顧曉寧，顧余舜

（南京尚愛機械制造有限公司，江蘇南京 210000）

1 引言

氣閥是壓縮機的重要部件，其性能直接影壓縮機的可靠性與經(jīng)濟性，素有壓縮機心臟之稱。閥片是氣閥的啟閉元件，其品質(zhì)決定了氣閥的性能。在種類繁多的閥片中，條形舌簧閥片與彈簧合為一體，結(jié)構(gòu)最簡單，動態(tài)特性最好，響應(yīng)速度最快，節(jié)能效果優(yōu)良，但是容易斷裂的問題，在業(yè)內(nèi)幾乎形成共識。因此，舌簧閥片多見于微型壓縮機，或小型角度式壓縮機的一級吸氣閥。然而，這種閥片的優(yōu)勢很誘人，如能克服易斷裂的問題，對研制節(jié)能型氣閥，提升小型角度式壓縮機的技術(shù)性能，意義重大。為此，廣泛收集斷裂的各種舌簧閥片進行分類、觀察、分析、研究。結(jié)果發(fā)現(xiàn)，舌簧閥片斷裂的成因，除了材質(zhì)和制作工藝有缺陷外，大多與設(shè)計不當有關(guān)。在弄清了舌簧閥片各種斷成因的基礎(chǔ)上，總結(jié)出“舌簧閥片防斷裂設(shè)準則”并用于新型氣閥的研發(fā)，設(shè)計成功節(jié)能、長壽命氣閥。進一步將這種新型氣閥用于小型角度式壓縮機，使壓縮機的技術(shù)性能大幅度提升。

2 舌簧閥片斷裂的成因

（1）閥片升程高度H與閥片長度L的取值對閥片根部的彎曲應(yīng)力有直接影響。閥片工作時根部的彎曲應(yīng)力最大。當舌簧閥片的長度L值確定后，H值越大則根部的彎曲變形越大，彎曲應(yīng)力也越大。舌簧閥根部的彎曲變形程度，用相對升程h=H/L表示。收集的斷裂閥片中，凡從根部斷裂的閥片大多L較短，雖然絕對升程H看似不大，但相對升程h較大。試驗與長期運行實踐證明，相對升程h取值在0.025～0.03范圍內(nèi)，可大大降低閥片根部斷裂的幾率。

（2）升程限位的結(jié)構(gòu)設(shè)計不當。例如，吸氣閥片利用氣缸內(nèi)孔邊緣上銑出的缺口限制舌簧閥片自由端的升程，而閥片中段無限位依托的結(jié)構(gòu)在微型、小型壓縮機上較為多見。通常吸氣閥片厚度較薄，中部自由升起呈凸起的弧形；使根部彎曲變形過度，彎曲應(yīng)力過大，斷裂的幾率特別高。

（3）閥板通流孔形狀與面積大小設(shè)計不當，導致閥片失效。收集的失效閥片，都有一個共同的特征，閥片與閥板接觸的平面上有灰白色帶狀圖形，其形狀與閥板的通流孔吻合。其中有一個奇怪的失效吸氣閥片，見圖1。此閥片是一臺國產(chǎn)W-1.6/10風冷空氣壓縮機2個直徑130 mm一級氣缸的吸氣閥片。閥片平面上有一個破損的圓形孔洞，邊緣裂開和4個白色圓圈形狀斑痕，都與閥板上對應(yīng)的通流孔吻合。用放大鏡觀察白色圓圈，是一群微小凹坑。這是閥片在氣流的推力、閥片的彈力與閥片運動沖擊能量相結(jié)合作用下與閥板撞擊瞬間，閥片在閥孔中產(chǎn)生類似球面凸起的微量變形，與閥板通流孔邊緣處形成的局部接觸，產(chǎn)生峰值接觸應(yīng)力，致使閥片局部材料發(fā)生的疲勞性點蝕。疲勞性點蝕進一步深入，導致閥片損壞。顯然，設(shè)計者希望降低閥隙流速，也不希望加大閥片升程H，因此采用了較大直徑的閥孔，因為是吸氣閥片，其厚度設(shè)計得較薄;這使閥片在閥孔面積內(nèi)的微量變形增大。由于接觸處位于閥孔口邊緣，近似一圈線，面積很小，故局部峰值應(yīng)力很高，致使閥片對應(yīng)表面產(chǎn)生局部疲勞性點蝕。圖1上的灰白色圓圈，就是點蝕凹坑群，在放大鏡下觀察清晰可見。舌簧閥片的此類失效原因，至今鮮為人知。筆者在不少故障率較高的小型機上都發(fā)現(xiàn)類似的設(shè)計缺陷，只是程度不同而已。

