【摘要】本文主要基于往复式天然气压缩机，并对其气阀进行全程动态化分析，并建立了相应的动力学模型。在气阀运动进行多次弹力取值，通过数据信息的精确计算，研究得出气阀弹力与阀片运动之间存在相对应的特殊关系，并利用气阀设计原理，更好的实现流通性，将该特性与动力学原理进行有机结合，发现二者之间存在的特殊规律。此外，还解释了压缩机气阀的弹力性对气阀的使用寿命和压缩机能力的影响，为天然气压缩机气阀设计提供了新的发展思路。
【关键词】往复式天然气压缩机；气阀；动力学模型；动态化分析
在天然气压缩机中，气阀的质量和性能好坏直接关系着压缩机是否能够更好的进行运转，可见，气阀在天然气压缩机中的重要地位。然而，由于气阀在整个机械运转中的工作任务量较大，工作环境差，在压缩机各个零部件中，气阀损坏的频率最高。因此，在天然气压缩机设计过程中，要将与气阀相关的问题予以充分重视，在研究其工作原理的基础上，还要对该部件进行动态化分析，为天然气压缩机设计提供科学的设计依据。
一、天然气压缩机气阀的动力学模型
一般来说，在天然气压缩机设计中，气阀的选择主要为环状阀，并被设计人员广泛应用。具体来说，环状阀的主要构成包括气阀的底座、阀片升程限制器以及弹簧等组成，各个部位所起的作用不尽相同。下面，以进气阀为例，其工作原理及流程如下：首先，需要使气阀进行逐渐膨胀，并运动至进气口的终点位置，这时，气缸与阀腔之间会不同程度上产生压力，并在二者之间形成压力差，以此来抵消弹簧所发出了推动力，使阀片离开气阀底座位置，在使气缸进行吸气，完成整个吸气过程。其次，当压力不断增大时，阀片会随之向上升高，达到一定高度时，阀片会撞击升程限制器，根据运动力学原理可知，可能会发生反弹现象的出现。最后，当进气阀中的活塞不断接近止点时，气阀中的进气速度会不断减缓，而气流推力也逐渐减弱，这时，阀片从升程限制器会向下降落，并回到气阀的底座之上。根据牛顿第二定律，阀片的运动方程如下：22(/)gsmdhdt=F−F在方程式中，m表示的是1/3弹簧的质量与阀片质量的相加；Fg表示的是气体的推动力；Fs表示为弹力，sF=KΔl；k表示的是弹性系数的大小；Δl表示的为变形量的数值；h代表的是升程大小；t表示的是时间。由于Fg与压力差之间存在正比例关系，利用热力学原理以及流力学原理推导出来。在气阀运动过程中，阀片之间会存在冲突和碰撞，会产生相应的推动力；而Fg与升程大小和时间之间的约束关系存在特殊性和复杂性，由此可见，阀片中获得的动力学模型是一种非线性模型，可以进行力学之间的替换。
二、压缩机气阀中阀片运动的数值计算
在天然气压缩机中，气阀内部的气缸与阀座底部的对应位置已经确定，相对应的面积大小也提前固定好，因此，当阀片升程在逐渐增加时，气阀中的流通面积也逐渐增大，这样一来，更好的降低了阀隙中气流的流通速度，更高的避免了空气流通中压力的损失，进一步提高压缩机气阀的工作质量和工作效率。然而，当升程的增加与阀隙和阀座的截面保持一致时，由于升程过大，在无形中加快了阀片与升程限制器之间的冲突速度，这样就会大大缩短气阀的使用寿命，因此，当升程的增加与阀隙和阀座的截面保持一致时，没有必要再进行升程的增加。一般来说，气阀中的阀片质量要尽量小，因为小质量的阀片能够有效提高气阀运动的速度，减少阀片与其他零部件之间的碰撞力度。因此，在气阀设计过程中，对于阀片的选择要结合阀片材质、大小以及受力等方面的制约，要确保阀片的质量尽可能的小。因此，就上述内容而言，在阀片运动数值计算中，将h取值为3mm，m取值为0.3kg.在气阀中，其弹簧产生的压力不能大于气流推力，这样做的好处就是避免阀片出现不能完全打开的状况，甚至可能出现颤振的现象。但弹簧产生的压力也不能过小，力度过小的话可能会延缓气阀的关闭时间，还可能会影响到天然气排量的变化。因此，基于运动学模型，取不同大小的弹簧力，并进行仿真模拟。根据参数的选定，需要对阀片运动的相关数据进行精确计算，并根据计算结果，绘制不同状态下的曲线图。计算结果如下：第一，在阀片升程曲线图中，由于弹性系数过大，弹簧力度也相应增加，阀片在运动中出现明显震动现象，无形中延迟了阀片关闭的时间。第二，在不同状态下，通过曲线速度也能明显发现阀片处于震动状态，在这种状况下，升程限制器的冲击力一定大于阀座的冲击力。第三，通过活塞运动循环变化图可见，气缸压力是随之变化的。当弹簧力较大，压力波动较为明显，无形中增加了压力的损耗和功耗；当弹簧力较小时，阀片的关闭时间会出现一定程度上的延迟，气流量也逐渐降低，无法满足应有的需气量。第四，随着气阀弹力变化曲线可见，当弹力较小，气量、轴功率也呈下降趋势，但比功率却呈上升趋势，经济性也被削弱；当弹力较大时，比功率呈迅速上升的趋势，同时，经济性也在一定程度上被削弱。
三、结语
由于气阀在整个机械运转中的工作任务量较大，工作环境差，在压缩机各个零部件中，气阀损坏的频率最高，而在气阀中，最易损坏的零部件是阀片和弹簧。因此，在天然气压缩机的设计过程中，要注重气阀的质量和性能，以此来确保天然气压缩机的正常运转，还要充分发挥气阀在天然气压缩机中的优势地位，在研究其工作原理的基础上，还要对该部件进行动态化分析，为天然气压缩机设计提供科学的设计依据。此外，气阀的设计要注重弹力的应用，这一点直接关系着气阀动力学的使用寿命。同时，工况的改变，可能导致原本适合的气阀无法继续适用，因此，要将工况作为气阀设计的依据之一，并通过精确计算，调整工况与气阀之间的配适度，确保气阀设计的科学性和有效性。
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作者：张鑫磊 单位：大庆油田有限责任公司天然气分公司油气加工二大队
