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【摘 要】 針對(duì)應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)的空壓機(jī)氣閥工作狀況可能產(chǎn)生的問(wèn)題，對(duì)空壓機(jī)在低頻運(yùn)行時(shí)的氣閥進(jìn)行工作特性的數(shù)學(xué)分析與模擬，確定了使壓縮機(jī)氣閥正常工作及不發(fā)生延遲關(guān)閉的頻率下限，對(duì)變頻調(diào)節(jié)壓縮機(jī)頻率范圍選擇有一定參考作用。
一、前言
空氣壓縮機(jī)是礦山生產(chǎn)的重要設(shè)備之一，它生產(chǎn)壓縮空氣，用以帶動(dòng)風(fēng)動(dòng)鑿巖機(jī)、風(fēng)動(dòng)裝巖機(jī)等設(shè)備以及其他風(fēng)動(dòng)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(jìn)一步增加。變頻器的出現(xiàn)，引發(fā)了空壓機(jī)節(jié)能新的革命，變頻壓縮機(jī)依據(jù)使用氣量實(shí)際情況，通過(guò)變頻器調(diào)整電動(dòng)機(jī)的轉(zhuǎn)速，按需提供實(shí)際所需的空氣量，同時(shí)可以保持壓縮空氣的恒定壓力，變頻調(diào)節(jié)范圍寬，能量損失小，控制方法簡(jiǎn)單，變頻技術(shù)在壓縮機(jī)上的應(yīng)用越來(lái)越廣泛?？諌簷C(jī)的實(shí)際用氣量一般小于額定排氣量，所以一般是在工頻以下調(diào)節(jié)，它的頻率下限可以調(diào)到多少受壓縮機(jī)本身性能的影響，如轉(zhuǎn)速太低會(huì)影響壓縮機(jī)的潤(rùn)滑以及氣閥正常工作和壓縮機(jī)的起動(dòng)等等，所以變頻調(diào)節(jié)只能接近而不能達(dá)到理想曲線，其頻率下限不可能太低，對(duì)于已經(jīng)應(yīng)用變頻調(diào)節(jié)的壓縮機(jī)，其調(diào)節(jié)F限一般根據(jù)實(shí)驗(yàn)獲得，關(guān)于這方面的理論計(jì)算很少，本文以氣閥低頻運(yùn)行時(shí)的特性為主要內(nèi)容，進(jìn)而從氣閥運(yùn)動(dòng)特性方面確定壓縮機(jī)變頻調(diào)節(jié)的頻率下限，為壓縮機(jī)實(shí)現(xiàn)變頻調(diào)節(jié)頻率范圍的選取起到參考作用。
二、氣閥閥片運(yùn)動(dòng)與轉(zhuǎn)速的關(guān)系
在壓縮機(jī)進(jìn)排氣過(guò)程中，氣閥閥片的開(kāi)啟和關(guān)閉不是瞬時(shí)的；氣閥閥片的位移隨曲柄轉(zhuǎn)角θ而變化，閥片位移取決于氣缸中和進(jìn)排氣腔中的氣體壓力、氣閥彈性元件的剛性、氣閥運(yùn)動(dòng)元件的質(zhì)量，以及曲軸轉(zhuǎn)速等。閥片位移h與時(shí)間t的函數(shù)關(guān)系為
忽略質(zhì)量力、氣體阻尼力、油黏著力的單質(zhì)點(diǎn)單自由度振動(dòng)系統(tǒng)的閥片運(yùn)動(dòng)微分方程為
當(dāng)λ＝0時(shí)，求得θ＝90°或270°時(shí)的△Pv值******，當(dāng)考慮λ的影響時(shí)，θ值偏離90°或270°，但△Pv的******值相差不大。定義μ等于氣閥全開(kāi)時(shí)的彈簧力和θ＝90°時(shí)的氣體推力之比，則
氣閥正常工作時(shí)，0<μ<1，因μ>1時(shí)，彈簧將超過(guò)閥片全開(kāi)時(shí)可能產(chǎn)生的******氣體推力，閥片不能充分開(kāi)啟。μ＝0時(shí)，氣閥無(wú)彈簧力，閥片將延遲關(guān)閉。所以可以通過(guò)分析轉(zhuǎn)速對(duì)值μ的影響來(lái)確定氣閥的工作狀況。
假定吸排氣過(guò)程中缸內(nèi)壓力不變，以一臺(tái)5L—40／8型壓縮機(jī)的各參數(shù)為例代入，得Ma＝0.0015n，可見(jiàn)當(dāng)壓縮機(jī)及氣閥結(jié)構(gòu)給定時(shí)，Ma與轉(zhuǎn)速有關(guān)，即μ只與轉(zhuǎn)速有關(guān)，繼續(xù)把各參數(shù)值代入，
所以當(dāng)n≤104，即μ≥1時(shí)，彈簧力將超過(guò)閥片全開(kāi)時(shí)可能產(chǎn)生的******氣體推力，閥片不能充分開(kāi)啟，產(chǎn)生顫振。在實(shí)際氣閥設(shè)計(jì)中，為了氣閥工作的穩(wěn)定性，μ值一般******值取到0.8，所以n應(yīng)大于117r／min以保證氣閥不發(fā)生顫振。
三、仿真復(fù)算
下面對(duì)理論計(jì)算進(jìn)行一下仿真復(fù)算，根據(jù)文獻(xiàn)，氣閥的數(shù)學(xué)模型
運(yùn)用SIMULINK進(jìn)行仿真，取任意小于117r／min的轉(zhuǎn)速，例如，輸入n＝115r／min，即ω＝12.04m／s，系統(tǒng)框圖如下。
根據(jù)仿真結(jié)果可以看出，當(dāng)轉(zhuǎn)速n＝115r／min時(shí)，閥片不斷顫振，無(wú)法正常開(kāi)啟，與理論計(jì)算結(jié)果相符。
四、結(jié)論
把n≤117r/min代入，得f≤8Hz時(shí)，壓縮機(jī)氣閥產(chǎn)生顫振，工作不穩(wěn)定，氣閥容易損壞，所以當(dāng)變頻調(diào)節(jié)壓縮機(jī)轉(zhuǎn)速時(shí)，要考慮原有氣閥低頻下的工作特性，改進(jìn)或更換氣閥，以便在較低的頻率范圍內(nèi)保證壓縮機(jī)能正常工作。對(duì)于其他類型的壓縮機(jī)，計(jì)算代人相應(yīng)的參數(shù)，可求得不同的頻率下限值。所以根據(jù)本文提供的方法．可粗略確定變頻調(diào)節(jié)壓縮機(jī)的頻率調(diào)節(jié)范圍。
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