（4）自由升程模式不可取。所謂自由升程，就是取消升程限位器，閥片升程處于自由狀況態(tài)。這種設(shè)計極為罕見，筆者只見過一臺，是3 m3/min，二級壓縮，額定輸出壓力1.0 MPa，而且是進口著名品牌。為增大吸氣量，該機一級吸氣采用條狀舌簧閥片，自由升程，閥片有長有短（最短僅43 mm，與一般的舌簧閥片相比，均偏短），呈扇形分布；一級排氣閥采用環(huán)狀閥片。該機吸氣舌簧閥片工作壽命很短，平均工作壽命不超過360 h，即一班制工作不超過一個月，均從根部斷裂。這是因為自由升程的簧片，在氣吸氣流推開簧片時，簧片的自由端產(chǎn)生不穩(wěn)定顫振。由于氣流的流速是變化的，一旦掃描到共振頻率將引發(fā)共振。這時簧片的振幅大增，根部彎曲應(yīng)力增大，導致根部疲勞斷裂。

圖1 舌簧閥片失效、在閥板通流孔內(nèi)變形示意圖

（5）舌簧閥片的制造工藝有缺陷導致簧片斷裂。收集的斷裂舌簧片中，有一類斷裂的部位具有一定的隨機性，但多發(fā)生在閥片中段至懸伸端。仔細觀察研究發(fā)現(xiàn)，其斷裂的原因與閥片邊緣缺陷有關(guān)。閥片在沖裁時邊緣產(chǎn)生撕裂缺口，后繼的振動光蝕處理不能完全消除較大的缺口，工作中在缺口處形成應(yīng)力集中，產(chǎn)生裂紋并逐步擴大導致閥片沿缺口處斷裂。由于閥片工作中與升程限位板及閥板撞擊能量較大的部位，主要在閥片的懸伸端到中段，故此區(qū)段閥片邊緣的缺口對應(yīng)力集中較為敏感，發(fā)生斷裂幾率高。

（6）閥片的材質(zhì)缺陷造成閥片斷裂。眾所周知，任何一種閥片，如果材質(zhì)有缺陷都會導致早期失效。因此閥片的選材，也是保證閥片工作壽命的重要環(huán)節(jié)。

3 舌簧閥片防斷裂設(shè)計準則

上述分析說明，導致舌簧閥片斷裂的原因是多方面，必須在設(shè)計時針對性地逐一采取對策加以避免。我們稱之為“舌簧閥片防斷裂設(shè)計準則”。要點如下：

（1）控制相對升程h在合理的范圍內(nèi)。為獲得可靠的數(shù)據(jù)，裝機耐久試驗是最可靠的方。h=H/L=0.025～0.03 就是經(jīng)過長期運行得出的結(jié)果。這使閥片根部彎曲應(yīng)力控制在安全范圍內(nèi)。

