu)與組合換向閥結(jié)構(gòu)的吸附式干燥器工作原理圖見圖1。傳統(tǒng)四閥結(jié)構(gòu)與組合換向閥結(jié)構(gòu)實(shí)物對(duì)比見圖2，由圖2可以看出，組合換向閥結(jié)構(gòu)不僅替代了四個(gè)閥，而且減少了四個(gè)氣動(dòng)執(zhí)行裝置，體積和重量降低了很多。

圖1 傳統(tǒng)四閥結(jié)構(gòu)與組合換向閥結(jié)構(gòu)工作原理對(duì)比圖

圖2 傳統(tǒng)四閥結(jié)構(gòu)與組合換向閥結(jié)構(gòu)實(shí)物對(duì)比圖

2 基本參數(shù)

該組合換向閥設(shè)計(jì)之初主要針對(duì)的是高壓空氣干燥過濾裝置的減重問題，其具體參數(shù)包括適用介質(zhì)：壓縮空氣；工作壓力：15MPa；工作流量：50m3/h；驅(qū)動(dòng)方式：低壓壓縮空氣直接驅(qū)動(dòng)柱塞，壓力0．8MPa；主體材料：316SS；主要密封材料：氟橡膠O型圈、四氟墊。

后期可以針對(duì)不同壓力和流量的吸附式壓縮空氣干燥器和變壓吸附制氮機(jī)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，以滿足不同應(yīng)用場(chǎng)合的需求。

3 工作原理

吸附式壓縮空氣干燥器在一個(gè)完整工作周期中，共有四種狀態(tài)，即A塔工作，B塔再生；A塔工作，B塔升壓；B塔工作，A塔再生；B塔工作，A塔升壓。組合換向閥的功能就是要能夠?qū)崿F(xiàn)這四種工作狀態(tài)，其工作狀態(tài)的轉(zhuǎn)換則是通過均壓閥柱塞和主換向閥柱塞的動(dòng)作來實(shí)現(xiàn)的。

如圖3所示，此時(shí)柱塞狀態(tài)實(shí)現(xiàn)的是A塔工作，B塔升壓過程，具體流程為：進(jìn)氣經(jīng)換向閥導(dǎo)向套2 (9)及與主換向閥柱塞（8）的聯(lián)通部位進(jìn)入A塔；此時(shí)均壓閥柱塞（1、3）處于壓緊泄放墊（密封）、脫離均壓墊（聯(lián)通）狀態(tài)，A塔的高壓空氣通過換向閥導(dǎo)向套1(6)及與主換向閥柱塞（8）的聯(lián)通部位、閥體（10）上的工藝孔、均壓閥導(dǎo)向套1（2）、均壓閥導(dǎo)向套2（4）、均壓閥柱塞（1、3）進(jìn)行聯(lián)通，完成均壓（即A塔氣到B塔）的過程。當(dāng)A塔工作，B塔再生時(shí)，主換向閥柱塞（8）狀態(tài)不變，均壓閥柱塞（1、3）處于脫離泄放墊（聯(lián)通）、壓緊均壓墊（密封）狀態(tài)，使B塔不再與A塔聯(lián)通，而是與消音器聯(lián)通，完成泄放并進(jìn)入再生狀態(tài)。

B塔工作、A塔再生和B塔工作、A塔升壓的狀態(tài)與之相反，即主換向閥柱塞（8）進(jìn)行了切換而已。

圖3 組合換向閥結(jié)構(gòu)圖

4 設(shè)計(jì)

密封設(shè)計(jì)：組合換向閥內(nèi)既有高壓氣又有低壓氣，而且在柱塞的運(yùn)動(dòng)過程中又分四種狀態(tài)，所以其內(nèi)部密封點(diǎn)很多而且要求高。閥體的端面采用橡膠墊和O型圈：具體是柱塞的大頭側(cè)孔間隙小，采用O型圈密封；柱塞小頭側(cè)有工藝孔，所以使用橡膠墊密封。工藝孔使用密封膠或密封墊密封：具體是柱塞小頭側(cè)工藝孔采用螺紋密封膠和堵頭密封，密封后一般不再拆卸；連通導(dǎo)向套、閥體空間的工藝孔使用帶密封墊的堵頭密封。閥體端面和工藝孔是閥體內(nèi)部氣和外部之間的密封，全部為靜密封。導(dǎo)向套與閥體的密封也為靜密封，全部采用O型圈，但這里的O型圈會(huì)承受交變壓力，所以O(shè)型圈的材質(zhì)選擇尤為重要。柱塞和導(dǎo)向套密封為動(dòng)密封，使用O型圈密封（O型圈兩面加擋圈或采用雙O型圈結(jié)構(gòu)，避免或減少在柱塞運(yùn)動(dòng)過程中對(duì)O型圈造成損傷)。均壓和泄放處采用錐面和四氟墊密封，這兩處在均壓閥柱塞運(yùn)動(dòng)過程中或密封或聯(lián)通。