（2）對于在氣缸孔口銑缺口的僅控制閥片端部升程的吸氣閥，設(shè)計應(yīng)注意如下幾點：①僅用于直徑很小的氣缸；②閥片的厚度度不能太??；③盡量采用單個圓形通流孔，慎用長槽形通流孔，因長槽形通流孔靠近氣閥板中部，吸氣流引起閥片中段的弧形凸起增大，在根部形成較大的彎曲應(yīng)力；④最好設(shè)置升程限位板固定于氣閥板下面，復蓋吸氣閥片全長，并在活塞頂對應(yīng)部位銑出可容納升程限位板的凹槽，氣缸孔口的槽僅用于容納升程限位板。

當然，這增加了結(jié)構(gòu)的復雜性，多見于氣缸直徑較大，閥板通流孔為長槽形的場合。否則，閥片易從根部斷裂。

（3）閥板通流孔的面積大小與形狀和閥片的厚度如果設(shè)計不當，也會引起閥片的斷裂。設(shè)計時不僅要考慮閥隙流速在合理的范圍內(nèi)，還應(yīng)考慮閥片閉合時在閥板通流孔內(nèi)產(chǎn)生彎曲變形也就是在閥閥板通流孔邊緣形成的峰接觸應(yīng)力最小化。這不僅與閥片厚有關(guān)，也與閥板通流孔的面積和形狀有關(guān)。如果用6-φ6一組小孔取代單個相等面積的較大孔，經(jīng)計算大孔直徑為φ14.7，大孔的直徑是小孔直徑或槽寬的2.45倍。參看圖2。圖2（a），是直徑14.7圓形孔；圖2（b），為長槽形孔；圖2（c），是6-φ6一組小圓形孔；三者孔的通流面積相等。閥片在閥板通流孔面積內(nèi)的變形，可簡化為受均布載荷的簡支梁。兩支撐點距離越近則變形量越小。顯然，長槽孔的寬度遠小于較大圓孔直徑。因此當閥片借助氣流作用力與自身彈力相結(jié)合拍擊閥板瞬間，閥片在較大圓形孔內(nèi)產(chǎn)生的微量變形遠大于在長槽形形孔內(nèi)的變形。相應(yīng)地閥片在通流口邊緣形成的峰值接觸應(yīng)力，前者遠高于后者。圖2（c）是圖2（b）的變形。用一組直徑與槽寬相等小圓孔，取代長槽形孔，不僅工藝成本低，閥隙通流面也能保證，閥片與閥板的總接觸面也有較大增加；同時適當增加閥片的厚度，閥片拍擊閥板時在通流孔面積內(nèi)形成的局部微量變形變得微不足道，閥片與閥孔口邊的峰值接觸應(yīng)力達到最小化，由此引起的閥片局部疲勞性點蝕現(xiàn)象大大弱化，從而避免了此類斷裂現(xiàn)象。在收集的斷裂舌簧閥片中，這類約占四成，這說明舌簧閥片的這種斷裂的機理鮮為人知。從避免這種斷裂機理出發(fā)，較大的圓形孔效果最差，一組小圓形孔取代單個長槽形孔的效果最好。一組小圓孔用做一個閥片的通流孔，使閥片與閥板接觸面積增大，減輕了接觸應(yīng)力，有利于延長閥片使用壽命，但要求閥板有較好的平面精度，整機不要竄油，否則產(chǎn)生粘遲效應(yīng)。即使這樣，只要能克服這種高效的舌簧閥片易斷裂問題都是值得的。何況提高閥板平面精度和解決竄油問題，并非難事。適當增加閥片厚度，雖然對防止閥片斷裂是有利的，但同時增大了閥片的彈力。閥片全開時的彈力Fs與氣流最大推力Fgmax之比值為μ，則有：μ=Fs/Fgmax。Fs的大小應(yīng)根據(jù)壓縮機轉(zhuǎn)速的高低、氣流最大推力Fgmax的大小和升程的取值等因素來決定。μ值應(yīng)在合理范圍內(nèi)。首先應(yīng)滿足：0＜μ＜1。當μ＞1時，閥片不能貼緊升程限位板，導致自由端顫抖，即使不發(fā)生顫抖，較大的彈力也會加大氣閥開啟的阻力，增加能耗；還應(yīng)滿足μ＞0。當μ值接近0時，簧片的彈力亦接近0。彈力過小則閥片閉合時的遲后效應(yīng)嚴重，導致容積效率下降，功耗增加。為化解此矛盾，將舌簧閥片設(shè)計成具有變剛度特性的組合閥片，如圖3所示。圖3（a）中的一組虛線小孔是閥板上的通流孔。主閥片圖3（b）較厚，根部寬度縮小，具有變截面積，使開啟彈力（Fs）較低，易于打開。圖3（c）彈簧壓片短而薄，有少量預彎曲，使主閥片與閥板表面貼合。組合閥片開啟時彈簧剛度較小，開啟后隨著閥片的升起，彈簧壓片著力，組合彈簧片剛度上升。變剛度組合舌簧閥片具有開啟阻力小、關(guān)閉迅速、遲延效應(yīng)小、懸伸端不易顫抖、能耗低、壽命長等優(yōu)點。試驗證明，μ的取值在0.7～0.8內(nèi)為宜。

圖2 面積相等的3 種不同形狀閥板通流孔

（4）任何情況下都不要采用自由升程的模式。理論與實踐都證明這不可取。

（5）閥片的周邊不允許有任何沖裁殘留痕跡，所有銳邊都應(yīng)加工成R狀，周邊及R的粗糙度應(yīng)達到Ra0.8。為此要有相應(yīng)的工藝措施：

圖3 變剛度組合舌簧閥片

（a）設(shè)計小間隙精密沖裁模與模架，沖裁力的中心與導向柱的分布中心重合度好；（b）調(diào)整好沖床的導軌，保持良好的導向精度；（c）及時修磨沖頭的刃口平面，保持模具刃口的鋒利性。否則沖裁下來的閥片，會出現(xiàn)翻邊狀毛刺，這是不允許的；（d）充分的振動光蝕處理（通常要經(jīng)歷48 h），使閥片邊緣的銳邊呈R狀（R約0.05），無任何沖裁殘留的痕跡。

（6）正確選材的重要性眾所周知，無須贅述。瑞典生產(chǎn)的鉻鉬系列專用不銹鋼閥片鋼帶7C27Mo2經(jīng)我公司長期使用證明效果很好。

（7）壓縮機應(yīng)避免出現(xiàn)結(jié)碳現(xiàn)象。結(jié)碳不僅對舌簧閥片，對其他類型的氣閥的可靠性都是致命性的威脅。而要避免結(jié)碳，就必須克服形成結(jié)碳的物理條件與物質(zhì)基礎(chǔ)：高溫與竄油。因此高效、節(jié)能型、閥頭溫度較低的氣閥是不可或缺的前提。

4 應(yīng)用“舌簧閥片防斷裂設(shè)計準則”