柱塞尺寸：柱塞兩端為低壓控制氣，僅為0．8MPa，而中間會(huì)通過高壓氣（15MPa），另外，在柱塞運(yùn)動(dòng)過程中還需要克服柱塞、O型圈與導(dǎo)向套的阻力，為保證柱塞的順利移動(dòng)，需保證低壓氣端面的面積。低壓氣端面的面積過大，會(huì)造成組合換向閥體積成倍增大；低壓氣端面的面積過小，則柱塞在移動(dòng)過程中不暢，甚至造成移動(dòng)不到位，不能起到換向的作用。

均壓孔：均壓孔的尺寸直接關(guān)系到均壓能否順利完成，均壓孔尺寸太小，均壓時(shí)間過長(zhǎng)，均壓孔尺寸太大，均壓過程太快，容易造成壓力沖擊，不利于設(shè)備的可靠運(yùn)行，對(duì)分子篩、零部件以及密封件都會(huì)造成沖擊。此組合換向閥內(nèi)部為高壓氣，且流量低，所需均壓孔很小，最終采用線切割的方式加工四個(gè)小縫隙即可。

5 主要加工難點(diǎn)及要點(diǎn)

（1）閥體：閥體是整個(gè)組合換向閥的關(guān)鍵部件，所有柱塞、導(dǎo)向套全部安裝在其內(nèi)部，如果加工精度不夠，會(huì)造成導(dǎo)向套及柱塞無法安裝到位、不能密封、柱塞阻力增大、導(dǎo)向套上O型圈易損壞等各種問題。在加工過程中，一定要保證兩個(gè)導(dǎo)向套安裝孔的加工，不同直徑部位的同軸度要求、與端面的垂直度要求等都極為重要。密封面及各工藝孔內(nèi)要無毛刺，內(nèi)部需要清理干凈。由于是高壓壓縮空氣，裝配前，需要做耐壓試驗(yàn)。

（2）柱塞、導(dǎo)向套：柱塞和導(dǎo)向套的加工主要考慮各密封面尺寸、垂直度。主換向閥柱塞移動(dòng)范圍大，容易卡死；均壓閥柱塞是兩部分單獨(dú)加工然后組合到一起，更要控制好加工精度。

（3）線切割、電火花加工工藝：工藝孔孔徑小、深度大，而且要求閥體內(nèi)不能產(chǎn)生毛刺等，不宜采用鉆孔方式，采用電火花加工工藝；均壓閥導(dǎo)向套上的均壓孔很小，采用線切割加工小細(xì)縫的方式。

6 結(jié)語

該組合換向閥在設(shè)計(jì)完成并按加工工藝制造出首個(gè)產(chǎn)品之后，就做了快速切換試驗(yàn)，模擬了滿足8000小時(shí)運(yùn)行時(shí)間的正常切換。目前已生產(chǎn)上百套，在使用過程中，性能良好，完全能夠替代之前的四閥結(jié)構(gòu)。

該組合換向閥在設(shè)計(jì)時(shí)考慮的是工作壓力15MPa、工作流量50m3/h的吸附式壓縮空氣干燥器的工作狀態(tài)，但在低壓壓縮空氣和空分設(shè)備中，可以根據(jù)參數(shù)進(jìn)行重新設(shè)計(jì)，可以滿足設(shè)備工作的需要。

[1]楊源泉．閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京: 機(jī)械工業(yè)出版社，1992．

[2]成大先．機(jī)械設(shè)計(jì)手冊(cè)[M]．北京: 化學(xué)工業(yè)出版社，2003．

[3]李金祿,姜慧君,李小仨等．船用壓縮空氣凈化設(shè)備的設(shè)計(jì)與試驗(yàn)[J]．中國(guó)設(shè)備工程,2017,(09):169-170,172．