圖4

研發(fā)以舌簧閥片為啟元件的高效節(jié)能型氣閥，是本研究課題的目的。為了節(jié)能和降低閥頭溫度的需要，應(yīng)盡量降低氣閥的閥隙流速。因為氣流通過閥隙的能量損失，與氣流流速的平方成正比。但是，降低閥隙流速的設(shè)計受到結(jié)構(gòu)空間的限制。傳統(tǒng)的回流式氣閥結(jié)構(gòu)，閥片在閥板平面上分布，其數(shù)量受到氣缸孔徑面積的限制，閥板的有效面積利用率低，氣流通過閥隙要有2次近似90°轉(zhuǎn)折、阻力大、能量損耗大、閥頭溫度高。直流式氣閥的閥片在立體空間分布，氣流沿閥片切向近似直線流動，阻力低，閥板有效面利用率高出前者3～5倍。為此，研制多邊形系列管狀直流閥，用于各級吸氣閥成為必要。由于這種直流閥安裝面積利用率高，閥隙通流面積大、流速低、流動阻力小、效率高、能耗低、閥頭溫度低、工作壽命長、氣閥板向活塞的平面上無任何凸起的吸氣閥片，上止點余隙容積小，容積效率高。同時，閥板上平面留有足夠大的面積布置較多的相對升程h合理的回流式舌簧閥片與升程限位板，降低了排氣閥的閥隙流速；吸氣與排氣閥都采用組合變剛度舌簧閥片。參看圖4（a）、（b）、（c）。圖4（a）是氣閥部件的頂視圖，偏離閥板中心的凸起圓形筒是直流式吸氣閥，局部剖開吸氣閥座，可見裝在閥座內(nèi)的10邊形筒狀閥芯，閥芯內(nèi)的導流錐體引導吸氣流從閥筒芯側(cè)壁上的10個斜長條形槽孔推開吸氣閥片，近似直線從閥隙流出；吸氣閥座內(nèi)壁被10個圓缺槽分割成10個弧形邊被銑成條形斜平面與吸氣閥片一一對應(yīng)，構(gòu)成升程限位。圖4（b）是氣閥部件底視圖，平面上無凸出的吸氣閥片，8組排氣閥孔，均由6個相鄰的小孔組成，與背面的8組排氣閥片及3塊排氣升程限位板相對應(yīng)。圖4（a）左右2片T形升程限位板及與T形升程限位板垂直分布的覆蓋6組閥片的主升程限位板，共覆蓋8組閥片。圖4（c）是10邊形閥筒芯，設(shè)有10個長條形下部斜角與導流錐體一致的槽形吸氣孔，上面復蓋10付組合閥片，每付閥片包含主閥片與彈簧壓片；由于多邊形筒狀閥芯的進氣側(cè)有較大的容積空間，不適用作排氣閥。故這種新型氣閥的排氣閥仍采用回流式結(jié)構(gòu)，進排氣閥片的結(jié)構(gòu)形狀相同，只是排氣閥片厚度略大于吸氣閥片。由于吸氣閥采用了立體空間分布的直流閥，閥板有效面積利用率高，留有足夠的面積布置較多的回流式排氣閥片，其升程小，總的閥隙通流面積大，閥隙流速低。一級吸氣閥的閥隙流速可設(shè)計在21～24 m/s范圍內(nèi)，這是傳統(tǒng)的回流式氣閥無法企及的一種高效、節(jié)能、高可靠性氣閥，適應(yīng)壓力范圍很寬，已系列化定型生產(chǎn)，其多邊形直流閥芯有6、8、10、14邊形4種，可并聯(lián)安裝以滿足較大流量的需要。本公司設(shè)計制造的角度式風冷有油潤滑空氣壓縮機，裝機功率7.5～30 kW，壓力范圍從低壓至40.0 MPa高壓，直徑大于等于60 mm氣缸，全部采用上述結(jié)構(gòu)的氣閥，使整機的技術(shù)性能大幅度提升。3種型號的低壓空壓機經(jīng)測試均達到一級能效，在正常情況下氣閥工作壽命大于10000 h。

5 結(jié)語

通過大量收集失效的舌簧閥片，對損壞的不同情況進行分類，分析研究失效的原因，提出防止舌簧閥片斷裂合理設(shè)計方案，經(jīng)過裝機耐久運行試驗驗證，最后總結(jié)出“舌簧閥片防斷裂設(shè)計準則”并用于節(jié)能型氣閥的開發(fā)，研發(fā)成功以舌簧片為啟閉元件的高效、節(jié)能、長壽命氣閥。進一步將這種新型氣閥用于本公司設(shè)計制造的各型風冷卻有油潤滑角度式低、中、高壓空氣壓縮機，大幅度提高了壓縮機的技術(shù)性能。本文重點是研究舌簧閥片斷裂的成因和防止斷裂的設(shè)計方法。當然，最終目的是研發(fā)節(jié)能型氣閥以提高壓縮機的性能。由于篇幅所限，對后者未進一步詳細討論。